DE10250572B4 - Brennstoffzelle und Verfahren zum Steuern derselben - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzelle, mit: einem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81), in dem Reaktionsgas durch eine einzelne Zelle (21, 22) der Brennstoffzelle (10) strömt; einer Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4; B1, B2, B3, B4, B31, B32, B33, B34) zum Schalten einer Strömungsrichtung des Reaktionsgases, das dem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zugeführt wird, von einer ersten Richtung zu einer zweiten Richtung, um die Strömungsrichtung des Reaktionsgases im Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zu ändern; und einer Steuereinrichtung (50) zum Schalten der Strömungsrichtung des Reaktionsgases, das dem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zugeführt wird, mittels der Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4; B1, B2, B3, B4, B31, B32, B33, B34) von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Richtung die erste Richtung schneidet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und auf ein Verfahren zum Steuern derselben.
  • Eine Brennstoffzelle ist bekannt, die so aufgebaut ist, dass eine Vielzahl an einzelnen Zellen laminiert oder geschichtet sind, die jeweils eine Membranelektrodenbaugruppe (die nachstehend als MEA bezeichnet ist) haben, die zwischen zwei Separatoren angeordnet ist. Die MEA besteht aus einer elektrolytischen Membran und Gasdiffusionselektroden. Platin als katalytische Elektroden ist auf beiden Flächen der elektrolytischen Membran aufgetragen, die zwischen den Gasdiffusionselektroden angeordnet ist. Die katalytische Elektrode und die Gasdiffusionselektrode, die an einer Fläche der MEA ausgebildet sind, bilden eine Anode, und die katalytische Elektrode und die Gasdiffusionselektrode, die an der anderen Fläche der MEA ausgebildet sind, bilden eine Kathode. Ein Brennstoffgaskanal, in dem Wasserstoffgas als ein Brennstoffgas durch eine einzelne Zelle der Brennstoffzelle strömt, ist in einem Separator der Anode zugewandt ausgebildet. Ein Oxydationsgasakanal, in dem Luft als ein Oxidationsgas durch die einzelne Zelle strömt, ist in einem Separator der Kathode zugewandt ausgebildet.
  • Diese katalytische Membran fungiert üblicherweise als ein guter Protonen-leitfähiger Elektrolyt in einem nassen Zustand und wird somit nass gehalten, indem Brennstoffgas und Oxidationsgas geliefert werden, die zuvor befeuchtet worden sind. Jedoch kann aus verschiedenen Gründen ein Fluten (ein zu nasser Zustand) bewirkt werden. Wenn ein Fluten auftritt, wird bspw. Wasser in dem Gaskanal erzeugt und bildet einen Strömungswiderstand gegenüber dem Gas, was ein Beliefern der Gasdiffusionselektroden mit einer ausreichenden Gasmenge unmöglich machen kann. Im Hinblick auf diesen Nachteil offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP H07-235324 A1 oder dgl. eine Brennstoffzelle, bei der ein dynamischer Gasdruck vorübergehend im Ansprechen auf das Auftreten eines Flutens zunimmt und bei der im Gaskanal erzeugtes Wasser durch den dynamischen Druck weggeblasen und entfernt wird.
  • Jedoch ist die Brennstoffzelle der vorstehend erwähnten Veröffentlichung so gestaltet, dass bewirkt wird, dass Gas ständig in einer bestimmten Richtung strömt. Folglich kann, wenn ein Faktor (bspw. ein Hindernis) vorhanden ist, der eine Bewegung des erzeugten Wassers in dieser Richtung verhindert, das erzeugte Wasser nicht ohne weiteres selbst in dem Fall einer Zunahme des dynamischen Drucks des Reaktionsgases entfernt werden. Die Druckschrift WO 1999/028985 A1 beschreibt außerdem eine Brennstoffzelle, in der zu diesem Zweck die Strömungsrichtung der Reaktionsgase umgekehrt werden kann.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die zu einem effizienten Entfernen einer unerwünschten Substanz, wie bspw. erzeugtes Wasser, in einem Gaskanal in der Lage ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Brennstoffzelle zu schaffen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle hat einen Einzelzelleninnengaskanal, bei dem Reaktionsgas durch eine einzelne Zelle der Brennstoffzelle strömt; eine Schalteinrichtung zum Schalten einer Strömungsrichtung des Gases in dem Einzelzelleninnengaskanal von einer ersten Richtung zu einer zweiten die erste Richtung schneidenden Richtung; und eine Steuereinrichtung zum Schalten einer Strömungsrichtung des Gases in dem Einzelzelleninnengaskanal, von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle mittels der Schalteinrichtung.
  • Bei dieser Brennstoffzelle wird die Strömungsrichtung des Gases in dem Einzelzelleninnengaskanal von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung, die sich mit der ersten Richtung schneidet, in Übereinstimmung mit einem Betriebszustand der Brennstoffzelle geschaltet. Folglich wird, selbst dann, wenn ein Faktor vorhanden ist, der verhindert, dass eine in dem Einzel zelleninnengaskanal vorhandene unerwünschte Substanz (bspw. erzeugtes Wasser) in einem bestimmten Betriebszustand sich in der ersten Richtung bewegt, die Strömungsrichtung des Gases zu der die erste Richtung schneidenden zweiten Richtung geschaltet, wodurch der Faktor weniger Einfluss hat. Als ein Ergebnis kann die unerwünschte Substanz durch das Gas entfernt werden. Demgemäß kann die unerwünschte Substanz in dem Gaskanal effizient entfernt werden.
  • Es sollte hierbei beachtet werden, dass der Ausdruck „Reaktionsgas” ein Gas meint, das für eine elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und dass der Ausdruck „der Betriebszustand der Brennstoffzelle” nicht speziell beschränkt ist und ein Parameter, der sich auf eine Betriebssteuerung bezieht, wie bspw. eine Abgabespannung oder eine Impedanz der Brennstoffzelle oder eine Feuchtigkeit, eine Temperatur oder eine Liefermenge des Reaktionsgases, das bei der Brennstoffzelle verwendet wird, oder eine Temperatur oder eine Liefermenge eines Kühlmittels für die Brennstoffzelle sein kann.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann eine Vielzahl an kleinen Vorsprüngen in dem Einzelzelleninnengaskanal derart ausgebildet sein, dass Reaktionsgas durch Zwischenräume zwischen den kleinen Vorsprüngen strömt. In dem Einzelzelleninnengaskanal können die kleinen Vorsprünge verhindern, dass eine unerwünschte Substanz sich in einer vorbestimmten Strömungsrichtung bewegt. Jedoch ist die unerwünschte Substanz weniger anfällig gegenüber dem Einfluss der kleinen Vorsprünge durch das Schalten der Strömungsrichtung des Gases zu einer anderen Strömungsrichtung, die sich mit dieser schneidet. Als ein Ergebnis kann der unerwünschte Stoff durch das Gas entfernt werden.
