DE10243163B4

DE10243163B4 - Brennstoffzellenpaket

Info

Publication number: DE10243163B4
Application number: DE10243163A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Wako Wariishi; Masaharu Wako Suzuki; Hideaki Wako Kikuchi; Narutoshi Wako Sugita; Ichiro Wako Baba; Ken Wako Takahashi; Seiji Wako Sugiura; Yosuke Wako Fujii; Daisuke Wako Wachi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2022-09-18
Also published as: US20030054224A1; DE10243163A1; US7201990B2; CA2403342A1; CA2403342C

Abstract

Brennstoffzellenpaket, umfassend ein Paket von Unterpaketen (12) mit zwischen diesen angeordneten Zwischenplatten (18a), wobei jedes der Unterpakete (12) ein Paket aus Membranelektrodenanordnungen (28) mit zwischen diesen angeordneten Separatoren (38) umfasst, von denen jede eine Anode (36a), eine Kathode (34a) und eine Ionenaustauschmembran (32a) umfasst, welche zwischen der Anode (36a) und der Kathode (34a) sandwichartig angeordnet ist, wobei jede der Zwischenplatten (18a) Folgendes aufweist:
einen Verbindungsdurchgang zur Verbindung eines Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgangs (64) eines stromaufwärtigen Unterpakets (12) der Unterpakete bezüglich einer Richtung, in welcher ein Reaktionsgas zugeführt wird, und eines Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgangs (56) eines stromabwärtigen Unterpakets (14) der Unterpakete bezüglich dieser Richtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenpaket, umfassend ein Paket von Unterpaketen, zwischen denen Zwischenplatten angeordnet sind, von denen jede ein Paket aus Membranelektrodenanordnungen mit zwischen diesen angeordneten Separatoren umfasst, von denen jeder eine Anode, eine Kathode und ein sandwichartig zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Elektrolyt aufweist.

Aus der DE 196 47 417 C2 ist ein Brennstoffzellenmodul bekannt, welches aus mehreren Brennstoffzellenstapeln besteht. Die Brennstoffzellenstapel dieses bekannten Brennstoffzellenmoduls umschließen gemeinsame Gasräume ringförmig und sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Die gemeinsamen Gasräume sind gastechnisch hintereinander geschaltet, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen.

Im Folgenden wird zu Brennstoffzellen Folgendes ausgeführt:
Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen beispielsweise verwenden eine Ionenaustauschmembran (Elektrolyt), welche eine Polymer-Ionenaustauschmembran (Protonionenaustauschmembran) umfasst. Eine Membranelektrodenanordnung umfasst eine Anode und eine Kathode, welche jeweils aus einem Elektrodenkatalysator und einer porösen Kohlenstoffplatte gebildet sind und welche an den gegenüberliegenden Seiten der Ionenaustauschmembran angeordnet sind. Die Membranelektrodenanordnung ist sandwichartig zwischen Separatoren (bipolaren Platten) angeordnet, welche eine Einheitszelle zur Erzeugung von Elektrizität bilden. Eine vorbestimmte Anzahl derartiger Einheitszellen werden zur Verwendung als ein Brennstoffzellenpaket gestapelt.

Wenn der Anode ein Brennstoffgas, z.B. ein hauptsächlich Wasserstoff enthaltendes Gas (im Folgenden als "wasserstoffhaltiges Gas" bezeichnet) zugeführt wird, wird der Wasserstoff in dem Gas an dem Elektrodenkatalysator ionisiert und bewegt sich durch die Ionenaustauschmembran hindurch zur Kathode. Elektronen werden einer externen Schaltung zugeführt, welche die Elektronen als eine elektrische Energie eines Gleichstroms nutzt. Da der Kathode ein hauptsächlich Sauerstoff enthaltendes Gas (im Folgenden als "sauerstoffhaltiges Gas" bezeichnet) zugeführt wird, reagieren beispielsweise Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff miteinander an der Kathode und erzeugen Wasser.

Wenn das Brennstoffzellenpaket an Kraftfahrzeugen eingesetzt werden soll, muss eine verhältnismäßig große Leistung erzeugt werden. Zur Erfüllung einer solchen Anforderung ist es üblich, ein Paket aus zahlreichen Einheitszellen zu verwenden. Wenn jedoch die Anzahl gestapelter Einheitszellen ansteigt, tritt üblicherweise entlang des Pakets eine Temperaturverteilung auf, und die Fähigkeit des Brennstoffzellenpakets, generiertes Wasser abzulassen, welches durch eine elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen erzeugt wird, wird verringert, wobei man es nicht schafft, eine gewünschte Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie bereitzustellen.

Eine bekannte Lösung für das obige Problem ist eine in dem US-Patent mit der Nr. RE 36,148 offenbarte Vorrichtung. Bei der offenbarten Vorrichtung, wie in 12 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, ist ein Brennstoffzellenblock 1 in eine erste Zellengruppe 2, eine zweite Zellengruppe 3 und eine dritte Zellengruppe 4 geteilt, welche in der Richtung gestapelt sind, in welcher ein Reaktionsgas, z.B. eine Brennstoffzelle, zugeführt wird, d.h. die durch den Pfeil a angezeigte Richtung. Die erste bis dritte Zellengruppe 2, 3, 4 weist eine jeweilige Anzahl an Einheitszellen 5a, 5b, 5c auf.

Dem Brennstoffzellenblock 1 wird das Reaktionsgas durch eine Leitung 6 zugeführt. Das Reaktionsgas wird zuerst gleichzeitig den Einheitszellen 5a der ersten Zellengruppe 2 zugeführt. Nachdem es aus der ersten Zellengruppe 2 ausgelassen worden ist, wird das Reaktionsgas gleichzeitig den Einheitszellen 5b der zweiten Zellengruppe 3 zugeführt. Danach wird das Reaktionsgas aus der zweiten Zellengruppe 3 ausgelassen und gleichzeitig den Einheitszellen 5c der dritten Zellengruppe 4 zugeführt. Bei der offenbarten Anordnung ist es möglich, erzeugtes Wasser und ein inaktives Gas aus dem Brennstoffzellenblock 1 in effektiver Weise abzulassen und die Fähigkeit des Brennstoffzellenblocks 1 zur Erzeugung elektrischer Energie zu erhöhen.

Bei dem Brennstoffzellenblock 1 strömt das Reaktionsgas in der ersten bis dritten Zellengruppe 2, 3, 4 in abwechselnd entgegengesetzte Richtungen. Die erste bis dritte Zellengruppe 2, 3, 4 müssen unterschiedliche Separatorstrukturen aufweisen. Daher benötigt der Brennstoffzellenblock 1 eine erhöhte Anzahl an unterschiedlichen Arten von Separatoren und ist aufgrund der verhältnismäßig hohen Kosten einer Herstellung erforderlicher Separatoren nicht wirtschaftlich.

Wenn die Ionenaustauschmembranen eines Brennstoffzellenpakets getrocknet sind, ist das Brennstoffzellenpaket nicht in der Lage, bei einer hohen Leistungsdichte zu arbeiten. Daher ist es notwendig, die Ionenaustauschmembranen zu befeuchten, während sich das Brennstoffzellenpaket in Betrieb befindet. Es wurden verschiedene Prozesse zur Befeuchtung des Brennstoffzellenpakets vorgeschlagen. Die vorgeschlagenen Befeuchtungsprozesse umfassen einen externen Befeuchtungsprozess, einen internen Befeuchtungsprozess und einen Selbstbefeuchtungsprozess. Bei dem externen Befeuchtungsprozess ist ein Befeuchter, wie etwa ein Blasenapparat oder dergleichen, außerhalb des Brennstoffzellenpakets vorgesehen. Ein Reaktionsgas wird durch den Befeuchter befeuchtet, um einer Membranelektrodenanordnung Feuchtigkeit zuzuführen, um dadurch Ionenaustauschmembranen in der Membranelektrodenanordnung zu befeuchten. Bei dem internen Befeuchtungsprozess weist jede Einheitszelle einen Befeuchter (eine Befeuchtungsstruktur) in sich eingebaut auf, um Ionenaustauschmembran in der Membranelektrodenanordnung zu befeuchten. Bei dem Selbstbefeuchtungsprozess, welcher ein Typ des internen Befeuchtungsprozesses ist, werden Ionenaustauschmembranen in der Membranelektrodenanordnung durch Wasser befeuchtet, welches als ein Ergebnis einer elektrochemischen Reaktion in den Ionenaustauschmembranen erzeugt wird.

