HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und ein
Verfahren zum Zuführen von Reaktionsgasen zu dem
Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel umfasst zusammengepackte
Brennstoffzelleneinheiten. Jede der Brennstoffzellen enthält ein Paar von Separatoren
und einen Membranelektrodenaufbau, der zwischen den Separatoren
angeordnet ist. Der Membranelektrodenaufbau enthält eine Anode, eine
Kathode und eine Ionenaustauschmembran aus Festpolymerelektrolyt, die
zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.
Beschreibung der verwandten Technik
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Im Allgemeinen verwendet eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle einen
Membranelektrodenaufbau (MEA), der zwei Elektroden (Anode und
Kathode) sowie eine zwischen den Elektroden angeordnete Elektrolytmembran
umfasst. Die Elektrolytmembran ist eine Polymerionenaustauschmembran
(Protonenaustauschmembran). Jede der Elektroden umfasst einen
Katalysator und porösen Kohlenstoff. Der Membranelektrodenaufbau ist zwischen
Separatoren (bipolaren Platten) angeordnet. Der Membranelektrodenaufbau
und die Separatoren bilden eine Einheit der Brennstoffzelle zur Erzeugung
von Elektrizität. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen sind miteinander
verbunden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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In der Brennstoffzelle wird ein Brenngas, etwa ein Wasserstoff
enthaltendes Gas, der Anode zugeführt. Der Katalysator der Anode bewirkt eine
chemische Reaktion des Brenngases, um die Wasserstoffmoleküle in
Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen aufzuspalten. Die Wasserstoffionen
bewegen sich durch den Elektrolyt zur Kathode hin, und die Elektronen
strömen durch einen äußeren Schaltkreis zu der Kathode, wobei sie einen
elektrischen Gleichstrom erzeugen. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder
Luft wird der Kathode zugeführt. An der Kathode vereinigen sich die
Wasserstoffionen von der Anode mit den Elektronen und Sauerstoff, um
Wasser zu erzeugen.
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In dem Brennstoffzellenstapel neigt die Temperatur einiger der
Brennstoffzellen dazu, verglichen mit den anderen Brennstoffzellen niedrig zu sein.
Insbesondere ist eine Endfläche jeder der äußersten Brennstoffzellen
(Endzellen) in der Packungsrichtung der Umgebungsluft ausgesetzt, und daher
ist es wahrscheinlich, dass die Brennstoffzellen durch die Umgebungsluft
gekühlt werden. Wenn ein Verteiler zwischen zwei der
zusammengepackten Brennstoffzellen angeordnet ist, ist es ferner wahrscheinlich, dass die
an den Verteiler angrenzenden Brennstoffzellen durch den Verteiler gekühlt
werden. Wenn die Temperatur der Brennstoffzellen wesentlich verringert
ist, wird die Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen
verringert. Ferner kann Kondensation von Wasser in den Brennstoffzellen
auftreten. Bei den chemischen Reaktionen erzeugtes Wasser wird nicht
sanft aus den Brennstoffzellen ausgestoßen, und die Spannung der
Brennstoffzellen verringert sich.
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Insbesondere dann, wenn der Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur
unterhalb des Gefrierpunkts betrieben wird, ist die Differenz zwischen der
Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel und der
Umgebungslufttemperatur groß. Daher ist die Temperatur in jeder der Endzellen wesentlich
verringert. Wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei der Temperatur
unterhalb des Gefrierpunkts gestartet wird, wird Wasser, das zum
Zeitpunkt der Stromerzeugung in jeder der Endzellen erzeugt wird, unter den
Gefrierpunkt abgekühlt. Das gefrorene Wasser kann
Reaktionsgas-Stromdurchgänge (Sauerstoff-enthaltendes-Gas-Stromdurchgang und/oder
Brenngas-Stromdurchgang) oder den porösen Kohlenstoff unerwünschterweise
verschließen. Im Ergebnis kann ein Mangel an Reaktionsgasen in den
Endzellen auftreten. Der Mangel der Reaktionsgase veranlasst einen
Spannungsabfall in den Endzellen.
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Bei einem Versuch, zu verhindern, dass die Endzellen übermäßig abgekühlt
werden, offenbart beispielsweise die japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr. 8-130028 (Stand der Technik 1) einen
Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der keine Nuten (Kühlmitteldurchgänge) in äußeren
Separatoren von Endzellen aufweist, um zu verhindern, dass die Separatoren
übermäßig abgekühlt werden und um die Kondensation von Wasser zu
verhindern.
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Ferner offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-167424
(Stand der Technik 2) einen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel,
der Heizelemente enthält, die durch einen von dem Festpolymerelektrolyt-
Brennstoffzellenstapel fließenden elektrischen Strom geheizt werden. Das
Heizelement ist wenigstens an jedem der Stromkollektoren angeordnet, die
in Kontakt mit den Außenflächen von äußersten Separatoren des
Brennstoffzellenstapels sind, um zu verhindern, dass Endzellen übermäßig
gekühlt werden und um Kondensation von Wasser zu verhindern.