  • Vorzugsweise sind die „kleinen Vorsprünge” derart angeordnet, dass durch den Einzelzelleninnengaskanal strömendes Reaktionsgas mit den kleinen Vorsprüngen zusammenstößt und in dem Einzelzelleninnengaskanal zerstreut wird. Bspw. können die kleinen Vorsprünge wie ein Gitter angeordnet sein.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können die erste und die zweite Richtung im Wesentlichen senkrecht zueinander sein. Somit ist selbst dann, wenn ein Faktor vorhanden ist, der eine Bewegung einer in dem Einzelzelleninnengaskanal vorhandenen unerwünschten Substanz in der ersten Richtung verhindert, der Faktor so gestaltet, dass er kaum einen Einfluss hat, indem die Strömungsrichtung des Gases zu einer Richtung geschaltet wird, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung erstreckt. Dem gemäß kann die unerwünschte Substanz in dem Gaskanal effizienter entfernt werden.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Steuereinrichtung die Strömungsrichtung des Gases in dem Einzelzelleninnengaskanal mittels der Schalteinrichtung schalten, wenn ein Fluten aufgetreten ist. Somit kann in dem Einzelzelleninnengaskanal erzeugtes Wasser effizient entfernt werden. Es sollte hierbei beachtet werden, dass der Ausdruck „Fluten” einen Zustand bezeichnet, bei dem sich Wasser in dem Einzelzelleninnengaskanal angesammelt hat. Es kann auf der Grundlage eines sich auf ein Fluten beziehenden Parameters, wie bspw. eine Ausgabespannung der Brennstoffzelle, eine Impedanz der Brennstoffzelle oder eine Feuchtigkeit des Reaktionsgases bestimmt werden, ob ein Fluten aufgetreten ist oder nicht.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Steuereinrichtung regulär oder irregulär die Strömungsrichtung des Gases in dem Einzelzelleninnengaskanal mittels der Schalteinrichtung schalten, wenn die Betriebstemperatur gleich wie oder geringer als eine vorbestimmte Temperatur ist. Wenn die Betriebstemperatur gleich wie oder geringer als die vorbestimmte Temperatur (bspw. gleich wie oder geringer als 60°C) ist, ist die in dem Reaktionsgas enthaltene Menge an gesättigtem, wässrigem Dampf gering. Somit kann ein Kondensat in dem Einzelzelleninnengaskanal erzeugt werden. Jedoch kann, selbst wenn ein Kondensat erzeugt worden ist, dieses mit Leichtigkeit durch ein reguläres oder irreguläres Schalten der Strömungsrichtung des Gases entfernt werden. Es sollte hierbei beachtet werden, dass „die Betriebstemperatur” in einer beliebigen Weise erfasst werden kann. Bspw. kann eine Temperatur an einer vorbestimmten Position der Brennstoffzelle durch eine Temperaturerfassungseinrichtung erfasst werden oder eine Temperatur eines Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle kann durch eine Temperaturerfassungseinrichtung erfasst werden.
  • In der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung unterscheidet sich die Länge und Breite des Einzelzelleninnengaskanals in der ersten Richtung von der Länge und Breite des Einzelzelleninnengaskanals in der zweiten Richtung. Somit ändern sich die Länge und die Breite des Kanals auch im Ansprechen auf das Schalten der Strömungsrichtung des Gases. Folglich ist es möglich, die Länge und die Breite des Kanals in einer derartigen Weise zu wählen, dass sie dem Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechen. Bspw. kann die Steuereinrichtung die Strömungsrichtung des Gases zu der Richtung entsprechend dem längeren und schmalen Kanal mittels der Schalteinrichtung zum Zeitpunkt einer geringen Abgabe der Brennstoffzelle schalten und die Steuereinrichtung kann die Strömungsrichtung des Gases zu der Richtung entsprechend dem kürzeren und breiteren Kanal durch die Schalteinrichtung zum Zeitpunkt einer hohen Abgabe der Brennstoffzelle schalten. Somit wird die Gasströmungsrate zum Zeitpunkt einer geringen Abgabe der Brennstoffzelle erhöht, was eine Verbesserung des Gasdiffusionsvermögens und dem Gasausnutzungsverhältnis bewirkt. Des Weiteren wird der Druckverlust zum Zeitpunkt einer hohen Abgabe der Brennstoffzelle verringert.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Steuereinrichtung die Gasströmungsrichtung in dem Einzelzelleninnengaskanal steuern, indem die Schalteinrichtung gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass Gas von sowohl einer ersten Gaslieferöffnung, die sich in der ersten Richtung erstreckt, als auch einer zweiten Gaslieferöffnung die sich in der zweiten Richtung erstreckt, geliefert wird und Gas von entweder einer ersten Gasabgabeöffnung, die sich in der ersten Richtung erstreckt, oder einer zweiten Gasabgabeöffnung, die sich in der zweiten Richtung erstreckt, abgegeben wird. In diesem Fall werden die von den beiden Gaslieferanschlüssen gelieferten Gase in dem Einzelzelleninnengaskanal kombiniert und werden von einem Einzelgasabgabeanschluss abgegeben. Folglich kann die Strömungsrate des von den Gaslieferanschlüssen gelieferten Gases im Vergleich zu einem Fall verringert werden, bei dem Gas von einem Einzelgaslieferanschluss geliefert wird. Als ein Ergebnis wird es unwahrscheinlich, dass die stromaufwärtige Seite des Einzelzelleninnengaskanals trocken wird. Es können außerdem von beiden Gaslieferanschlüssen gelieferte Gase an der stromabwärtigen Seite des Einzelzelleninnengaskanals kombiniert werden. Somit kann verhindert werden, dass die Konzentration des Gases an der stromabwärtigen Seite gering wird. Die Steuereinrichtung kann die Schalteinrichtung zum Zeitpunkt einer geringen Abgabe oder während eines Nicht-Feucht-Betriebs, bei dem Reaktionsgas ohne Befeuchten geliefert wird, steuern.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann der Einzelzelleninnengaskanal ein Kanal sein, durch den Oxidationsgas strömt. Somit ist es möglich, eine geeignete Maßnahme gegen ein Fluten aufzugreifen, das in dem Kanal austritt, durch den das Oxidationsgas strömt.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann der Einzelzelleninnengaskanal ein Kanal sein, durch den Brennstoffgas strömt. Somit ist es möglich, eine geeignete Maßnahme gegenüber einem Fluten aufzugreifen, das in dem Kanal auftritt, durch den Brennstoffgas strömt.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann der Einzelzelleninnengaskanal ein erster Einzelzelleninnengaskanal, durch den Oxidationsgas geliefert wird, und ein zweiter Einzelzelleninnengaskanal sein, durch den Brennstoffgas geliefert wird. Die Schalteinrichtung kann eine erste Schalteinrichtung zum Schalten der Strömungsrichtung des Gases in dem ersten Einzelzelleninnengaskanal und eine zweite Schalteinrichtung zum Schalten der Strömungsrichtung des Gases in dem zweiten Einzelzelleninnengaskanal sein. Die Steuereinrichtung kann die Strömungsrichtung des Gases in dem ersten Einzelzelleninnengaskanal oder dem zweiten Einzelzelleninnengaskanal in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand der Brennstoffzelle mittels der ersten oder zweiten Schalteinrichtung schalten. Somit ist es möglich, eine geeignete Maßnahme gegenüber einem Fluten sowohl bei dem Kanal, durch den das Oxidationsgas strömt, als auch bei dem Kanal aufzugreifen, durch den das Brennstoffgas strömt.