Der externe Befeuchtungsprozess lässt die gesamte Brennstoffzellenanordnung in der Größe zunehmen und lässt die Brennstoffzellenanordnung einen großen Raum einnehmen, da der Befeuchter als eine zusätzliche Vorrichtung außerhalb des Brennstoffzellenpakets erforderlich ist. Der externe Befeuchtungsprozess ist weiterhin dahingehend nachteilig, dass der Befeuchter den Nachteil eines Kapazitäts-Nachfolgeproblems aufweist, wenn die Last auf das Brennstoffzellenpaket schlagartig erhöht wird.

Der interne Befeuchtungsprozess umfasst einen Befeuchtungsprozess, welcher in Ionenaustauschmembranen eingebettete Wasserabsorptionsfasern verwendet, umfasst einen Befeuchtungsprozess, welcher von Anoden ausgehende wasserdurchlässige Platten verwendet, und umfasst einen Befeuchtungsprozess, welcher Wasserabsorptionsfasern verwendet, die in Kontakt mit Anodenseiten von Ionenaustauschmembranen gehalten sind. Diese Befeuchtungsprozesse sind ebenfalls dahingehend problematisch, dass die Ionenaustauschmembranen nicht in einfacher Weise repariert werden können, falls sie aus irgendwelchen Gründen nicht ausreichend befeuchtet werden.

Der Selbstbefeuchtungsprozess umfasst einen Befeuchtungsprozess, welcher feine in Ionenaustauschmembranen dispergierte Platinpartikel zur Erzeugung von Wasser aufgrund einer Reaktion zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffgas verwendet, die von Anoden und Kathoden her einströmen, und umfasst einen Befeuchtungsprozess, welcher sehr dünne Ionenaustauschmembranen verwendet, um in Kathoden erzeugtes Wasser durch diese zu Anoden hindurchzuleiten. Diese Befeuchtungsprozesse sind sehr kostspielig durchzuführen, da sie besondere Ionenaustauschmembranen benötigen. Sie sind weitergehend dahingehend problematisch, dass es schwierig ist, Ionenaustauschmembranen mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.

Es wurde vorgeschlagen, das technische Konzept einer in der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nr. 10-284095 offenbarten Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle in einer Struktur zur Befeuchtung von Ionenaustauschmembranen zu verwenden.

Bei dem vorgeschlagenen Schema, wie es in 13 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, weist ein Separator 7 einer Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle einen Reaktionsgaseinlass 8a und einen Reaktionsgasauslass 8b auf, welche durch den Separator 7 definiert sind. Der Separator 7 weist weiterhin eine Mehrzahl von Gasströmungsnuten 9 auf, welche in einer Oberfläche desselben in Verbindung mit dem Reaktionsgaseinlass 8a und dem Reaktionsgasauslass 8b definiert sind.

Der Separator 7 umfasst ferner einen Hilfseinlass 8c, welcher durch diesen in Verbindung mit Zwischenabschnitten der Gasströmungsnuten 9 definiert ist. Ein Reaktionsgas, welches von dem Reaktionsgaseinlass 8a in die Gasströmungsnuten 9 eingeleitet wird, wird während es durch die Gasströmungsnuten 9 strömt verbraucht, wird mit einem trockenen Reaktionsgas kombiniert, welches von dem Hilfseinlass 8c zugeführt wird, und wird schließlich aus dem Reaktionsgasauslass 8b abgelassen.

Da das von dem Hilfseinlass 8c zugeführte Reaktionsgas trocken ist, senkt es den Partialdruck von Wasserdampf, welcher in dem durch die Gasströmungsnuten 9 strömenden Reaktionsgas enthalten ist, und verhindert so, dass Feuchtigkeit kondensiert, und verhindert schließlich, dass kondensiertes Wasser an Wandflächen der Gasströmungsnuten 9 angelagert und zurückgehalten wird. Die offenbarte Anordnung dient dazu, eine stabile Brennstoffzellenkapazität bereitzustellen.

Die offenbarte Brennstoffzellenstruktur kann in einem anderen Zustand wie folgt verwendet werden: Dem Reaktionsgaseinlass 8a wird ein Reaktionsgas und Feuchtigkeit in einer Menge zugeführt, welche erforderlich ist, eine Reaktion in einem stromaufwärtigen Bereich der Gasströmungsnuten 9 zu bewirken. Dem Hilfseinlass 8c wird ein Reaktionsgas niedriger Feuchtigkeit in einer Menge zugeführt, welche erforderlich ist, um eine Reaktion in einem stromabwärtigen Bereich der Gasströmungsnuten 9 zu bewirken. Wasser, welches erzeugt wird, wenn das Reaktionsgas im stromaufwärtigen Bereich der Gasströmungsnuten 9 strömt, wird dazu verwendet, das von dem Hilfseinlass 8c zugeführte Reaktionsgas niedriger Feuchtigkeit zu befeuchten. Dies ermöglicht es, dem stromabwärtigen Bereich der Gasströmungsnuten 9 eine benötigte Menge an Reaktionsgas und Feuchtigkeit zuzuführen. Als Folge kann die Menge an Befeuchtungswasser reduziert werden, und die gesamte Brennstoffzellenstruktur kann vereinfacht und in ihrer Größe verringert werden.

Wenn der Separator 7 in Gebrauch ist, werden unter Umständen das durch die Gasströmungsnuten 9 strömende befeuchtete Reaktionsgas und das trockene Reaktionsgas nicht gleichmäßig miteinander gemischt werden, da der Hilfseinlass 8c ein trockenes Reaktionsgas (Reaktionsgas geringer Feuchtigkeit) direkt den Gasströmungsnuten 9 zuführt. Folglich schwanken gewöhnlich die Befeuchtung und die Konzentration des von den Gasströmungsnuten 9 zu Bereichen elektrischer Energieerzeugung zugeführten Reaktionsgases, was zu einer Verringerung der Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie führt.

ABRISS DER ERFINDUNG

Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellenpaket bereitzustellen, welches wirtschaftlich ist, da eine Mehrzahl von Unterpaketen desselben eine Art von Separator verwenden, und welches in der Lage ist, eine gewünschte Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie in zuverlässiger Weise beizubehalten.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellenpaket bereitzustellen, welches in der Lage ist, ein ungenutztes Zusatz-Reaktionsgas und ein genutztes Reaktionsgas miteinander gleichmäßig zu mischen und eine gewünschte Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer einfachen Struktur in zuverlässiger Weise beizubehalten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine zwischen Unterpaketen angeordnete Zwischenplatte einen in einer Fläche derselben definierten Durchgang auf, welcher einen Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang eines stromaufwärtigen Unterpakets der Unterpakete in Bezug auf eine Richtung, in welcher ein Reaktionsgas zugeführt wird, und einen Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang eines stromabwärtigen Unterpakets der Unterpakete in Bezug auf diese Richtung verbindet. Daher strömt das zu dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang abgelassene Reaktionsgas des stromaufwärtigen Unterpakets durch den Durchgang der Zwischenplatte und wird dem Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang des stromabwärtigen Unterpakets zugeführt.