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Um zu verhindern, dass die Endzellen übermäßig abgekühlt werden, wird
bei dem Stand der Technik 1 und 2 der Separator, der keine Nuten
(Kühlmitteldurchgänge) aufweist oder das Heizelement verwendet, das durch
den von dem Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel fließenden
elektrischen Strom erwärmt wird. Daher machen es die speziellen
Konstruktionen der entgegengesetzten Enden des Brennstoffzellenstapels schwierig,
die Größe des Brennstoffzellenstapels zu verringern.
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Ferner erfordert bei dem Stand der Technik 1 der Festpolymerelektrolyt-
Brennstoffzellenstapel verschiedene Arten von Separatoren, d. h. den
Separator, der die Nut als den Kühlmitteldurchgang aufweist, und den
Separator, der die Nut nicht aufweist. Das Erfordernis von verschiedenen Arten
von Separatoren ist ein Hindernis in der Produktionslinie, und daher sind die
Produktionskosten hoch.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei dem bei chemischen Reaktionen
erzeugtes Wasser nicht kondensiert und bei dem daher die Stromerzeugungs-
Leistungsfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels wirksam
verbessert ist.
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Eine hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Verfahren zum Zuführen von Reaktionsgasen zu jeder Einheitszelle anzugeben,
um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel sanft auszustoßen, so dass in
dem Brennstoffzellenstapel wirksam Strom erzeugt wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung umfasst ein Brennstoffzellenstapel eine
Mehrzahl von zusammengepackten Einheitszellen, wobei jede Einheitszelle
ein Paar von Separatoren und einen zwischen den Separatoren
angeordneten Membranelektrodenaufbau enthält, wobei der
Membranelektrodenaufbau eine Anode, eine Kathode und eine Ionenaustauschmembran aus
Festpolymerelektrolyt enthält, die zwischen der Anode und der Kathode
angeordnet ist,
wobei wenigstens zwei aneinander angrenzende Einheitszellen
elektrisch parallel verbunden sind.
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Wenn n Einheitszellen (n = Anzahl von Einheitszellen) parallel verbunden
sind (parallele Einheitszellen), ist der durch jede der Einheitszellen fließende
elektrische Strom das 1/n-fache des elektrischen Stroms, der durch die
anderen Einheitszellen fließt, die elektrisch in Reihe verbunden sind (serielle
Einheitszellen).
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Wenn Querschnittsflächen der Reaktionsgasdurchgänge sowohl bei den
parallelen Einheitszellen als auch bei den seriellen Einheitszellen gleich sind,
ist daher die Stromdichte pro Einheitsfläche auf den Elektroden der
parallelen Einheitszellen das 1/n-fache der Stromdichte der seriellen
Einheitszellen. Daher ist im Vergleich mit den seriellen Einheitszellen die Menge von
unreagierten Gasen, welche in den chemischen Reaktionen nicht reagiert
haben, in den parallelen Einheitszellen groß.
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Die unreagierten Gase verdampfen das Wasser und/oder entfernen das
kondensierte Wasser. Daher wird Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel
wirksam ausgestoßen. Ferner ist der durch die chemischen Reaktionen zur
Erzeugung von Elektrizität in den parallelen Einheitszellen erzeugte Dampf
nur das 1/n-fache des in den anderen seriellen Einheitszellen erzeugten
Dampfes. Daher kondensiert in den parallelen Einheitszellen der Dampf
nicht wesentlich.
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Es wird verhindert, dass der Stromdurchgang für Sauerstoff enthaltendes
Gas-, der Brenngas-Stromdurchgang und/oder die poröse
Gasdiffusionsschicht durch das bei den chemischen Reaktionen erzeugte Wasser
verschlossen werden. Daher kann die Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit des
Brennstoffzellenstapels effektiv erhöht sein.
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Bei einem Verfahren zum Zuführen von Reaktionsgasen zu einem
Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung umfasst der
Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von zusammengepackten Einheitszellen. Jede der
Einheitszellen enthält ein Paar von Separatoren, und einen zwischen den
Separatoren angeordneten Membranelektrodenaufbau. Der
Membranelektrodenaufbau enthält eine Anode, eine Kathode und eine
Ionenaustauschmembran aus Festpolymerelektrolyt, die zwischen der Anode und
der Kathode angeordnet ist. Wenigstens zwei aneinander angrenzende
Einheitszellen sind elektrisch parallel verbunden. Dieselbe Menge von
Reaktionsgasen wird jeder der Einheitszellen zugeführt, einschließlich
elektrisch in Reihe verbundener Einheitszellen und wenigstens zweier
elektrisch parallel verbundener Einheitszellen.