  • Zu diesem Zeitpunkt kann die Steuereinrichtung die erste und die zweite Schalteinrichtung derart steuern, dass Gase durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal und den zweiten Einzelzelleninnengaskanal in entgegengesetzten Richtungen strömen. In der Regel ist es wahrscheinlicher, dass die stromaufwärtige Seite des Gases trockener ist als die stromobwärtige Seite des Gases. Da jedoch in diesem Fall die Gase durch die einzelne Zelle zueinander entgegengesetzt strömen, kann die Verteilung des Wassers in der einzelnen Zelle homogen werden.
  • Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann ein Kühlkanal vorgesehen werden, durch den ein Kühlmittel zum Kühlen der einzelnen Zelle strömt, und eine dritte Schalteinrichtung zum Schalten der Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal kann vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung kann die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal von einer dritten Richtung zu einer vierten Richtung, die sich mit dieser schneidet, mittels der dritten Schalteinrichtung schalten, wenn die Strömungsrichtung des Gases von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung geschaltet wird, die sich mit dieser schneidet. Somit kann die Strömungsrichtung des Kühlmittels zu einer Richtung, die für die Strömungsrichtung des Gases geeignet ist, synchron zu der Strömungsrichtung des Gases geschaltet werden.
  • Zu diesem Zeitpunkt kann beim Schalten der Strömungsrichtung des Gases an der ersten Richtung zu der zweiten Richtung, die sich mit dieser schneidet, die Steuereinrichtung die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal zu einer Richtung schalten, die mit der zweiten Richtung übereinstimmt. Geeigneterweise stimmt die vierte Richtung mit der zweiten Richtung überein. Darüber hinaus stimmt geeigneter Weise die erste Richtung mit der dritten Richtung überein. Somit wird die stromaufwärtige Seite des Gases durch ein Kühlmittel gekühlt, das eine niedrige Temperatur hat, und die stromabwärtige Seite des Gases wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das Wärme absorbiert hat und somit eine geringfügig hohe Temperatur erreicht hat. Somit erfährt die stromaufwärtige Seite des Gases einen wesentlich stärkeren Temperaturabfall als die stromabwärtige Seite des Gases. In der Regel neigt die stromaufwärtige Seite des Gases dazu, dass sie trocken ist, und die stromauwärtige Seite des Gases neigt dazu, dass sie nass ist. Da jedoch in diesem Fall der Taupunkt durch ein Verringern der Temperatur an der stromaufwärtigen Seite des Gases verringert ist, ist es unwahrscheinlich, dass die stromaufwärtige Seite des Gases trocken ist. Da außerdem der Taupunkt durch eine Erhöhung der Temperatur an der stromabwärtigen Seite des Gases erhöht ist, ist es unwahrscheinlich, dass die stromabwärtige Seite des Gases nass ist.
  • Des Weiteren kann der Kühlmittelkanal in der dritten Richtung kurzer und breiter als in der vierten Richtung sein. Die Steuereinrichtung kann die Strömungsrichtung des Kühlmittels zu der dritten Richtung mittels der Schalteinrichtung zum Zeitpunkt einer geringen Abgabe der Brennstoffzelle schalten und die Strömungsrichtung des Kühlmittels zu der vierten Richtung mittels der Schalteinrichtung zum Zeitpunkt einer hohen Abgabe der Brennstoffzelle schalten. Somit ist der Druckverlust während einer geringen Abgabe bei einer geringen Wärmeerzeugungsmenge geringer und die Strömungsrate des Kühlmittels ist erhöht und die Wärmeübertragungsfähigkeit ist während einer hohen Abgabe bei einer hohen Wärmeerzeugungsmenge verbessert. Die Steuereinrichtung kann die Schaltsteuerung zum Schalten der Strömungsrichtung des Kühlmittels entweder individuell oder synchron mit der Schaltsteuerung zum Schalten der Strömungsrichtung des Reaktionsgases ausführen.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle, die zu einem Ändern der Strömungsrichtung des Gases in einem Einzelzelleninnengaskanal in der Lage ist, indem ein Reaktionsgas durch eine einzelne Zelle der Brennstoffzelle strömt.
  • Dieses Verfahren ist so gestaltet, dass eine Strömungsrichtung des Gases in dem Einzelzelleninnengaskanal auf eine zweite Richtung, die sich mit der ersten Richtung schneidet, gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle geschaltet wird. Bei diesem Steuerverfahren wird die Strömungsrichtung des Gases in dem Einzelzelleninnengaskanal von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung, die sich mit der ersten Richtung schneidet, gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle geschaltet. Folglich wird selbst dann, wenn ein Faktor vorhanden ist, der eine Bewegung einer in dem Einzelzelleninnengaskanal vorhandenen unerwünschten Substanz (bspw. erzeugtes Wasser) bei einem bestimmten Betriebszustand in der ersten Richtung verhindert, die Strömungsrichtung des Gases zu der zweiten Richtung geschaltet, die sich mit der ersten Richtung schneidet, wodurch der Faktor einen geringeren Einfluss hat. Als ein Ergebnis kann die unerwünschte Substanz durch das Gas entfernt werden. Dem gemäß kann die unerwünschte Substanz in dem Gaskanal effizient entfernt werden.