In jedem der Unterpakete wird ständig das Reaktionsgas von dem Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang zugeführt und dann von dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang abgelassen. Da alle Unterpakete einen Typ von Separatoren verwenden können, ist das Brennstoffzellenpaket in hohem Maße wirtschaftlich, da es nicht notwendig ist, unterschiedliche Typen von Separatoren zur Verwendung in den Unterpaketen vorzubereiten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine zwischen Unterpaketen angeordnete Zwischenplatte einen in einer Fläche derselben definierten Durchgang auf, welcher einen Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang eines stromaufwärtigen Unterpakets der Unterpakete bzw. einem ersten Unterpaket bezüglich einer Richtung, in welcher Reaktionsgas zugeführt wird, eine Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnung, welche nahe des Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgangs angeordnet ist, und einen Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang eines stromabwärtigen Unterpakets bzw. eines zweiten Unterpakets der Unterpakete bezüglich dieser Richtung verbindet. Der Durchgang hat eine Führung zum Mischen eines von der Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnung zugeführten ungenutzten Zusatz-Reaktionsgases mit einem von dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang zugeführten genutzten Reaktionsgas, sowie zur Förderung der gemischten Reaktionsgase zum Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang.

Da das ungenutzte zusätzliche Reaktionsgas und das genutzte Reaktionsgas, welche dem Durchgang zugeführt werden, gleichmäßig miteinander durch eine Führungswirkung der Führung gemischt sind, ist es möglich, dem Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang des zweiten Unterpakets in zuverlässiger Weise ein Reaktionsgas zuzuführen, dessen Feuchtigkeit und Konzentration gleichmäßig sind. Somit wird in effektiver Weise die Fähigkeit des zweiten Unterpakets zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer einfachen Anordnung erhöht, und die Gesamtmenge an in dem Brennstoffzellenpaket verwendetem Befeuchtungswasser wird einfach verringert.

Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlicher werden, wenn sie gemeinsam mit den beiliegenden Zeichnungen herangezogen wird, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Anschauungsbeispiel dargestellt sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenpakets gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Zellenanordnung des in 1 gezeigten Brennstoffzellenpakets;

3 ist eine Querschnittsansicht eines Bruchteils der in 2 dargestellten Zellenanordnung;

4 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche Ströme eines sauerstoffhaltigen Gases, eines Brennstoffgases und eines Kühlmediums in der in 2 gezeigten Zellenanordnung zeigt;

5 ist eine Aufriss-Vorderansicht einer Zwischenplatte des in 1 gezeigten Brennstoffzellenpakets;

6 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenpakets gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

7 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche Ströme eines sauerstoffhaltigen Gases und eines Brennstoffgases in dem in 6 gezeigten Brennstoffzellenpaket zeigt;

8 ist eine Aufriss-Vorderansicht einer Zwischenplatte des in 6 gezeigten Brennstoffzellenpakets;

9 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenpakets gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

10 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche Ströme eines sauerstoffhaltigen Gases und eines Brennstoffgases in dem in 9 gezeigten Brennstoffzellenpaket zeigt;

11 ist eine Aufriss-Vorderansicht einer Zwischenplatte des in 9 gezeigten Brennstoffzellenpakets;