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Daher ist es möglich, die Reaktionsgase den Einheitszellen des
Endzellenstapels in der Menge zuzuführen, die ausreichend ist, um das bei den
chemischen Reaktionen erzeugte Wasser von dem Endzellenstapel
auszustoßen, ohne die Menge von Reaktionsgasen zu steuern/regeln. Das
Wasser wird aus dem Endzellenstapel sanft ausgestoßen, und daher wird die
Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels
wirksam auf einem gewünschten Niveau gehalten.
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung, wenn diese
im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gesehen wird, in
denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als
beispielhafte Illustrationen gezeigt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Perspektivansicht, die einen
Brennstoffzellenstapel gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2 ist eine Seitenansicht, die den Brennstoffzellenstapel zeigt;
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Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die
Hauptkomponenten des Brennstoffzellenstapels zeigt;
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Fig. 4 ist eine Ansicht, die Fluidströme zeigt, die in einem
Endzellenstapel des Brennstoffzellenstapels fließen;
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Fig. 5 ist eine Ansicht, die die elektrische Verbindung in dem
Endzellenstapel zeigt;
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Fig. 6 ist eine Explosionsansicht, die Hauptkomponenten eines
Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 7 ist eine Ansicht, die die elektrische Verbindung in einem
Endzellenstapel des Brennstoffzellenstapels gemäß der zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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Fig. 8 ist eine Ansicht, die schematisch einen Brennstoffzellenstapel
gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Brennstoffzelle 10
gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig.
2 ist eine Seitenansicht, die den Brennstoffzellenstapel 10 zeigt, und Fig. 3
ist eine perspektivische Explosionsansicht, die Hauptkomponenten des
Brennstoffzellenstapels 10 zeigt.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 enthält Brennstoffzelleneinheiten
(Einheitszellen) 12, die in einer durch einen Pfeil A angedeuteten Richtung gepackt
sind. Erste Brennstoffzelleneinheiten (erste Einheitszellen 12a) sind an
entgegengesetzten Enden in der Packungsrichtung der Einheitszellen 12
angeordnet. Ein Kathoden-Stromanschluss (positive Elektrode) 14a und ein
Anoden-Stromanschluss (negative Elektrode) 14b sind jeweils an der
Außenseite der ersten Einheitszellen 12a gepackt. Zweite
Brennstoffzelleneinheiten (zweite Einheitszellen 12b) sind jeweils an der Außenseite des
Kathodenanschlusses 14a und des Anodenanschlusses 14b gepackt.
Isolierplatten 15 sind jeweils an der Außenseite der zweiten Einheitszellen
12b gepackt. Ferner sind Endplatten 16a, 16b jeweils an der Außenseite
der Isolierplatten 15 gepackt. Die Einheitszellen 12 sind durch Festspannen
der Endplatten 16a, 16b mit einer nicht gezeigten Verbindungsstange oder
dergleichen zusammengepackt, um den Brennstoffzellenstapel 10 zu bilden.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind an einem Längsende der Endplatte 16a in
einer durch einen Pfeil B angedeuteten Richtung ein Zufuhranschluss 18a
für Sauerstoff enthaltendes Gas, ein Brenngas-Ausstoßanschluss 20b und
ein Kühlmittel-Zufuhranschluss 22a vertikal angeordnet. Am anderen
Längsende der Endplatte 16a sind ein Kühlmittel-Ausstoßanschluss 22b,
ein Brenngas-Zufuhranschluss 20a und ein Ausstoßanschluss 18b für
Sauerstoff enthaltendes Gas vertikal angeordnet.
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Die erste Einheitszelle 12a und die zweite Einheitszelle 12b sind elektrisch
parallel verbunden. Die anderen Einheitszellen 12 zwischen den ersten
Einheitszellen 12a sind elektrisch in Reihe verbunden.
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, enthält die erste Brennstoffzelle 12a einen
Membranelektrodenaufbau 24. Der Membranelektrodenaufbau 24 umfasst eine
Anode 28 und eine Kathode 30 und eine zwischen der Anode 28 und der
Kathode 30 angeordnete Festpolymer-Ionenaustauschmembran 26. Sowohl
die Anode 28 als auch die Kathode 30 umfassen eine Lage von porösem
Kohlenstoffpapier, die als Gasdiffusionsschicht wirkt, und einen Edelmetall-
basierten Katalysator, der auf der Gasdiffusionsschicht aufgebracht ist. Der
Membranelektrodenaufbau 24 ist zwischen elektrisch leitenden Separatoren
angeordnet, d. h. einem ersten Separator 32 und einem zweiten Separator
34. Der Membranelektrodenaufbau 24 und der erste Separator 32 und der
zweite Separator 34 bilden gemeinsam die erste Einheitszelle 12a. An
einem Längsende der ersten Einheitszelle 12a in der durch einen Pfeil B
angedeuteten Richtung sind ein Zufuhrdurchgang 36a für Sauerstoff
enthaltendes Gas-, ein Brenngas-Ausstoßdurchgang 38b und ein Kühlmittel-
Zufuhrdurchgang 40a angeordnet. An dem anderen Längsende der ersten
Einheitszelle 12a sind ein Kühlmittel-Ausstoßdurchgang 40b, ein Brenngas-
Zufuhrdurchgang 38a und ein Zufuhrdurchgang 36b für Sauerstoff
enthaltendes Gas angeordnet.