  • Die vorstehend dargelegten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehend aufgeführten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit dem beigefügten Zeichnungen deutlich hervor, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Gesamtaufbaus einer Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt eine ausschnittartige Querschnittsansicht eines Stapels der Brennstoffzelle.
  • 3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Zellenmoduls.
  • 4 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht des Zellenmoduls unter Betrachtung von einem Winkel, der in 3 durch „A” (Pfeilzeichen) gezeigt ist.
  • 5 zeigt eine schematische Blockdarstellung der elektrischen Verbindung von Bauteilen der Brennstoffzelle.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm einer Schaltsteuerung zum Schalten der Strömungsrichtung des Oxidationsgases.
  • 7 zeigt eine Draufsicht eines mittleren Separatars unter Betrachtung von der Seite eines ersten Einzelzelleninnengaskanals und außerdem eine erläuternde Ansicht von zwei Strömungsrichtungen des Oxidationsgases.
  • 8 zeigt eine ausschnittartige vergrößerte Ansicht des ersten Einzelzelleninnengaskanals des mittleren Separators.
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm der Steuerung zum Schalten der Strömungsrichtung des Oxidationsgases in Übereinstimmung mit einem Abwandlungsbeispiel des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 10 zeigt eine erläuternde Ansicht des Aufbaus des mittleren Separatars, wenn die Strömungsrichtungen sowohl des Oxidationsgases als auch des Brennstoffgases geschaltet werden.
  • 11 zeigt eine erläuternde Ansicht der Strömungsrichtung des Oxidationsgases gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 12 zeigt ein Flussdiagramm einer Schaltsteuerung zum Schalten der Strömungsrichtung des Oxidationsgases gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 13 zeigt eine erläuternde Ansicht eines Verfahrens zum Bewirken einer Strömung eines Oxidationsgases gemäß. einem Abwandlungsbeispiel des zweiten Ausführungsbeispiels.
  • 14 zeigt eine erläuternde Ansicht der Strömungsrichtung eines Kühlmittels gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Zum Zwecke der weiteren Darstellung der Erfindung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • [Erstes Ausführungsbeispiel]
  • Eine Brennstoffzelle 10 gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und besteht hauptsächlich aus einem Stapel 40, einem Oxydationsgaslieferrohr 41, einem Oxydationsgasabgaberohr 42, einer Oxidationsgasliefer-/Abgabevorrichtung 410 (s. 5), einem Brennstoffgaslieferrohr 43, einem Brennstoffgasabgaberohr 44, einer Brennstoffgasliefer-Abgabevorrichtung 430 (s. 5), einem Kühlmitteleinführrohr 45, einen Kühlmittelabgaberohr 46, einer Kühlmittelliefer-Abgabevorrichtung 450 (s. 5) und einer Steuervorrichtung 50 (s. 5). Der Stapel 40 besteht aus einer Vielzahl an geschichteten oder laminierten Zellmodulen 20. Das Oxydationsgaslieferrohr 41, das Oxydationsgasabgaberohr 42 und die Oxydationsgasliefer-Abgabevorrichtung 410 sind so gestaltet, dass sie Oxidationsgas zu dem Stapel 40 hinliefern und von dem Stapel 40 weg abgeben.
  • Das Brennstoffgaslieferrohr 43, das Brennstoffgasabgaberohr 44 und die Brennkraftstoffliefer-Abgabevorrichtung 430 sind so gestaltet, dass sie Brennstoffgas zu dem Stapel 40 liefern und von dem Stapel 40 abgeben. Das Kühlmitteleinführrohr 45, das Kühlmittelabgaberohr 46 und die Kühlmittelliefer-Abgabevorrichtung 450 sind so gestaltet, dass sie Kühlmittel zu dem Stapel 40 liefern und von dem Stapel 40 abgeben. Die Steuervorrichtung 50 ist so gestaltet, dass sie eine Schaltsteuerung zum Schalten der Strömungsrichtung des Oxydationsgases und dergleichen ausführt.
  • Wie dies in 2 gezeigt ist, ist jedes Zellenmodul 20 so aufgebaut, dass ein Kühlseparator 60, eine MEA 30, ein mittlerer Separator 70, eine MEA 30 und ein Endseparator 80 in dieser Reihenfolge laminiert sind. Der Kühlseparator 60, die MEA 30 und der mittlere Separater 70 bilden eine einzelne Zelle 21. Der mittlere Separator 70, die MEA 30 und der Endseparator 80 bilden eine einzelne Zelle 22. Das heißt, die einzelne Zelle 21 und die einzelne Zelle 22 haben den mittleren Separator 70 als ein gemeinsames Element.
  • Die MEA 30 ist eine Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Baugruppe mit einer elektrolytischen Membran 31, die zwischen einer Anode 32 und einer Kathode 33 angeordnet ist. Es sollte hierbei beachtet werden, dass die elektrolytische Membran 31 eine protonleitfähige Ionenaustauschmembran (bspw. eine von DuPont® hergestellte Nation® Membran) ist, die aus einem Polymerelektrolytmaterial wie bspw. Fluorharz hergestellt ist und eine hohe elektrische Leitfähigkeit in einem nassen Zustand aufzeigt. Platin oder eine aus Platin oder einem anderen Metall bestehende Legierung ist an beiden Oberflächen der elektrolytischen Membran 31 aufgetragen, wodurch katalytische Elektroden 34 und 35 ausgebildet sind. Gasdiffusionselektroden 36 und 37, die aus Kohlenstofftextilstück ausgebildet sind, das aus Kohlenstofffasergarnen gewebt ist, sind außerhalb der katalytischen Elektroden 34 und 35 jeweils angeordnet. Die katalytische Elektrode 34 und die Gasdiffusionselektrode 36 bilden die Anode 32. Die katalytische Elektrode 35 und die Gaselektrode 37 bilden die Kathode 33. Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass die Gasdiffusionselektroden 36 und 37 aus Kohlenstofftextilstück ausgebildet sind. Die Gasdiffusionselektroden 36 und 37 können auch aus Kohlenstoffpapier oder einem Kohlenstofffilz ausgebildet sein, das aus Kohlenstofffaser hergestellt ist, und es ist lediglich erforderlich, dass sie ein ausreichendes Gasdiffusionsvermögen und eine ausreichende Leitfähigkeit aufzeigen.