12 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenblocks; sowie

13 ist eine Aufriss-Vorderansicht eines Separators einer herkömmlichen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt in Explosionsperspektive einen Abschnitt eines Brennstoffzellenpakets 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellenpaket 10 ein erstes Unterpaket 12, ein zweites Unterpaket 14 und ein drittes Unterpaket 16 auf, welche in der Richtung (angezeigt durch den Pfeil X) angeordnet sind, in welcher ein sauerstoffhaltiges Gas und ein Brennstoffgas als Reaktionsgase strömen, wobei zwischen dem ersten bis dritten Unterpaket 12, 14, 16 Zwischenplatten 18a, 18b angeordnet sind.
Das erste bis dritte Unterpaket 12, 14, 16 sind in ihrer Struktur miteinander identisch und umfassen jeweils eine Anzahl von Zellenanordnungen 20, welche in der Richtung X gestapelt bzw. überlagert sind. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst jede der Zellenanordnungen 20 eine erste Einheitszelle 24 und eine zweite Einheitszelle 26, welche einander überlagert sind. Die erste und die zweite Einheitszelle 24, 26 weisen eine erste bzw. eine zweite Membranelektrodenanordnung 28, 30 auf.
Die erste und die zweite Membranelektrodenanordnung 28, 30 weisen jeweilige Festpolymer-Ionenaustauschmembranen 32a, 32b und jeweilige Kathoden 34a, 34b und jeweilige Anoden 36a, 36b auf, welche in einer sandwichartigen Beziehung zu den Festpolymer-Ionenaustauschmembranen 32a, 32b angeordnet sind. Jede der Kathoden 34a, 34b und der Anoden 36a, 36b ist aus einem Elektrodenkatalysator und porösem Kohlenstoff gebildet.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist ein erster Separator 38 auf einer Seite der ersten Membranelektrodenanordnung 28 angeordnet, an welcher die Kathode 34a vorgesehen ist. Ein zweiter Separator 40 ist angeordnet zwischen der anderen Seite der ersten Membranelektrodenanordnung 28, an welcher die Anode 36a vorgesehen ist, und einer Seite der zweiten Membranelektrodenanordnung 30, an welcher die Kathode 34b vorgesehen ist. Ein dritter Separator 42 ist zwischen der anderen Seite der zweiten Membranelektrodenanordnung 30 angeordnet, an welcher die Anode 36b vorgesehen ist. Dünne Wandplatten (Trennwände) 44 sind an den Flächen des ersten und des dritten Separators 38, 42 angeordnet, welche aufeinander zu weisen.
Die erste und die zweite Einheitszelle 24, 26 weisen, wie in 2 und 4 gezeigt ist, definiert in einem Längsende derselben in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung, jeweilige Brennstoffgaseinlässe (Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgänge) 46 auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen, in der die erste und die zweite Einheitszelle 24, 26 gestapelt sind, um ein Brennstoffgas (Reaktionsgas), wie etwa ein wasserstoffhaltiges Gas, durch diese hindurch zu leiten, weisen jeweilige Kühlmedienauslässe 48 auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen, um ein Kühlmedium durch diese hindurch zu leiten, weisen jeweilige Zwischenauslässe 50 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen, um ein sauerstoffhaltiges Gas (Reaktionsgas), wie etwa Luft, abzulassen, welches der Reaktion in der ersten Einheitszelle 24 zugeführt worden ist, die bezüglich der Strömung des Gases stromaufwärts angeordnet ist, und weisen jeweilige Zwischeneinlässe 52 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen und ebenso mit den Zwischenauslässen 50 für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung stehen, um das sauerstoffhaltige Gas in die zweite Einheitszelle 26 einzuleiten, die bezüglich der Strömung des Gases stromabwärts gelegen ist.
Die erste und die zweite Einheitszelle 24, 26 weisen, definiert in ihrem anderen Längsende, jeweilige Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas (Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgänge) auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen, weisen jeweilige Zwischenauslässe 58 für Brennstoffgas auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen, um ein Brennstoffgas abzulassen, welches der Reaktion in der ersten Einheitszelle 24 zugeführt worden ist, und weisen einen jeweiligen ersten und einen zweiten Zwischeneinlass 60a, 60b für Brennstoffgas auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen und welche weiterhin mit den Zwischenauslässen 58 für Brennstoffgas in Verbindung stehen, um das Brennstoffgas in die zweite Einheitszelle 16 einzuleiten.
Die erste und die zweite Einheitszelle 24, 26 weisen weiterhin, definiert an einem unteren Rand derselben, jeweilige Auslässe 64 für sauerstoffhaltiges Gas (Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgänge) auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen, weisen jeweilige Kühlmediumeinlässe 66 auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen, und weisen jeweilige Brennstoffgasauslässe (Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgänge) 68 auf, welche miteinander in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in Verbindung stehen.
Die erste und die zweite Einheitszelle 24, 26 weisen darüber hinaus, definiert in diesen nahe den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas, jeweilige Zufuhröffnungen 65 für ein sauerstoffhaltiges Gas mit niedriger Feuchtigkeit (Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnungen) auf, um ein sauerstoffhaltiges Gas mit einer niedrigeren Feuchtigkeit als ein den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas zugeführtes befeuchtetes sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen. Die erste und die zweite Einheitszelle 24, 26 weisen weiter, definiert in diesen nahe der Brennstoffgasauslässe 68, jeweilige Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit (Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnungen) auf, um ein Brennstoffgas mit einer niedrigeren Feuchtigkeit als ein den Brennstoffgaseinlässen 46 zugeführtes befeuchtetes Brennstoffgas zuzuführen. Die Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit und die Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit bilden Verbindungslöcher, welche in dem ersten bis dritten Unterpaket 12, 14, 16 definiert sind und in der Richtung verlaufen, in welcher die Zellenanordnungen 20 gestapelt sind.
Der erste Separator 38 umfasst eine dünne Metallplatte und weist eine Mehrzahl gerader Nuten 70 auf, welche in dieser zentral definiert sind und eine gegebene Länge in der Richtung C (Längsrichtung) verlaufen, und weist ein Paar von geprägten Abschnitten 72 auf, welche an jeweiligen gegenüberliegenden Enden der geraden Nuten 70 in der Richtung C angeordnet sind und als Pufferräume dienen. Die geraden Nuten 70 und die geprägten Bereiche 72 sind abwechselnd in den gegenüberliegenden Flächen des ersten Separators 38 definiert. Wie in 3 und 4 gezeigt ist, stellen die geraden Nuten 70 und die geprägten Bereiche 72, welche in der zur Kathode 34a der ersten Membranelektrodenanordnung 28 hinweisen den Fläche des ersten Separators 38 definiert sind, gemeinsam einen Durchgang 74 für sauerstoffhaltiges Gas bereit, dessen entgegengesetzte Enden jeweils mit dem Einlass 56 für sauerstoffhaltiges Gas und dem Zwischenauslass 50 für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung stehen, die in dem ersten Separator 38 definiert sind.
Die geraden Nuten 70 und die geprägten Bereiche 72, welche in der anderen zu einer der Flächen der Wandplatte 44 hinweisenden Fläche des ersten Separators 38 definiert sind, stellen gemeinsam einen Kühlmediumdurchgang 76 (siehe 3 und 4) bereit, dessen eines Ende mit dem in dem ersten Separator 38 definierten Kühlmediumauslass 48 in Verbindung steht und dessen anderes Ende um ein Ende der Wandplatte 44 herumgeklappt ist und mit dem Kühlmediumeinlass 66 in einem benachbarten dritten Separator 42 an der anderen Fläche der Wandplatte 44 in Verbindung steht.
Der zweite Separator 40 ist in seiner Struktur mit dem ersten Separator 38 im Wesentlichen identisch. Der zweite Separator 40 weist einen Brennstoffgasdurchgang 78 auf, umfassend gerade Nuten 70 und geprägte Bereiche 72, welche in der zur Anode 36a der ersten Membranelektrodenanordnung 28 (siehe 3) hinweisenden Fläche des zweiten Separators 40 definiert sind. Der Brennstoffgasdurchgang 78 steht mit dem Brennstoffgaseinlass 46 und dem Zwischenauslass 58 für Brennstoffgas in Verbindung, welche in dem zweiten Separator 40 definiert sind (siehe 4). Der zweite Separator 40 weist einen Durchgang 80 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welcher in der Fläche des zweiten Separators 40 definiert ist, die zur Kathode 34b der zweiten Membranelektrodenanordnung 30 hinweist. Das eine Ende des Durchgangs 80 für sauerstoffhaltiges Gas steht mit dem Zwischenauslass 50 für sauerstoffhaltiges Gas durch den Zwischeneinlass 52 für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung, und das andere Ende steht mit dem Auslass 64 für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung.
Der dritte Separator 42 ist in seiner Struktur mit dem ersten und dem zweiten Separator 38, 40 identisch. Der dritte Separator 42 weist einen Brennstoffgasdurchgang 82 auf, welcher in der Fläche des dritten Separators 42 definiert ist, die zur Anode 36b der zweiten Membranelektrodenanordnung 30 hinweist (siehe 3 und 4). Ein Ende des Brennstoffgasdurchgangs 82 steht durch den ersten und den zweiten Zwischeneinlass 60a, 60b für Brennstoffgas mit dem Zwischenauslass 58 für Brennstoffgas in Verbindung, und das andere Ende steht mit dem Brennstoffgasauslass 68 in Verbindung. Der dritte Separator 42 weist einen Kühlmediumdurchgang 84 auf, welcher in der zur Wandplatte 44 hinweisenden Fläche desselben definiert ist. Wie in 4 gezeigt ist, steht ein Ende des Kühlmediumdurchgangs 84 in Verbindung mit dem Kühlmediumeinlass 66, und das andere Ende ist um ein Ende der Wandplatte 44 herumgeklappt und in Verbindung mit dem Kühlmediumauslass 48 gehalten.
Wie in 1 und 5 gezeigt ist, weist die Zwischenplatte 18a, definiert in einer Oberfläche 90 derselben, einen Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas (Strömungsänderungsdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas) und einen Brennstoffgas-Mischdurchgang (Brennstoffgas-Strömungsänderungsdurchgang) 94 auf. Der Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas verbindet die Auslässe 64 für sauerstoffhaltiges Gas und die Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit des ersten Unterpakets 12, welches in der durch den Pfeil X angezeigten Richtung stromaufwärts angeordnet ist, und die Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas des zweiten Unterpakets 14, welches in der durch den Pfeil X angezeigten Richtung stromabwärts angeordnet ist.