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Der erste Separator 32 besitzt einen Brenngas-Stromdurchgang 42, der
eine Mehrzahl von Nuten auf seiner Oberfläche 32a aufweist, die der
Anode 28 zugewandt ist. Der Brenngas-Stromdurchgang 42 ist mit dem
Brenngas-Zufuhrdurchgang 38a an einer Seite verbunden und mit dem
Brenngas-Ausstoßdurchgang 38b an der anderen Seite verbunden.
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Ebenso wie der erste Separator 32 besitzt der zweite Separator 34 einen
Stromdurchgang 44 für Sauerstoff enthaltendes Gas, der eine Mehrzahl
von Nuten auf seiner Oberfläche 34a aufweist, die der Kathode 30
zugewandt ist. Der Stromdurchgang 44 für Sauerstoff enthaltendes Gas ist mit
dem Zufuhrdurchgang 36a für Sauerstoff enthaltendes Gas an einer Seite
verbunden und mit dem Ausstoßdurchgang 36b für Sauerstoff
enthaltendes Gas an der anderen Seite verbunden. Ein Kühlmittel-Stromdurchgang
46, der mit dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 40a und dem Kühlmittel-
Ausstoßdurchgang 40b verbunden ist, ist an einer Fläche 34b des zweiten
Separators 34 ausgebildet.
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Die ersten Einheitszellen 12a und die zwischen den ersten Einheitszellen
12a angeordneten anderen Einheitszellen 12 weisen dieselbe Struktur auf.
Die Elementarbestandteile der Einheitszellen 12, die mit denjenigen der
ersten Einheitszellen 12a identisch sind, sind mit demselben Bezugszeichen
bezeichnet und deren Beschreibung wird weggelassen.
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Die Komponenten der zweiten Einheitszelle 12b und die Komponenten der
ersten Einheitszelle 12a sind symmetrisch um den Kathodenanschluss 14a
angeordnet. Der zweite Separator 34 der zweiten Einheitszelle 12b ist
angrenzend an den Kathodenanschluss 14a angeordnet. Der erste
Separator 32 ist außerhalb des zweiten Separators 34 derart angeordnet, dass der
Membranelektrodenaufbau 24 zwischen dem ersten Separator 32 und dem
zweiten Separator 34 angeordnet ist.
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Die Endplatte 16a ist an dem Brennstoffzellenstapel 10 derart angebracht,
dass die Isolierplatte 15 zwischen der Endplatte 16a und dem ersten
Separator 32 der zweiten Einheitszelle 12b angeordnet ist.
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Der erste Separator 32 der ersten Einheitszelle 12a und der erste Separator
32 der zweiten Einheitszelle 12b sind durch eine Leitung 48 verbunden, um
die erste Einheitszelle 12a und die zweite Einheitszelle 12b elektrisch
parallel zu verbinden, so dass sie einen Endzellenstapel 50 bilden.
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Bei der ersten und zweiten Einheitszelle 12a, 12b ist es bevorzugt, die
Stromerzeugungseffizienz zu verringern. Daher kann die Katalysatormenge
in den Festpolymer-Ionenaustauschmembranen 26 der
Membranelektrodenaufbauten 24 in den ersten und den zweiten Einheitszellen 12a, 12b im
Vergleich mit den anderen Einheitszellen 12 klein sein, um zum Beispiel die
Aktivierungsüberspannung oder die Widerstandsüberspannung der ersten
und der zweiten Einheitszelle 12a, 12b zu erhöhen. Die Struktur der
Anodenanschlüsse (negative Elektrode) 14b ist mit der Struktur des
Kathodenanschlusses (positive Elektrode) 14a identisch. Daher wird eine detaillierte
Beschreibung des Anodenanschlusses 14b weggelassen.
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Ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Zuführen von
Reaktionsgasen zu dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel 10 wird ein Brenngas,
etwa ein Wasserstoff enthaltendes Gas, dem Brenngas-Zufuhranschluss
20a zugeführt, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, etwa Luft, wird dem
Zufuhranschluss 18a für Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt, ein
Kühlmittel, etwa reines Wasser, ein Ethylenglykol oder ein Öl, wird dem
Kühlmittel-Zufuhrkanal 22a zugeführt. Von dem Brenngas-Zufuhranschluss 20a,
dem Zufuhranschluss 18a für Sauerstoff enthaltendes Gas und dem
Kühlmittel-Zufuhranschluss 22a werden das Brenngas, das Sauerstoff
enthaltende Gas und das Kühlmittel jeder der Einheitszellen 12 einschließlich der
ersten und zweiten Einheitszellen 12a, 12b zugeführt, die in der durch den
Pfeil A angedeuteten Richtung zusammengepackt sind, um den
Brennstoffzellenstapel 10 zu bilden.