  • Jeder der Separatoren 60, 70 und 80 ist aus einem gegenüber Gas undurchlässigen leitfähigen Element ausgebildet und ist bspw. so ausgebildet, dass er durch ein Komprimieren von Kohlenstoff gegenüber Gas undurchlässig ist. Ein zweiter Einzelzelleninnengaskanal 62, durch den Brennstoffgas strömt, ist an einer Oberfläche des Kühlseparators 60 ausgebildet, die der Anode 32 der MEA 30 der einzelnen Zelle 21 zugewandt ist. Ein Kühlmittelkanal 63, durch den ein Kühlmittel strömt, ist an der anderen Fläche des Kühlseparators 60 ausgebildet. Ein erster Einzelzelleninnengaskanal 71, durch den Oxydationsgas strömt, ist an einer Oberfläche des mittleren Separators 70 ausgebildet, die der Kathode 33 der MEA der einzelnen Zelle 21 zugewandt ist. Ein zweiter Einzelzelleninnengaskanal 72, durch den Brennstoff strömt, ist an der anderen Fläche des mittleren Separators 70 ausgebildet, die der Anode 32 der MEA 32 der einzelnen Zelle 22 zugewandt ist. Ein erster Einzelzelleninnengaskanal 81 ist an einer Oberfläche des Endseparators 80 ausgebildet, die der Kathode 33 der MEA 30 der einzelnen Zelle 22 zugewandt ist.
  • Ein Abdichtelement 31 ist in einem Zwischenraum zwischen dem Kühlseparator 60 und dem mittleren Separator 70 angeordnet. Ein Abdichtelement 39 ist in einem Zwischenraum zwischen dem mittleren Separator 70 und dem Endseparator 80 angeordnet. Die Abdichtelemente 38 und 39 spielen Rollen im Hinblick auf ein Verhindern eines Vermischens von Brennstoffgas und Oxydationsgas in diesen Abschnitten und sie verhindern, dass Gase zur Außenseite hin austreten.
  • Wie dies in den 3 und 4 gezeigt ist, ist jedes der Langlöcher 601 bis 604 durch den Kühlseparator 60 in einer derartigen Weise ausgebildet, dass sie sich entlang einer entsprechenden Seite von seinen vier Seiten erstrecken und jedes viereckige Loch 605 bis 608 ist durch den Kühlseparator 60 an einem entsprechenden Winkel von seinen vier Winkeln ausgebildet. Wie dies in 4 gezeigt ist, ist ein konkaver Abschnitt 610 mit einem im Allgemeinen rechtwinkligen Außenumfang an einer Oberfläche des Kühlseparators 60 ausgebildet, die der Anode 32 der MEA 30 der einzelnen Zelle 21 zugewandt ist. Der konkave Abschnitt 610 steht mit den viereckigen Löchern 605 und 606 in Verbindung. Brennstoffgas wird aus dem viereckigen Loch 605 geliefert, strömt durch den konkaven Abschnitt 610 der einzelnen Zelle 21 d. h. durch den zweiten Einzelzelleninnengaskanal 62 und wird von dem viereckigen Loch 606 abgegeben. Wie dies in 3 gezeigt ist, ist ein konkaver Abschnitt 611 mit einem im Allgemeinen rechtwinkligen Außenumfang an der Außenfläche des Kühlseparators 60 ebenfalls ausgebildet. Der konkave Abschnitt 611 steht mit den viereckigen Löchern 607 und 608 in Verbindung. Ein Kühlmittel wird von dem Viereckigen Loch 607 geliefert, strömt durch den konkaven Abschnitt 611 d. h. durch den Kühlmittelkanal 63 und wird von dem viereckigen Loch 608 abgegeben.
  • Jedes der langen Löcher 701 bis 704 ist durch den mittleren Separator 70 in einer derartigen Weise ausgebildet, dass sie sich entlang einer entsprechenden Seite von seinen vier Seiten erstrecken, und jedes der viereckigen Löcher 705 bis 708 ist durch den mittleren Separator 70 an einer entsprechenden Ecke von seinen vier Ecken ausgebildet. Ein konkaver Abschnitt 711 mit einem im Allgemeinen rechtwinkligen Außenumfang ist an einer Oberfläche des mittleren Separators 70 ausgebildet, die der Kathode 33 der MEA 30 der einzelnen Zelle 21 zugewandt ist. Der konkave Abschnitt 711 steht mit den Langlöchern 701 bis 704 in Verbindung. Oxydationsgas wird von dem Langloch 701 zu der einzelnen Zelle 21 geführt, strömt durch den konkaven Abschnitt 711 d. h. durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 und wird von dem Langloch 703 abgegeben. Alternativ wird Oxydationsgas von dem Langloch 702 zu der einzelnen Zelle 21 geliefert strömt durch den konkaven Abschnitt 711, d. h. durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 und wird von dem Langloch 704 abgegeben. Wie dies in 4 gezeigt ist, ist ein konkaver Abschnitt 710 mit einem im Allgemeinen rechtwinkligen Außenumfang auch an der anderen Fläche des mittleren Separators 70 ausgebildet, die der Anode 32 der MEA 30 der einzelnen Zelle 22 zugewandt ist. Der konkave Abschnitt 710 steht mit den viereckigen Löchern 705 und 706 in Verbindung. Brennstoffgas wird von dem viereckigen Loch 705 zu der einzelnen Zelle 22 geliefert, strömt durch den konkaven Abschnitt 710 d. h. durch den zweiten Einzelzelleninnengaskanal 72 und wird von dem viereckigen Loch 706 abgegeben.
  • Jedes der Langlöcher 801 bis 804 ist durch den Endseparator 80 in einer derartigen Weise ausgebildet, dass es sich entlang einer entsprechenden Seite seiner vier Seiten erstreckt, und jedes der viereckigen Löcher 805 bis 808 ist durch den Endseparator 80 an einer entsprechenden Ecke von seinen vier Ecken ausgebildet. Ein konkaver Abschnitt 811 mit einem im Allgemeinen rechtwinkligen Außenenumfang ist an einer Fläche des Endseparators 80 ausgebildet, die der Kathode 32 der MEA 30 der einzelnen Zelle 22 zugewandt ist. Der konkave Abschnitt 811 steht mit den Langlöchern 801 bis 804 in Verbindung. Oxydationsgas wird von dem Langloch 801 zu der einzelnen Zelle geliefert, strömt durch den konkaven Abschnitt 811 d. h. durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 81 und wird von dem Langloch 803 abgegeben. Alternativ wird Oxidationsgas von dem Langloch 802 zu der einzelnen Zelle 220 geliefert, strömt es durch den konkaven Abschnitt 811 d. h. durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 81 und wird von dem Langloch 804 abgegeben. Die andere Fläche des Endseparators 80 ist als eine ebene Fläche ausgebildet.