Der Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas weist eine Führung 96 auf zum Mischen eines von den Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit zugeführten ungenutzten sauerstoffhaltigen Gases mit einem von den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas zuge führten genutzten sauerstoffhaltigen Gas, sowie zum Fördern der Mischung zu den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas.
Die Führung 96 umfasst eine Mehrzahl von Rippen, welche in dem Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas angeordnet sind. Die Positionen, Längen, Richtungen und Abstände dieser Rippen sind gewählt, um die Mischung des ungenutzten sauerstoffhaltigen Gases und des genutzten sauerstoffhaltigen Gases zu vergleichmäßigen.
Der Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 verbindet die Brennstoffgasauslässe 68 und die Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit des ersten Unterpakets 12 und die Brennstoffgaseinlässe 46 des zweiten Unterpakets 14. Der Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 weist eine Führung auf zum Mischen eines von den Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit zugeführten ungenutzten Brennstoffgases mit einem von den Brennstoffgasauslässen 68 zugeführten genutzten Brennstoffgas, sowie zum Fördern der Mischung zu den Brennstoffgaseinlässen 46.
Wie die Führung 96 umfasst die Führung 98 eine Mehrzahl von Rippen, welche in dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 angeordnet sind. Die Positionen, Längen, Richtungen und Abstände dieser Rippen sind gewählt, um die Mischung des ungenutzten Brennstoffgases und des genutzten Brennstoffgases zu vergleichmäßigen.
Das erste und das zweite Unterpaket 12, 14 sind in ihrer Struktur miteinander identisch. Die Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas und die Brennstoffgaseinlässe 46 des zweiten Unterpakets 14 sind an den gleichen Stellen angeordnet wie die Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas und die Brennstoffgaseinlässe 46 des ersten Unterpakets 12 (siehe 11.
Die Zwischenplatte 18b ist in ihrer Struktur mit der Zwischenplatte 18a identisch. Jene Teile der Zwischenplatte 18b, welche mit jenen der Zwi schenplatte 18a identisch sind, sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet und werden im Folgenden nicht ausführlich beschrieben werden.
Die Zwischenplatte 18b weist einen Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welcher die Auslässe 64 für sauerstoffhaltiges Gas und die Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit des in der Richtung X stromaufwärts gelegenen zweiten Unterpakets 14 und die Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas des in der Richtung X stromabwärts gelegenen dritten Unterpakets 16 verbindet, und weist einen Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 auf, welcher die Brennstoffgasauslässe 68 und die Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit des zweiten Unterpakets 12 und die Brennstoffgaseinlässe 46 des dritten Unterpakets 16 verbindet.
Das zweite und das dritte Unterpaket 14, 16 sind in ihrer Struktur miteinander identisch. Die Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas und die Brennstoffgaseinlässe 46 des dritten Unterpakets 16 sind an den gleichen Positionen angeordnet wie die Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas und die Brennstoffgaseinläses 46 des zweiten Unterpakets 14 (siehe 1).
Das erste bis dritte Unterpaket 12, 14, 16 und die Zwischenplatten 18a, 18b, welche wie oben beschrieben aufgebaut sind, sind in der Richtung X gestapelt und durch (nicht dargestellte) Befestigungsmittel zusammengehalten, wodurch ein Brennstoffzellenpaket 10 gebildet ist.
Im Folgenden wird ein Betrieb des so aufgebauten Brennstoffzellenpakets 10 beschrieben werden.
Im Brennstoffzellenpaket 10 wird den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas der Zellenanordnungen 20 des ersten Unterpakets 12 ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Den Brennstoffgaseinlässen 46 der Zellenanordnungen 20 des ersten Unterpakets 12 wird ein Brennstoffgas zugeführt (siehe 11. Den Kühlmediumeinlässen 66 desselben wird ein Kühlmedium zugeführt, wie etwa reines Wasser, Ethylenglykol oder dergleichen. Im ersten Unterpaket 12 wird den in der Richtung A gestapelten Zellenanordnungen 20 das Brennstoffgas, das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmedium nacheinander zugeführt.
Wie in 3 und 4 gezeigt ist, wird das sauerstoffhaltige Gas dem Einlass 56 für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt und in den Durchgang 74 für sauerstoffhaltiges Gas im ersten Separator 38 eingeleitet, wo es sich entlang der Kathode 34a der ersten Membranelektrodenanordnung 28 bewegt. Das Brennstoffgas wird dem Brennstoffgaseinlass 46 zugeführt und in den Brennstoffgasdurchgang 78 im zweiten Separator 40 eingeleitet, wo es sich entlang der Anode 36a der ersten Membranelektrodenanordnung 28 bewegt. In der ersten Membranelektrodenanordnung 28 werden daher das der Kathode 34a zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 36a zugeführte Brennstoffgas durch eine elektrochemische Reaktion in dem Elektrodenkatalysator verbraucht, wobei elektrische Energie erzeugt wird.
Das sauerstoffhaltige Gas, welches teilweise durch die erste Membranelektrodenanordnung 28 verbraucht wurde, wird von dem Durchgang 74 für sauerstoffhaltiges Gas in den Zwischenauslass 50 für sauerstoffhaltiges Gas eingeleitet und bewegt sich in der Richtung A entlang dem Zwischenauslass 50 für sauerstoffhaltiges Gas. Wie in 4 gezeigt ist, wird das sauerstoffhaltige Gas von dem Zwischeneinlass 52 für sauerstoffhaltiges Gas in den Durchgang 80 für sauerstoffhaltiges Gas in dem zweiten Separator 40 eingeleitet und bewegt sich durch den Durchgang 80 für sauerstoffhaltiges Gas entlang der Kathode 34b der zweiten Membranelektrodenanordnung 30.
In ähnlicher Weise wird das Brennstoffgas, welches durch die Anode 36a der ersten Membranelektrodenanordnung 38 teilweise verbraucht wurde, in den Zwischenauslass 58 für Brennstoffgas eingeleitet und bewegt sich in der Richtung A, wie in 4 gezeigt ist. Das Brennstoffgas wird dann durch den ersten und den zweiten Zwischeneinlass 60a, 60b für Brennstoffgas in den Brennstoffgasdurchgang 82 in dem dritten Separator 42 eingeleitet.
Da sich das Brennstoffgas entlang der Anode 36b der zweiten Membranelektrodenanordnung 30 bewegt, werden das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas durch eine elektrochemische Reaktion in dem Elektrodenkatalysator der zweiten Membranelektrodenanordnung 30 verbraucht, wobei elektrische Energie erzeugt wird. Das sauerstoffhaltige Gas, dessen Sauerstoff verbraucht worden ist, wird zu dem Auslass 64 für sauerstoffhaltiges Gas abgelassen, und das Brennstoffgas, dessen Wasserstoff verbraucht worden ist, wird zum Brennstoffgasauslass 68 abgelassen.
Das Kühlmedium wird dem Kühlmediumeinlass 66 zugeführt und bewegt sich entlang dem Kühlmediumdurchgang 84 im dritten Separator 42. Dann strömt das Kühlmedium zurück um die Wandplatte 44 herum, bewegt sich entlang dem Kühlmediumdurchgang 76 im ersten Separator 38 und wird zum Kühlmediumauslass 48 abgelassen.
In der ersten Ausführungsform werden dann, wenn den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas des ersten Unterpakets 12 sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird und den Brennstoffgaseinlässen 46 desselben Brennstoffgas zugeführt wird, das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas teilweise im ersten Unterpaket 12 verbraucht und dann zu den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas und den Brennstoffgasauslässen 68 abgelassen, von welchen das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas zu der Zwischenplatte 18a gefördert werden.
Dann treten das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas durch den Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas bzw. den Brennstoffgas- Mischdurchgang 94 und werden jeweils den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas und den Brennstoffgaseinlässen 46 des zweiten Unterpakets 14 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas werden dann jeweils zu den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas und den Brennstoffgasauslässen 68 des zweiten Unterpakets 14 abgelassen, von welchen das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas zu der Zwischenplatte 18b gefördert werden. Das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas strömen dann jeweils durch den Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas und den Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 der Zwischenplatte 18b und werden dann jeweils den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas und den Brennstoffgaseinlässen 46 des dritten Unterpakets 16 zugeführt.
Im ersten bis dritten Unterpaket 12, 14, 16 werden ständig das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas und den Brennstoffgaseinlässen 46 zugeführt und danach zu den Auslässen 46 für sauerstoffhaltiges Gas und den Brennstoffgasauslässen 68 abgelassen. Folglich können das erste bis dritte Unterpaket 12, 14, 16 aus dem gleichen Satz an Teilen aufgebaut sein. Da das erste bis dritte Unterpaket 12, 14, 16 den ersten bis dritten Separator 38, 40, 42 des gleichen Typs verwenden kann, ist das Brennstoffzellenpaket 10 aus einer verringerten Anzahl an Typen von Teilen aufgebaut und ist wirtschaftlich, da seine Kosten relativ niedrig sind.
In der ersten Ausführungsform wird dem ersten Unterpaket 12 ein sauerstoffhaltiges Gas und Feuchtigkeit (tatsächlich ein befeuchtetes sauerstoffhaltiges Gas) in einer Menge zugeführt, welche zum Betrieb des ersten Unterpakets 12 erforderlich ist. Da den Zellenanordnungen 20 des ersten Unterpakets 12 ein befeuchtetes sauerstoffhaltiges Gas in einer Menge zugeführt wird, welche für eine gewünschte Reaktion benötigt wird, findet die gewünschte Reaktion in den Zellenanordnungen 20 statt.