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Wie in Fig. 4 gezeigt ist, strömt das dem Zufuhranschluss 18a für
Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführte Sauerstoff enthaltende Gas durch den
Zufuhrdurchgang für Sauerstoff enthaltendes Gas 36a in der durch den
Pfeil A angedeuteten Richtung. Das Sauerstoff enthaltende Gas wird in den
Stromdurchgang 44 für Sauerstoff enthaltendes Gas-eingeführt, der an der
Oberfläche 34a des zweiten Separators 34 ausgebildet ist. Das Sauerstoff
enthaltende Gas in dem Stromdurchgang 44 für Sauerstoff enthaltendes
Gas strömt entlang der Kathode 33, um eine chemische Reaktion an der
Kathode 30 zu bewirken. Das nicht reagierte Sauerstoff enthaltende Gas
wird von dem Brennstoffzellenstapel 10 durch den Ausstoßdurchgang 36b
für Sauerstoff enthaltendes Gas ausgestoßen.
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Das dem Brenngas-Zufuhranschluss 20a zugeführte Brenngas wird in den
Brenngas-Zufuhrdurchgang 38a eingeführt, der in der durch den Pfeil A
angedeuteten Richtung verläuft. Danach wird das Brenngas in den
Brenngas-Stromdurchgang 42 eingeführt, der auf der Oberfläche 32a des ersten
Separators 32 ausgebildet ist. Das Brenngas in dem
Brenngas-Stromdurchgang 42 strömt entlang der Anode 28, um eine chemische Reaktion an der
Anode 28 zu bewirken. Das nicht reagierte Brenngas wird aus dem
Brennstoffzellenstapel 10 durch den Brenngas-Ausstoßdurchgang 38b
ausgestoßen. In dem Membranelektrodenaufbau 24 wird das der Kathode 30
zugeführte Sauerstoff enthaltende Gas und das der Anode 28 zugeführte
Brenngas in den elektrochemischen Reaktionen an Katalysatorschichten der
Kathode 30 und der Anode 28 zur Erzeugung von Strom verbraucht.
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Das dem Kühlmittel-Zufuhranschluss 22a zugeführte Kühlmittel wird in den
Kühlmittel-Stromdurchgang 46 auf der Fläche 34b des zweiten Separators
34 durch den Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 40a eingeführt. Nach Aufnahme
von bei der Stromerzeugung in dem Membranelektrodenaufbau 24
erzeugter Wärme wird das Kühlmittel aus dem Kühlmittel-Ausstoßanschluss 22b
durch den Kühlmittel-Ausstoßdurchgang 40b ausgestoßen.
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In dem Brennstoffzellenstapel 10 wird Dampf durch die chemischen
Reaktionen zur Stromerzeugung erzeugt. Die Temperatur der entgegengesetzten
Enden in der Packungsrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 neigen dazu,
durch die Umgebungsluft gekühlt zu werden. Daher kann der Wasserdampf
zu flüssigem Wasser kondensieren.
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Bei dem Brennstoffzellenstapel 10 der ersten Ausführungsform ist der
Endzellenstapel 50, der wahrscheinlich durch die Umgebungsluft gekühlt
wird, durch die erste Einheitszelle 12a und die zweite Einheitszelle 12b
gebildet. Die erste Einheitszelle 12a und die zweite Einheitszelle 12b sind
durch die Leitung 48 elektrisch parallel verbunden.
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Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sind daher die Einheitszellen 12 elektrisch in Reihe
verbunden, und die erste und die zweite Einheitszelle 12a, 12b sind
elektrisch parallel verbunden. Da die Menge von sowohl der ersten Einheitszelle
12a, der zweiten Einheitszelle 12b und den anderen Einheitszellen 12
zugeführten Reaktionsgasen (Brenngas und Sauerstoff enthaltendes Gas)
dieselbe ist, ist der durch sowohl die erste als auch die zweite Einheitszelle
12a, 12b fließende elektrische Strom das S-fache des durch die
Einheitszellen 12 fließenden elektrischen Stroms. Anders ausgedrückt, ist die
Stromdichte (i/2) pro Einheitsfläche an den Elektroden der ersten und der
zweiten Einheitszelle 12a, 12b das S-fache der Stromdichte (i) der
Einheitszellen 12.
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Daher ist im Vergleich mit den Einheitszellen 12 in der ersten und der
zweiten Einheitszelle 12a, 12b die Menge von nicht reagierten Gasen, welche
nicht in den chemischen Reaktionen reagiert haben, groß. Die nicht
reagierten Gase verdampfen das Wasser und/oder entfernen das kondensierte
Wasser in der ersten und der zweiten Einheitszelle 12a, 12b. Daher wird
das Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel 10 wirksam ausgestoßen.
Ferner ist der durch die chemischen Reaktionen zur Erzeugung von Strom
in der ersten und der zweiten Einheitszelle 12a, 12b erzeugte Dampf nur
das S-fache des in den anderen Einheitszellen 12 erzeugten Dampfes.