  • Jeder der konkaven Abschnitte 610, 611, 710, 711, 811 hat eine Vielzahl an kleinen Vorsprüngen. Bspw. sind kleine Vorsprünge 720 allgemein in der Form eines Würfels oder eines rechtwinkligen Parallelepipeden gemäß einer Kreisdarstellung in 3 in dem konkaven Abschnitt 711 des mittleren Separators 70 wie ein Gitter ausgebildet. Die kleinen Vorsprünge 720 sind derart ausgebildet, dass ihre Führungsrandabschnitte in Kontakt mit der Kathode 33 der MEA 30 der einzelnen Zelle 21 stehen. Die Bereiche, bei denen die Führungsrandabschnitte in Kontakt mit der Kathode 33 stehen, sicher die Leitfähigkeit. Durch die konkaven Abschnitte 711 d. h. durch den ersten Einzelleninnengaskanal 71 strömendes Oxidationsgas trifft auf die Seitenflächen der kleinen Vorsprünge 720 auf und wird dadurch in dem ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 zerstreut. Da darüber hinaus die kleinen Vorsprünge 720 wie ein Gitter angeordnet sind, kann das Oxydationsgas auch in einer Richtung von dem Langloch 711 zu dem Langloch 703 oder in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht dazu steht, d. h. in einer Richtung von dem Langloch 702 zu dem Langloch 704 strömen.
  • Der Stapel 40 besteht aus einer Vielzahl der laminierten Zellenmodule 20 und ist vollendet, indem aufeinanderfolgend eine Stromsammlerplatte 11, eine Isolierplatte 13 und eine Endplatte 15 an einem Ende des Zellenmoduls 20 und eine Stromsammlerplatte 12, eine Isolierplatte 14 und eine Endplatte 16 an dem anderen Ende des Zellenmoduls 20 angeordnet sind. Die Stromsammlerplatten 11 und 12 sind aus einem leitfähigen Element ausgebildet, das gegenüber Gas undurchlässig ist, wie bspw. kompakter Kohlenstoff, eine Kupferplatte oder dergleichen. Die Isolierplatten 13 und 14 sind aus einem Isolierelement wie bspw. Gummi, Harz oder dergleichen ausgebildet. Die Endplatten 15 und 16 sind aus einem Metall wie bspw. unelastischer Stahl oder dergleichen ausgebildet. Die Stromsammlerplatten 11 und 12 haben Abgabeanschlüsse 11a bzw. 12a, so dass eine in der Brennstoffzelle 10 erzeugte elektromotorische Kraft ausgegeben werden kann. Die Endplatten 15 und 16 beaufschlagen den Stapel 40 in der Laminierrichtung mittels einer (nicht gezeigten) Druckbeaufschlagungsvorrichtung mit Druck und halten somit den Stapel 40.
  • In dem Stapel 40 sind die Langlöcher 601, 701 und 801 in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine erste Oxydationsgasliefersammelleitung M1 ausgebildet ist. Die Langlöcher 602, 702 und 802 sind in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine zweite Oxydationsgasliefersammelleitung M2 ausgebildet ist. Die Langlöcher 603, 703 und 803 sind in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine erste Oxydationsgasabgabesammelleitung M3 ausgebildet ist. Die Langlöcher 604, 704 und 804 sind in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine zweite Oxydationsgasabgabesammelleitung M4 ausgebildet ist. Zu der ersten Oxydationsgasliefersammelleitung M1 oder der zweiten Oxydationsgasliefersammelleitung M2 geliefertes Oxydationsgas strömt durch die ersten Einzelzelleninnengaskanäle 71 und 81 und wird dann in der ersten Oxydationsgasabgabesammelleitung M3 oder der zweiten Oxydationsgasabgabesammelleitung M4 gesammelt und von diesen abgegeben. Die viereckigen Löcher 605, 705 und 805 sind in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine Brennstoffgasliefersammelleitung M5 ausgebildet ist. Die viereckigen Löcher 606, 706 und 806 sind in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine Brennstoffgasabgabesammelleitung M6 ausgebildet ist. Zu der Brennstoffgasliefersammelleitung M5 geliefertes Brennstoffgas strömt durch die zweiten Einzelzelleninnengaskanäle 62 und 72 und wird dann gesammelt und von der Brennstoffgasabgabesammelleitung M6 abgegeben. Darüber hinaus sind die viereckigen Löcher 607, 707 und 807 in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine Kühlmittelliefersammelleitung M7 ausgebildet ist. Die viereckigen Löcher 608. 708 und 808 sind in der Laminierrichtung ausgerichtet, wodurch eine Kühlmittelabgabesammelleitung M8 ausgebildet ist. Zu der Kühlmittelliefersammelleitung M7 geliefertes Kühlmittel strömt durch den Kühlmittelkanal 63 und wird dann gesammelt und wird von der Kühlmittelabgabesammelleitung M8 abgegeben.
  • Das Oxydationsgaslieferrohr 41 zweigt in zwei Verzweigungsrohre von der Oxydationsgasliefer-Abgabevorrichtung 410 für ein Liefern und Abgeben von Oxydationsgas (in diesem Falle Druckluft) ab und ist mit der ersten Oxydationsgasliefersammelleitung M1 und der zweiten Oxydationsgasliefersammelleitung M2 verbunden. Ein erstes elektromagnetisches Ventil B1 ist in dem Verzweigungsrohr eingebaut, das sich zu der ersten Oxydationsgasliefersammelleitung M1 erstreckt. Ein zweites elektromagnetisches Ventil B2 ist in dem Abzweigungsrohr eingebaut, das sich zu der zweiten Oxydationsgasliefersammelleitung M2 erstreckt. Andererseits sind Abzweigungsrohre, die sich von der ersten Oxydationsgasabgabesammelleitung M3 und der zweiten Oxydationsgasabgabesammelleitung M4 erstrecken, in dem Oxydationsgasabgaberohr 42 zusammengebaut, das mit der Oxydationsgaslieferabgabevorrichtung 410 verbunden ist. Ein drittes elektromagnetisches Ventil B3 ist in dem Abzweigungsrohr eingebaut, das sich von der ersten Oxydationsgasabgabesammelleitung M3 erstreckt. Ein viertes elektromagnetisches Ventil B4 ist in dem Abzweigungsrohr eingebaut, das sich von der zweiten Oxydationsgasabgabesammelleitung M4 erstreckt.