In jeder der Zellenanordnungen 20 wird durch die Reaktion Wasser erzeugt. Das erzeugte Wasser bewegt sich mit dem genutzten sauerstoffhaltigen Gas in der Richtung X entlang dem Auslass 64 für sauerstoffhaltiges Gas und wird in den Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas der Zwischenplatte 18a eingeleitet, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Unterpaket 12, 14 angeordnet ist. Dem Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas wird ein sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit von den Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit zugeführt.
Der Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas ist verhältnismäßig lang, wobei er in der Fläche 90 der Zwischenplatte 18a zu den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas hin verläuft. Die Rippen der Führung 96 in dem Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas weisen vorgewählte Positionen, Längen, Richtungen und Abstände auf. Wenn das von den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas in den Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas eingeleitete genutzte sauerstoffhaltige Gas und das von den Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit in den Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas eingeleitete ungenutzte sauerstoffhaltige Gas durch den Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas strömen, werden diese sauerstoffhaltigen Gase gleichmäßig miteinander über eine ausreichende Mischdistanz gemischt, welche durch die Führung 96 und aufgrund einer Verwirbelungswirkung der Führung 96 vorgesehen ist, und danach von Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas zu dem zweiten Unterpaket 14 gefördert.
Dem zweiten Unterpaket 14 wird eine Menge an ausreichend befeuchtetem sauerstoffhaltigen Gas zugeführt, welche erforderlich ist, um das zweite Unterpaket 14 zu betreiben. Daher wird verhindert, dass die Feuchtigkeit und die Sauerstoffkonzentration des sauerstoffhaltigen Gases, welches dem zweiten Unterpaket 14 zugeführt wird, schwanken. Dies lässt die gewünschte Reaktion in zuverlässiger Weise in dem zweiten Unterpaket 14 stattfinden. In dem zweiten Unterpaket 14 erzeugtes Wasser kann als Wasser zur Befeuchtung des dem zweiten Unterpaket 14 zugeführten sauerstoffhaltigen Gases genutzt werden. Daher kann die Wassermenge, welche zur Befeuchtung des sauerstoffhaltigen Gases benötigt wird, in großem Maße verringert werden.
Die Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit bilden Verbindungslöcher, welche in dem ersten Unterpaket 12 definiert sind und in der Richtung verlaufen, in welcher die Zellenanordnungen 20 gestapelt sind. Somit wird das ungenutzte sauerstoffhaltige Gas auf eine Temperatur eingestellt, welche im Wesentlichen die gleiche ist wie die Temperatur des zweiten Unterpakets 12 und wird danach der Zwischenplatte 18a zugeführt. Daher wird verhindert, dass die Temperatur der gemischten sauerstoffhaltigen Gase schwankt, was es ermöglicht, die Fähigkeit des Brennstoffzellenpakets 1 zur Erzeugung elektrischer Energie effektiv zu erhöhen.
Die Brennstoffgasauslässe 68 führen ein Brennstoffgas niedriger Konzentration, d.h. ein Brennstoffgas, dessen Konzentration durch seinen Verbrauch in einer Reaktion abgesenkt wurde, während die Menge an Befeuchtungswasser auf einem konstanten Niveau gehalten wird, dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 zu. Die Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit führen ein ungenutztes Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit den Brennstoffgas-Mischdurchgängen 94 zu. Im Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 werden, wie in dem Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas, das befeuchtete Brennstoffgas und das ungenutzte Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit gleichmäßig durch eine Verwirbelungs- und Mischwirkung der Führung 98 vermischt und danach von den Brennstoffgaseinlässen 46 dem zweiten Unterpaket 14 zugeführt. Insofern sind der Mischdurchgang 92 für sauerstoffhaltiges Gas und der Brennstoffgas-Mischdurchgang 94 in der gleichen Fläche 90 der Zwischenplatte 18a definiert. Daher kann die Dicke der Zwischenplatte 18a in einfacher Weise verringert werden.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Menge an in dem Brennstoffzellenpaket 10 verwendetem Befeuchtungswasser verringert, und das stromabwärtige zweite Unterpaket 14 und das weiter stromabwärtige dritte Unterpaket 16 können in zuverlässiger Weise mit einem sauerstoffhaltigen Gas und einem Brennstoffgas versorgt werden, deren Feuchtigkeit und Konzentration nicht verändert werden. Daher ist die Befeuchtungsstruktur in ihrer Größe stark verringert, und das gesamte Brennstoffzellenpaket 10 ist in seiner Struktur vereinfacht und in seiner Größe verringert und behält eine effektive Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie.
6 zeigt in Explosionsperspektive einen Abschnitt eines Brennstoffzellenpakets 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jene Teile des Brennstoffzellenpakets 100, welche mit denen des Brennstoffzellenpakets 10 gemäß der ersten Ausführungsform identisch sind, sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet und werden unten nicht ausführlich beschrieben.
Das Brennstoffzellenpaket 100 umfasst ein erstes, ein zweites und ein drittes Unterpaket 12, 14, 16 mit Zwischenplatten 102a, 102b, welche zwischen diesen angeordnet sind. Wie in 7 gezeigt ist, umfasst jedes des ersten bis dritten Unterpakets 12, 14, 16 ein Paket von Zellenanordnungen 104, von denen jedes eine Mehrzahl von Einheitszellen 106 aufweist, die in der Richtung A gestapelt sind. Jede der Einheitszellen 106 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 108 und Separatoren 110, welche die Membranelektrodenanordnung 108 zwischen diesen sandwichartig anordnen.
Die Einheitszellen 106 weisen, definiert in einem Längsende derselben in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung, jeweilige Brennstoffgaseinlässe 46 auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, weisen jeweilige Kühlmediumauslässe 48 auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, weisen Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, und weisen jeweilige Auslässe 64 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen. Die Einheitszellen 106 weisen weiterhin, definiert im anderen Längsende derselben, jeweilige Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, weisen jeweilige Kühlmediumeinlässe 66 auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, weisen Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, und weisen jeweilige Brennstoffgasauslässe 68 auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen.
Wie in 8 gezeigt ist, weist jede der Zwischenplatten 102a, 102b, definiert in einer Fläche 112 derselben, einen Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas (Strömungsänderungsdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas) auf, welcher die Auslässe 64 für sauerstoffhaltiges Gas, die Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit und die Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas verbindet. Der Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas umfasst einen länglichen Durchgang, welcher diagonal entlang der Fläche 112 verläuft, und weist darin angeordnet eine Führung 116 auf.
Die Führung 116 umfasst eine Mehrzahl von Rippen, welche in dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas angeordnet sind. Die Positionen, Längen, Richtungen und Abstände dieser Rippen sind gewählt, um ein ungenutztes sauerstoffhaltiges Gas, welches von den Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit zu dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, und ein genutztes sauerstoffhaltiges Gas, welches von den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas zu dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, gleichmäßig zu mischen.
Jede der Zwischenplatten 102a, 102b weist, in der anderen Fläche 118 derselben, einen Brennstoffgas-Mischdurchgang (Brennstoffgas-Strömungsänderungsdurchgang) 120 auf, welche die Brennstoffgasauslässe 68, die Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit und die Brennstoffgaseinlässe 46 verbindet. Der Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 umfasst einen länglichen Durchgang, welcher sich diagonal entlang der Fläche 118 über den Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas erstreckt, und weist darin angeordnet eine Führung 116 auf, welche eine Mehrzahl von Rippen umfasst, die in dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 angeordnet sind. Die Positionen, Längen, Richtungen und Abstände dieser Rippen sind gewählt, um ein ungenutztes Brennstoffgas, welches von den Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 zugeführt wird, und ein genutztes Brennstoffgas, welches von den Brennstoffgasauslässen 68 dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 zugeführt wird, miteinander gleichmäßig zu mischen.
Das so aufgebaute Brennstoffzellenpaket 100 gemäß der zweiten Ausführungsform arbeitet wie folgt: Wenn ein sauerstoffhaltiges Gas, ein Brennstoffgas und ein Kühlmedium dem ersten Unterpaket 12 zugeführt werden, wie in 7 gezeigt ist, wird sauerstoffhaltiges Gas in den Durchgang 74 für sauerstoffhaltiges Gas des Separators 110 eingeleitet und bewegt sich entlang der Kathode 34a der ersten Membranelektrodenanordnung 108. Das Brennstoffgas wird in den Brennstoffgasdurchgang 78 des Separators 10 eingeleitet und bewegt sich entlang der Anode 36a der ersten Membranelektrodenanordnung 108. In der ersten Membranelekttrodenanordnung 108 werden daher das der Kathode 34a zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 36a zugeführte Brennstoffgas durch eine elektrochemische Reaktion in dem Elektrodenkatalysator verbraucht, wobei elektrische Energie erzeugt wird.
Das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas, welche in den Einheitszellen 106 verbraucht worden sind, werden zu den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas und zu den Brennstoffgasauslässen 68 abgelassen und zu der stromabwärts des ersten Unterpakets 12 angeordneten Zwischenplatte 102a gefördert. Auf der Fläche 112 der Zwischenplatte 102a wird von den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas das befeuchtete sauerstoffhaltige Gas dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, und das ungenutzte sauerstoffhaltige Gas niedriger Feuchtigkeit wird dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas von den Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit zugeführt.