Daher kondensiert der Dampf in der ersten und der zweiten Einheitszelle
12, 12b nicht wesentlich.
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Es wird verhindert, dass der Stromdurchgang 44 für Sauerstoff
enthaltendes Gas-, der Brenngas-Stromdurchgang 42 und/oder die poröse
Gasdiffusionsschicht durch bei den chemischen Reaktionen erzeugtes Wasser
verschlossen werden. Daher wird die Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit
des Brennstoffzellenstapels 10 wirksam erhöht.
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Insbesondere wird der Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der ersten
Ausführungsform sogar dann geeignet betrieben, wenn der
Brennstoffzellenstapel 10 in einer Umgebung bei einer Temperatur unterhalb des
Gefrierpunktes betrieben wird. Wenn die Temperatur der Umgebungsluft unterhalb
des Gefrierpunktes ist, ist die Differenz zwischen der Temperatur in dem
Brennstoffzellenstapel 10 und der Umgebungs-Lufttemperatur groß. Daher
wird die Temperatur in jedem der Endzellenstapel 50 signifikant verringert.
Wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 bei der Temperatur
unterhalb des Gefrierpunktes gestartet wird, wird Wasser, das zum Zeitpunkt
der Stromerzeugung in jedem der Endzellenstapel 50 erzeugt wird,
unterhalb des Gefrierpunktes abgekühlt. Das gefrorene Wasser kann den
Stromdurchgang 44 für Sauerstoff enthaltendes Gas und/oder den
Brenngasstromdurchgang 42 unerwünscht verschließen.
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Daher ist der Endzellenstapel 50 durch die erste Einheitszelle 12a und die
zweite Einheitszelle 12b gebildet, die elektrisch parallel verbunden sind, um
das Wasser aus dem Endzellenstapel 50 sanft auszustoßen und wirksam zu
verhindern, dass das Wasser in dem Endzellenstapel 50 gefriert.
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Ferner ist bei der ersten Ausführungsform die Menge von sowohl der
ersten Einheitszelle 12a als auch der zweiten Einheitszelle 12b als auch den
anderen Einheitszellen 12 zugeführtem Brenngas und Sauerstoff
enthaltendem Gas dieselbe. Daher ist es möglich, die Reaktionsgase dem
Endzellenstapel 50 in der Menge zuzuführen, die ausreichend ist, um das bei den
chemischen Reaktionen erzeugte Wasser von dem Endzellenstapel 50
auszustoßen, ohne dass die Menge von sowohl der ersten Einheitszelle 12a
als auch der zweiten Einheitszelle 12b und den anderen Einheitszellen 12
zugeführten Reaktionsgasen kontrolliert wird. Das Wasser wird von dem
Endzellenstapel 50 sanft ausgestoßen, und daher wird die
Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels 10 wirksam
auf einem gewünschten Niveau gehalten.
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Ferner ist bei der ersten Ausführungsform die Aktivierungsüberspannung
oder die Widerstandsüberspannung der Membranelektrodenaufbauten 24
der ersten und der zweiten Einheitszelle 12a, 12b groß im Vergleich mit
den Membranelektrodenaufbauten 24 der anderen Einheitszellen 12. Daher
wird die Temperatur des Endzellenstapels 50 durch Selbsterwärmung
erhöht.
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Fig. 6 ist eine Ansicht, die Hauptkomponenten eines
Brennstoffzellenstapels 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt. Die Elementarbestandteile, die identisch zu denjenigen des
Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der ersten Ausführungsform sind, sind mit
demselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird
weggelassen. Ferner sind in einer später beschriebenen dritten Ausführungsform
die Elementarbestandteile, die identisch zu denjenigen des
Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der ersten Ausführungsform sind, mit demselben
Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird weggelassen.
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Der Brennstoffzellenstapel 60 umfasst eine Mehrzahl von Einheitszellen 12,
die in einer durch einen Pfeil A angedeuteten Richtung gepackt sind, und
Endzellenstapel 62, die an entgegengesetzten Enden der Einheitszellen 12
angeordnet sind. Jeder der Endzellenstapel 62 umfasst eine erste
Einheitszelle 64a, eine zweite Einheitszelle 64b und eine dritte Einheitszelle 64c.
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Ein Kathodenanschluss (positive Elektrode) 14a ist zwischen der ersten
Einheitszelle 64a und der zweiten Einheitszelle 64b angeordnet. Die erste
Einheitszelle 64a, die dritte Einheitszelle 64c und die Einheitszeile 12
weisen dieselbe Struktur auf. Die zweite Einheitszelle 64b und die Einheitszelle
12 sind symmetrisch angeordnet. Die Beziehung zwischen der ersten
Einheitszelle 64a und der zweiten Einheitszelle 64b sind dieselben wie die
Beziehung zwischen der ersten Einheitszelle 12a und der zweiten
Einheitszelle 12b des Brennstoffzellenstapels 10.