  • Das Brennstoffgaslieferrohr 43 ist mit der Brennstoffgasliefersammelleitung M5 von der Brennstoffgaslieferabgabevorrichtung 430 für ein Liefern und Abgeben von Brennstoffgas (in diesem Fall Wasserstoffgas) verbunden. Das Brennstoffgasabgaberohr 44 ist mit der Brennstoffgaslieferabgabevorrichtung 430 von der Brennstoffgasabgabesammelleitung M6 verbunden.
  • Das Kühlmitteleinführrohr 45 ist mit der Kühlmittelliefersammelleitung M7 von der Kühlmittellieferabgabevorrichtung 450 für ein Liefern und Abgeben von Kühlmitteln (in diesem Fall Kühlwasser) verbunden. Das Kühlmittelabgaberohr 46 ist mit der Kühlmittellieferabgabevorrichtung 450 von der Kühlmittelabgabesammelleitung M8 verbunden.
  • Die in 5 gezeigte Steuervorrichtung 50 ist aus einem Mikrocomputer mit einer bekannten CPU, einem bekannten ROM, einem RAM und dergleichen aufgebaut. Wie dies in 5 gezeigt ist, ist die Steuervorrichtung 50 derart verbunden, dass ein Erfassungssignal von einem Spannungsmesser 49 zum Erfassen einer Abgabespannung des Stapels 40 zu der Steuervorrichtung 50 eingegeben wird, dass Steuersignale zu dem ersten elektromagnetischen Ventil 31 und dem zweiten elektromagnetischen Ventil 32 ausgegeben werden, die in den Abzweigungsrohren des Oxydationsgaslieferrohr 41 eingebaut sind, und das Steuersignale zu dem dritten elektromagnetischen Ventil B3 und dem vierten elektromagnetischen Ventil B4 ausgegeben werden, die in den Abzweigungsrohren des Oxydationsgasabgaberohrs 42 eingebaut sind.
  • Nachstehend ist eine Schaltsteuerung zum Schalten der Strömung des Oxydationsgases unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 6 beschrieben. Diese Steuerung wird durch die Steuervorrichtung 50 des vorliegenden Ausführungsbeispiels in Intervallen von vorbestimmten Zeitspannen (bspw. einige Millisekunden) ausgeführt. Wenn die Schaltsteuerung gestartet wird, liest die Steuervorrichtung 50 zunächst eine von dem Spannungsmesser 49 erfasste Abgabespannung (siehe Schritt S100) und bestimmt auf der Grundlage dieser Abgabespannung, ob ein Fluten aufgetreten ist oder nicht, d. h. ob die ersten Einzelzelleninnengaskanäle 71 und 82 zu nass geworden sind der nicht (siehe Schritt S110). Bspw. in dem Fall, bei dem ein Fluten aufgetreten ist, ist es aus Erfahrung bekannt, dass die Schwankung der Abgabespannung einen vorbestimmten Schwankungsbereich beschreiten kann. Folglich kann, wenn die Schwankung der Abgabespannung den vorbestimmte Spannungsbereich überschritten hat, in geeignete Weise ein Auftreten eines Flutens abgeschätzt werden. In diesem Fall ist geeigneterweise die Schwankung der Abgabespannung eine Differenz zwischen einer gegenwärtigen Abgabespannung und einer letzten Abgabespannung oder die Schwankung der Abgabespannung eine Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert in einer Zeitbreite, die dem gegenwärtigen Augenblick um eine vorbestimmte Zeitspanne voranschreitet. Wenn ein Fluten nicht aufgetreten ist, wird das vorliegende Programm sofort beendet. Wenn ein Fluten aufgetreten ist, werden Steuersignale zu den elektromagnetischen Ventilen B1 bis B4 ausgegeben (siehe Schritt S120), um so die Strömungsrichtung des Oxydationsgases von einer gegenwärtigen Richtung zu einer Richtung zu schalten, die im Wesentlichen senkrecht zu dieser steht. Dann ist das vorliegende Programm beendet.
  • Das Schalten der Strömungsrichtung des Oxydationsgases ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 7A und 7B beschrieben. Die 7A und 7B zeigen Draufsichten auf den mittleren Separator 70 unter Betrachtung von der Seite des ersten Einzelzelleninnengaskanals 71. 7A zeigt eine erste Gasströmungsrichtung. 7B zeigt eine zweite Gasströmungsrichtung. Zunächst wird angenommen, dass das erste elektromagnetische Ventil B1 und das dritte elektromagnetische Ventil B3 geschlossen sind und dass das zweite elektromagnetische Ventil B2 und das vierte elektromagnetische Ventil B4 geöffnet sind (siehe 7A). In diesem Fall strömt Oxydationsgas horizontal von dem Langloch 702 durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 und wird von dem Langloch 704 abgegeben.
  • Wenn hierbei angenommen wird, dass die Strömungsrichtung des Gases bei Schritt S120 geschaltet wird, gibt die Steuervorrichtung 50 Steuersignale zu den elektromagnetischen Ventilen B1 bis B4 ab, um so das erste elektromagnetische Ventil B1 und das dritte elektromagnetische Ventil B3 zu öffnen und das zweite elektromagnetische Ventil B2 und das vierte elektromagnetische Ventil B4 zu schließen (s. 7B). Dadurch strömt das Oxidationsgas vertikal von dem Langloch 701 durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 und wird von dem Langloch 703 abgegeben. Das heißt, die Strömungsrichtung des Oxidationsgases ist von der horizontalen Richtung zu der vertikalen Richtung geschaltet, die im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Richtung steht.