Der Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas befindet sich länglich diagonal entlang der Fläche 112 der Zwischenplatte 102a, und die Rippen der Führung 116 weisen vorausgewählte Positionen, Längen, Richtungen und Abstände auf. Somit werden das befeuchtete sauerstoffhaltige Gas und das ungenutzte sauerstoffhaltige Gas niedriger Feuchtigkeit, welche dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden, in ausreichender Weise und gleichförmig miteinander gemischt und dann den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas des zweiten Unterpakets 14 zugeführt.
An der anderen Fläche 118 der Zwischenplatte 102a wird dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 das Brennstoffgas niedriger Konzentration von den Brennstoffgasauslässen 68 zugeführt, und das ungenutzte Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit wird dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 von den Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit zugeführt. In dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 werden daher, wie bei dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas, das befeuchtete Brennstoffgas und das ungenutzte Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit durch eine Verwirbelungs- und Vermischungswirkung der Führung 122 gleichmäßig gemischt und danach den Brennstoffgaseinlässen 46 des zweiten Unterpakets 14 zugeführt.
Da bei der zweiten Ausführungsform das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas über die Zwischenplatten 102a, 102b den Einlässen 56 für sauerstoffhaltiges Gas und den Einlässen 46 für Brennstoffgas des zweiten und des dritten Unterpakets 14, 16 zugeführt wird. Daher können das erste bis dritte Unterpaket 12, 14, 16 die Separatoren 110 des gleichen Typs verwenden. Das Brennstoffzellenpaket 100 gemäß der zweiten Ausführungsform ist aus einer verringerten Anzahl an Typen von Teilen aufgebaut und ist wirtschaftlich, da seine Kosten verhältnismäßig niedrig sind.
Bei der zweiten Ausführungsform ist die Menge an Befeuchtungswasser verringert, und dem stromabwärtigen zweiten Unterpaket 14 und dem weiter stromabwärtigen dritten Unterpaket 16 kann in zuverlässiger Weise ein sauerstoffhaltiges Gas und ein Brennstoffgas zugeführt werden, deren Feuchtigkeit und Konzentration nicht verändert werden. Daher ist das Brennstoffzellenpaket 100 in seinem Aufbau vereinfacht und in seiner Größe verringert und behält eine effektive Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie bei.
An der Zwischenplatte 102a ist der Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas in der Fläche 112 definiert, und der Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 ist in der anderen Fläche 118 definiert. Die kombinierte Länge des Mischdurchgangs 114 für sauerstoffhaltiges Gas und des Brennstoffgas-Mischdurchgangs 120 ist groß genug, um das sauerstoffhaltige Gas und das Brennstoffgas in zuverlässiger Weise und gleichmäßig miteinander zu vermischen.
9 zeigt in Explosionsperspektive einen Abschnitt eines Brennstoffzellenpakets 140 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jene Teile des Brennstoffzellenpakets 140, welche mit denen des Brennstoffzellenpakets 10, 100 gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform identisch sind, sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet und werden unten nicht ausführlich erläutert werden.
Das Brennstoffzellenpaket 140 umfasst ein erstes, ein zweites und ein drittes Unterpaket 12, 14, 16 mit zwischen diesen angeordneten Zwischenplatten 142a, 142b. Wie in 10 gezeigt ist, umfasst jedes des ersten bis dritten Unterpakets 12, 14, 16 ein Paket von Zellenanordnungen 144, von denen jede eine Mehrzahl von Einheitszellen 146 aufweist, welche in der Richtung A gestapelt sind. Jede der Einheitszellen 146 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 148 und Separatoren 150, welche die Membranelektrodenanordnung 148 zwischen sich sandwichartig anordnen.
Die Einheitszellen 146 weisen, definiert in einem Längsende derselben in der Richtung C, jeweilige Brennstoffgaseinlässe 46 auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, und weisen jeweilige Auslässe 64 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen. Die Einheitszellen 146 weisen weiter, definiert in dem anderen Längsende derselben, jeweilige Einlässe 56 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, und weisen Brennstoffgasauslässe 68 auf, welche miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen.
Die Einheitszellen 146 weisen weiterhin, definiert in einem unteren Rand derselben, jeweilige Kühlmediumeinlässe 66 auf, welche zentral darin definiert sind und miteinander in der Richtung A in Verbindung stehen, weisen jeweilige Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit nahe den Auslässen 64 für sauerstoffhaltiges Gas auf und weisen jeweilige Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit nahe den Brennstoffgasauslässen 68 auf. Die Einheitszellen 146 weisen ferner jeweilige Kühlmediumauslässe 48 auf, welche zentral in einem oberen Rand derselben definiert sind.
Wie in 11 gezeigt ist, weist jede der Zwischenplatten 142a, 142b einen Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas auf, welcher in einer Fläche 112 derselben definiert ist, und weist einen in der anderen Fläche 112 definierten Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 auf, welcher diagonal über den Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas hinweg verläuft.
Bei dem Brennstoffzellenpaket 140 gemäß der dritten Ausführungsform wird ein von dem ersten Unterpaket 12 abgelassenes sauerstoffhaltiges Gas dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas in der Fläche 112 der Zwischenplatte 102a zugeführt, und ein ungenutztes sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit wird dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas von den Zufuhröffnungen 65 für sauerstoffhaltiges Gas niedriger Feuchtigkeit zugeführt. Das befeuchtete sauerstoffhaltige Gas und das ungenutzte sauerstoffhaltige Gas niedriger Feuchtigkeit werden in dem Mischdurchgang 114 für sauerstoffhaltiges Gas gleichförmig gemischt und dann den Brennstoffgaseinlässen 56 des zweiten Unterpakets 14 zugeführt.
An der anderen Fläche 118 der Zwischenplatte 142a wird das Brennstoffgas niedriger Konzentration von den Brennstoffgasauslässen 68 dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 zugeführt, und das ungenutzte Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit wird dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 von den Zufuhröffnungen 69 für Brennstoffgas niedriger Feuchtigkeit zugeführt. Daher werden das Brennstoffgas niedriger Konzentration und das ungenutzte Brennstoffgas geringer Feuchtigkeit in dem Brennstoffgas-Mischdurchgang 120 gleichmäßig gemischt und dann den Brennstoffgaseinlässen 46 des zweiten Unterpakets 14 zugeführt.
Bei der dritten Ausführungsform kann daher das erste bis dritte Unterpaket 12, 14, 16 aus dem gleichen Satz von Teilen gebildet sein. Das Brennstoffzellenpaket 140 ist wirtschaftlich, da seine Kosten verhältnismäßig gering sind.
Bei der dritten Ausführungsform ist darüber hinaus die Menge an in dem gesamten Brennstoffzellenpaket 140 verwendetem Befeuchtungswasser in großem Maße verringert, und das stromabwärtige zweite Unterpaket 14 und das weitere stromabwärtige dritte Unterpaket 16 behalten eine effektive Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie bei.
Bei der ersten bis dritten Ausführungsform sind die Zellenanordnungen 20, 104, 144 von einem horizontalen Typ, wobei ihre längeren Seiten horizontal liegen. Die Zellenanordnungen können jedoch derart vertikal orientiert sein, dass ihre längeren Seiten in vertikaler Richtung verlaufen.
Bei dem Brennstoffzellenpaket gemäß der vorliegenden Erfindung wird, da das zu den Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgängen eines stromaufwärtigen Unterpakets abgelassene Reaktionsgas durch die Durchgänge der Zwischenplatte zu den Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgängen eines stromabwärtigen Unterpakets zugeführt wird, das Reaktionsgas von dem Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang in jedem Unterpaket zugeführt und danach von dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang in jedem Unterpaket abgelassen. Da alle Unterpakete den gleichen Typ von Separatoren verwenden können, ist das Brennstoffzellenpaket in hohem Maße wirtschaftlich, da es nicht notwendig ist, unterschiedliche Typen an Separatoren zur Verwendung in den Unterpaketen vorzubereiten.
Bei dem Brennstoffzellenpaket gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Durchgang in der Fläche der Zwischenplatte definiert, welche zwischen benachbarten Unterpaketen angeordnet ist. Nachdem das von den Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnungen entlang der Führung in dem Durchgang zugeführte ungenutzte Zusatz-Reaktionsgas gleichmäßig mit dem von den stromaufwärtigen Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgängenzugeführten genutzten Reaktionsgas gemischt worden ist, wird die Mischung zu den stromabwärtigen Reaktionsgasauslass-Kommunikationsdurchgängengefördert.
Folglich wird verhindert, dass die Feuchtigkeit und die Konzentration des jedem der Unterpakete zugeführten Reaktionsgases schwankt, was den Unterpaketen gestattet, eine effektive Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie beizubehalten. Die Menge an in dem gesamten Brennstoffzellenpaket verwendetem Befeuchtungswasser kann mit einer einfachen Anordnung in großem Maße verringert werden.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich gezeigt und beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen daran ausgeführt werden können, ohne vom Rahmen der angehängten Ansprüche abzuweichen.
Eine Zwischenplatte (18a) ist zwischen einem ersten und einem zweiten Unterpaket (12, 14) angeordnet. Die Zwischenplatte (18a) weist, definiert in einer Fläche (90) derselben, einen Mischdurchgang (92) für sauerstoffhaltiges Gas auf, welcher einen Auslass (64) für sauerstoffhaltiges Gas in dem stromaufwärts gelegenen ersten Unterpaket (12) und einen Einlass (56) für sauerstoffhaltiges Gas in dem stromabwärts gelegenen zweiten Unterpaket (14) verbindet. Bei dem ersten und dem zweiten Unterpaket (12, 14) wird ständig ein sauerstoffhaltiges Gas von dem Einlass (56) für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt und an den Auslass (64) für sauerstoffhaltiges Gas abgelassen.