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Erste Separatoren 32 der ersten Einheitszelle 64a und der zweiten
Einheitszelle 64b sind durch eine erste Leitung 66a elektrisch verbunden.
Zweite Separatoren 34 der zweiten Einheitszelle 64b und der dritten
Einheitszelle 64c sind durch eine zweite Leitung 66b elektrisch verbunden.
Daher sind, wie in Fig. 7 gezeigt, die Einheitszellen 12 elektrisch in Reihe
verbunden, und die ersten bis dritten Einheitszellen 64a, 64b, 64c sind
elektrisch parallel verbunden, um den Endzellenstapel 62 zu bilden.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist der durch jede der ersten bis dritten
Einheitszellen 64a, 64b, 64c fließende elektrische Strom das 1/3-fache des
elektrischen Stroms, der durch die anderen Einheitszellen 12 fließt, wenn
Reaktionsgase in den Brennstoffzellenstapel 60 zur Stromerzeugung
zugeführt werden. Wenn die Querschnittsflächen der
Reaktionsgasdurchgänge (der Stromdurchgang 44 für Sauerstoff enthaltendes Gas und der
Brenngas-Stromdurchgang 42) in jeder der ersten bis dritten Einheitszellen
64a, 64b, 64c und den anderen Einheitszellen 12 dieselben sind, und die
Menge von jeder der ersten bis dritten Einheitszellen 64a, 64b, 64c und
den anderen Einheitszellen 12 zugeführten Reaktionsgase dieselbe ist, ist
daher die Stromdichte (i/3) pro Einheitsfläche an den Elektroden der ersten
bis dritten Einheitszellen 64a, 64b, 64c 1/3 der Stromdichte (i) der
Einheitszellen 12.
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Daher ist bei den ersten bis dritten Einheitszellen 64a, 64b, 64c die Menge
von nicht reagierten Gasen, die bei den chemischen Reaktionen nicht
reagiert haben, dreimal so groß wie diejenige in den Einheitszellen 12. Die
nicht reagierten Gase verdampfen das Wasser und/oder entfernen das
kondensierte Wasser in der ersten bis dritten Einheitszelle 64a, 64b, 64c.
Daher wird das Wasser wirksam aus dem Brennstoffzellenstapel 60
ausgestoßen. Ferner ist der durch die chemischen Reaktionen zur
Stromerzeugung in jeder der ersten bis dritten Einheitszelle 64a, 64b, 64c erzeugte
Dampf nur das 1/3-fache des in den anderen Einheitszellen 12 erzeugten
Dampfes. Daher kondensiert der Dampf in der ersten bis dritten
Einheitszelle 64a, 64b, 64c nicht wesentlich.
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Bei der zweiten Ausführungsform wird das bei chemischen Reaktionen
erzeugte Wasser wirksam von dem Endzellenstapel 62 ausgestoßen.
Insbesondere wird sogar dann, wenn der Brennstoffzellenstapel 60 in einer
Umgebung bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes betrieben
wird, zuverlässig verhindert, dass Wasser gefriert, und die
Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit wird wirksam auf einem gewünschten Niveau
gehalten.
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Bei der zweiten Ausführungsform sind eine ungerade Anzahl von
Einheitszellen, d. h. die erste bis dritte Einheitszelle 64a, 64b, 64c elektrisch parallel
verbunden, um den Endzellenstapel 62 zu bilden. Daher besitzt der
Endzellenstapel 62 eine positive Elektrode und eine negative Elektrode an
entgegengesetzten Enden. Der Kathodenanschluss 14a kann zwischen der
ersten Einheitszelle 64a und der zweiten Einheitszelle 64b angeordnet sein.
Alternativ kann der Kathodenkorrektor außerhalb des zweiten Separators
34 der dritten Einheitszelle 64c angeordnet sein. Andere ungerade
Anzahlen (fünf, sieben, . . .) von Einheitszellen können elektrisch parallel in der
Anordnung wie oben beschrieben verbunden sein.
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Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel 80
gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Der Brennstoffzellenstapel 80 enthält einen zentralen Verteiler 82, der
zwischen zwei in einer durch einen Pfeil A angedeuteten Richtung
gepackten Einheitszellen 12 angeordnet ist. Der zentrale Verteiler 82 führt
Reaktionsgase (Sauerstoff enthaltendes Gas und Brenngas) nach außen zu den
Einheitszellen 12.
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Endzellenstapel 84 sind auf beiden Seiten des zentralen Verteilers 82
angeordnet. Ferner sind Endzellenstapel 50 an entgegengesetzten Enden in
der Packungsrichtung des Brennstoffzellenstapels 80 angeordnet. Jeder der
Endzellenstapel 84 enthält eine erste Einheitszelle 86a, welche dieselbe
Struktur aufweist wie die Einheitszelle 12 und an die Einheitszelle 12
gepackt ist, und eine zweite Einheitszelle 86b, welche symmetrisch zu der
Einheitszelle 12 ist und zwischen der ersten Einheitszelle 86a und dem
zentralen Verteiler 82 angeordnet ist. Die erste und zweite Einheitszelle
86a, 86b des Endzellenstapels 84 sowie die erste und die zweite
Einheitszelle 12a, 12b des Endzellenstapels 50 weisen dieselbe Struktur auf. Die
Endzellenstapel 84 sind durch eine Leitung 88 verbunden.