Claims

Brennstoffzellenpaket, umfassend ein Paket von Unterpaketen (12) mit zwischen diesen angeordneten Zwischenplatten (18a), wobei jedes der Unterpakete (12) ein Paket aus Membranelektrodenanordnungen (28) mit zwischen diesen angeordneten Separatoren (38) umfasst, von denen jede eine Anode (36a), eine Kathode (34a) und eine Ionenaustauschmembran (32a) umfasst, welche zwischen der Anode (36a) und der Kathode (34a) sandwichartig angeordnet ist, wobei jede der Zwischenplatten (18a) Folgendes aufweist: einen Verbindungsdurchgang zur Verbindung eines Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgangs (64) eines stromaufwärtigen Unterpakets (12) der Unterpakete bezüglich einer Richtung, in welcher ein Reaktionsgas zugeführt wird, und eines Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgangs (56) eines stromabwärtigen Unterpakets (14) der Unterpakete bezüglich dieser Richtung.
Brennstoffzellenpaket nach Anspruch 1, wobei das stromaufwärtige Unterpaket (12) und das stromabwärtige Unterpaket (14) zueinander strukturell identisch sind, wobei der Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang (56) des stromaufwärtigen Unterpakets (12) mit dem Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang (56) des stromabwärtigen Unterpakets (14) in der Stapelrichtung fluchtet, und wobei der Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang (64) des stromaufwärtigen Unterpakets (12) mit dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang (64) des stromabwärtigen Unterpakets (14) fluchtet.
Brennstoffzellenpaket nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsdurchgang umfasst: einen Strömungsänderungsdurchgang (92) für sauerstoffhaltiges Gas zum Hindurchleiten eines sauerstoffhaltigen Gases als das Reaktionsgas; sowie einen Brennstoffgas-Strömungsänderungsdurchgang (94) zum Hindurchleiten eines Brennstoffgases als das Reaktionsgas, wobei der Strömungsänderungsdurchgang (92) für sauerstoffhaltiges Gas und der Brennstoffgas-Strömungsänderungsdurchgang (94) in der gleichen Fläche der Zwischenplatte (18a) definiert sind.
Brennstoffzellenpaket nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsdurchgang umfasst: einen Strömungsänderungsdurchgang (114) für sauerstoffhaltiges Gas zum Hindurchleiten eines sauerstoffhaltigen Gases als das Reaktionsgas; sowie einen Brennstoffgas-Strömungsänderungsdurchgang (120) zum Hindurchleiten eines Brennstoffgases als das Reaktionsgas, wobei der Strömungsänderungsdurchgang (114) für sauerstoffhaltiges Gas in einer Fläche der Zwischenplatte (102a) definiert ist und der Brennstoffgas-Strömungsänderungsdurchgang (120) in der anderen Fläche der Zwischenplatte (102a) definiert ist.
Brennstoffzellenpaket, umfassend ein Paket von Unterpaketen (12) mit zwischen diesen angeordneten Zwischenplatten (18a), wobei jedes der Unterpakete (12) ein Paket aus Membranelektrodenanordnungen (28) mit zwischen diesen angeordneten Separatoren (38) umfasst, von denen jede eine Anode (36a), eine Kathode (34a) und eine Ionenaustauschmembran (32a) umfasst, welche zwischen der Anode (36a) und der Kathode (34a) sandwichartig angeordnet ist, wobei jede der Zwischenplatten (18a) Folgendes aufweist: einen Verbindungsdurchgang zur Verbindung eines Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgangs (64) eines stromaufwärtigen Unterpakets (12) der Unterpakete bezüglich einer Richtung, in wel cher ein Reaktionsgas zugeführt wird, einer Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnung (65), welche nahe dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang (64) angeordnet ist, und eines Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgangs (56) eines stromabwärtigen Unterpakets (14) der Unterpakete bezüglich dieser Richtung, wobei der Verbindungsdurchgang eine Führung (96) aufweist zum Mischen eines ungenutzten Zusatz-Reaktionsgases, welches von der Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnung (65) zugeführt wird, mit einem genutzten Reaktionsgas, welches von dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang (64) zugeführt wird, sowie zum Fördern der gemischten Reaktionsgase zu dem Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang (56).
Brennstoffzellenpaket nach Anspruch 5, wobei das stromaufwärtige Unterpaket (12) und das stromabwärtige Unterpaket (14) zueinander strukturell identisch sind, wobei der Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang (56) des stromaufwärtigen Unterpakets (12) mit dem Reaktionsgaseinlass-Verbindungsdurchgang (56) des stromabwärtigen Unterpakets (14) in der Stapelrichtung fluchtet, und wobei der Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang (64) des stromaufwärtigen Unterpakets (12) mit dem Reaktionsgasauslass-Verbindungsdurchgang (64) des stromabwärtigen Unterpakets (14) fluchtet.
Brennstoffzellenpaket nach Anspruch 5, wobei die Zusatz-Reaktionsgaszufuhröffnung (65) ein Verbindungsloch umfasst, welches in den Unterpaketen entlang dem Paket von Membranelektrodenanordnungen (28) verläuft, zum Zuführen des ungenutzten Zusatz-Reaktionsgases durch das Verbindungsloch in den Unterpaketen zu den Zwischenplatten (18a).
Brennstoffzellenpaket nach Anspruch 5, wobei der Zwischendurchgang umfasst: einen Mischdurchgang (92) für sauerstoffhaltiges Gas zum Mischen eines ungenutzten sauerstoffhaltigen Zusatz-Gases mit einem genutzten sauerstoffhaltigen Gas als das Reaktionsgas darin; sowie einen Brennstoffgas-Mischdurchgang (94) zum Mischen eines ungenutzten Zusatz-Brennstoffgases mit einem genutzten Brennstoffgas als das Reaktionsgas darin, wobei der Mischdurchgang (92) für sauerstoffhaltiges Gas und der Brennstoffgas-Mischdurchgang (94) in der gleichen Fläche der Zwischenplatte (18a) definiert sind.
Brennstoffzellenpaket nach Anspruch 5, wobei der Zwischendurchgang umfasst: einen Mischdurchgang (114) für sauerstoffhaltiges Gas zum Mischen eines ungenutzten sauerstoffhaltigen Zusatz-Gases mit einem genutzten sauerstoffhaltigen Gas als das Reaktionsgas darin; sowie einen Brennstoffgas-Mischdurchgang (120) zum Mischen eines ungenutzten Zusatz-Brennstoffgases mit einem genutzten Brennstoffgas als das Reaktionsgas darin, wobei der Mischdurchgang (114) für sauerstoffhaltiges Gas in einer Fläche der Zwischenplatte (102a) definiert ist und der Brennstoffgas-Mischdurchgang (120) in der anderen Fläche der Zwischenplatte (102a) definiert ist.