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Wie oben beschrieben worden ist, ist bei der dritten Ausführungsform der
zentrale Verteiler 82 zwischen zwei Einheitszellen 12 angeordnet, welche
gepackt sind, um den Brennstoffzellenstapel 80 zu bilden. Die an den
zentralen Verteiler 82 angrenzenden Endzellenstapel 84 werden
wahrscheinlich durch den zentralen Verteiler 82 gekühlt. Daher sind in jedem der
Endzellenstapel 84 die erste Einheitszelle 86a und die zweite Einheitszelle
86b elektrisch parallel verbunden, ebenso wie die erste Einheitszelle 12a
und die zweite Einheitszelle 12b des Endzellenstapels 50.
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Daher kondensiert das Wasser in den Endzellenstapeln 84 nicht wesentlich.
Das Wasser in den Endzellenstapeln 84 wird verdampft oder einfach
entfernt. Daher wird ebenso wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform
das Wasser aus den Endzellenstapeln 84 wirksam ausgestoßen.
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Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform ist der Endzellenstapel 50
aus zwei Einheitszellen gebildet, d. h. der ersten und der zweiten
Einheitszelle 12a, 12b, und der Endzellenstapel 84 wird ebenso aus zwei
Einheitszellen gebildet, d. h. der ersten und der zweiten Einheitszelle 86a, 86b. Bei
der zweiten Ausführungsform wird der Endzellenstapel 62 aus drei
Einheitszellen gebildet, d. h. der ersten bis dritten Einheitszelle 64a, 64b, 64c. Die
Anzahl von Einheitszellen ist jedoch nicht auf zwei oder drei begrenzt. Vier
oder mehr Einheitszellen können einen Endzellenstapel bilden.
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Bei dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung wird ein
Endzellenstapel aus wenigstens zwei Einheitszellen gebildet (die Anzahl von
Einheitszellen = n), die elektrisch parallel verbunden sind. Daher ist in dem
Endzellenstapel der durch jede der Einheitszellen fließende elektrische
Strom das 1/n-fache des elektrischen Stroms, der durch die anderen
Einheitszellen fließt, die elektrisch in Reihe verbunden sind. Die Stromdichte
der Einheitsfläche an den Elektroden der Einheitszellen des Endzellenstapels
ist das 1/n-fache der Stromdichte der anderen Einheitszellen. Daher ist die
Menge von nicht reagierten Gasen, welche bei den chemischen Reaktionen
nicht reagiert haben, groß, und die nicht reagierten Gase verdampfen das
Wasser und/oder entfernen das kondensierte Wasser. Daher wird das
Wasser wirksam aus dem Brennstoffzellenstapel ausgestoßen. Ferner ist in
dem Endzellenstapel die Menge von durch chemische Reaktionen zur
Stromerzeugung erzeugtem Dampf in jeder der Einheitszellen klein. Daher
kondensiert der Dampf in der Endzelle nicht wesentlich.
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Ferner ist es möglich, Reaktionsgase Einheitszellen des Endzellenstapels in
einer Menge zuzuführen, die ausreichend ist, um das bei den chemischen
Reaktionen erzeugte Wasser von dem Endzellenstapel auszustoßen, ohne
die Menge der Reaktionsgase zu steuern/regeln. Das Wasser wird aus dem
Endzellenstapel sanft ausgestoßen, und daher wird die Stromerzeugungs-
Leistungsfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels wirksam auf
einem gewünschten Niveau gehalten.
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Während die Erfindung insbesondere mit Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, versteht es sich,
dass Veränderungen und Modifikationen hierbei durch den Fachmann
bewirkt werden können, ohne von der Idee und dem Rahmen der Erfindung
gemäß den angefügten Ansprüchen abzuweichen.
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Ein Brennstoffzellenstapel (10) umfasst eine Mehrzahl von
zusammengepackten Einheitszellen (12). Endzellenstapel (50) sind an entgegengesetzten
Enden der Einheitszellen (12) in der Packungsrichtung angeordnet. Die
Einheitszellen (12) zwischen den Endzellenstapeln (50) sind elektrisch in
Reihe verbunden. Eine erste Einheitszelle (12a) und eine zweite
Einheitszelle (12b) in jedem der Endzellenstapel (50) sind elektrisch parallel durch
eine Leitung (48) verbunden. In jeder der ersten und zweiten Einheitszellen
(12a, 12b) ist ein Membranelektrodenaufbau (24) zwischen einem ersten
Separator (32) und einem zweiten Separator (34) angeordnet.