  • Ein Zustand des ersten Einzelzelleninnengaskanals 71 in dem Fall des Flutens ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 8A und 8B beschrieben. Die 8A und 8B zeigen ausschnittartige vergrößerte Ansichten des ersten Einzelzelleninnengaskanals 711 des mittleren Separators 70. Da die kleinen Vorsprünge 720 von der Oberfläche des ersten Einzelzelleninnengaskanals 71 wie ein Gitter ansteigen, neigt in dem Kanal 71 erzeugtes Wasser dazu, sich an den kleinen Vorsprüngen 720 anzusammeln. Wenn bspw. Oxidationsgas horizontal strömt, wird an den kleinen Vorsprüngen 720, die vertikal angeordnet sind, sich ansammelndes erzeugtes Wasser W1 entlang der Strömung des Oxidationsgases entfernt, wie dies in 8A gezeigt ist. Jedoch wird durch die umgebenden kleinen Vorsprünge 720 verhindert, dass sich das an den kleinen Vorsprüngen 720 angesammelte erzeugte Wasser W2 zusammen mit der Strömung des Oxidationsgases bewegt, wobei es somit verbleibt, ohne entfernt zu werden. Das ist der Zustand, bei dem ein Fluten aufgetreten ist. Wenn ein hierbei erwähntes Fluten auftritt, wird eine Zunahme der Schwankung der Abgabespannung oder dgl. bewirkt. In diesem Fall kann die Schwankung der Abgabespannung einen vorbestimmten Schwankungsbereich überschreiten.
  • Wenn bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie dies unter Bezugnahme auf die 7A und 7B beschrieben ist, ein Fluten aufgetreten ist, wird die Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu einer Richtung geschaltet, die im Wesentlichen senkrecht zu dieser steht. Folglich wird gemäß der Darstellung von 8B das erzeugte Wasser W2, das verbleibt, ohne in 8A entfernt zu werden, zusammen mit der gestalteten Strömung des Oxidationsgases entfernt. Somit ist das Fluten beseitigt. Selbst wenn das Öffnen und Schließen der elektromagnetischen Ventile B1 bis B4 geschaltet worden ist, kann es eine Weile dauern, bis das Fluten beseitigt ist. Somit kann die Steuervorrichtung mit der Schaltsteuerung das nächste Mal unter Berücksichtigung einer Zeitspanne starten, die für das Beseitigen des Flutens erforderlich ist.
  • Nunmehr wird klar gestellt, wie die Komponenten oder Bauteile des vorliegenden Ausführungsbeispiels den Komponenten oder Bauteilen der Erfindung entsprechen. Das erste bis vierte elektromagnetische Ventil B1 bis B4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann als die Schalteinrichtung der Erfindung erachtet werden. Die Steuervorrichtung 50 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann als die Steuereinrichtung der Erfindung erachtet werden.
  • Wenn gemäß der Brennstoffzelle 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, die vorstehend detailliert beschrieben ist, ein Fluten in den ersten Einzelzelleninnengaskanälen 71 und 81 aufgetreten ist, wird die Strömungsrichtung des Oxidationsgases in den ersten Einzelzelleninnengaskanälen 71 und 81 in geeigneter Weise von einer gegenwärtigen Strömungsrichtung zu einer anderen Strömungsrichtung geschaltet, die im Wesentlichen senkrecht zu dieser steht. Folglich wird selbst dann, wenn die kleinen Vorsprünge 720 eine Bewegung des erzeugten Wassers W2 in der gegenwärtigen Strömungsrichtung gemäß 8A verhindern, die Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu einer anderen Strömungsrichtung gestaltet, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der gegenwärtigen Strömungsrichtung in 8B erstreckt, wodurch es möglich wird, mit Leichtigkeit das erzeugte Wasser W2 zusammen mit der geschalteten Strömung des Gases zu entfernen. Dem gemäß kann das erzeugte Wasser in den ersten Einzelzelleninnengaskanälen 71 und 81 effizient entfernt werden.
  • Bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel wird außerdem in geeigneter Weise bewirkt, dass das Oxidationsgas gemäß 7B nach unten strömt, d. h. in einer Richtung, die ein leichtes Abgeben des erzeugten Wassers aufgrund der Schwerkraft ermöglicht, und außerdem wird in geeigneter Weise die Strömungsrichtung des Oxidationsgases vorübergehend auf die horizontale Richtung gemäß 7A lediglich im Ansprechen auf das Auftreten eines Flutens geschaltet. Somit wird selbst dann, wenn eine große Menge an Wasser in der Kathode 33 wie in dem Fall einer hohen Abgabe der Brennstoffzelle erzeugt wird, das erzeugte Wasser normal durch die Schwerkraft abgegeben und ein Fluten wird beseitigt, indem die Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu der horizontalen Richtung lediglich im Ansprechen auf das Auftreten eines Flutens geschaltet wird. Daher kann das erzeugte Wasser effizient entfernt werden.
  • Bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel wird in Abhängigkeit davon, ob die Schwankung der Abgabespannung den vorbestimmten Schwankungsbereich überschritten hat oder nicht, bestimmt, ob ein Fluten aufgetreten ist oder nicht. Jedoch kann in geeigneter Weise ebenfalls auf der Grundlage eines Ergebnisses eines Vergleichs zwischen der Abgabespannung des Stapels 40 und einer vorbestimmten zuvor eingestellten Spannung oder auf der Grundlage eines Ergebnisses eines Vergleichs zwischen einer Impedanz des Stapels 40 und einer zuvor eingestellten vorbestimmten Impedanz bestimmt werden, ob ein Fluten aufgetreten ist. Es ist ebenfalls geeignet, dass diese Bestimmung auf der Grundlage einer geeigneten Kombination der Ergebnisse durchgeführt wird.
  • Wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 gleich wie oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, ist die Menge an in dem Reaktionsgas enthaltenem gesättigtem, wässrigem Dampf gering, und es kann somit Kondensat in den Einzelzelleninnengaskanälen erzeugt werden. Folglich kann selbst dann, wenn ein Kondensat erzeugt worden ist, dieses entfernt werden, indem die Strömungsrichtung des Gases regulär oder irregulär geschaltet wird. Bspw. kann die Steuervorrichtung 50 eine in 9 gezeigte Schaltsteuerung bei Intervallen einer vorbestimmten Zeitspanne (bspw. einige Millisekunden) ausführen.
  • Wenn diese Schaltsteuerung gestartet wird, liest die Steuervorrichtung 50 zunächst eine Betriebstemperatur (s. Schritt S200) und bestimmt, ob die Betriebstemperatur gleich wie oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur (bspw. 60°C) ist oder nicht (s. Schritt S210). Wenn die Betriebstemperatur gleich wie oder geringer als die vorbestimmte Temperatur ist, bestimmt die Steuervorrichtung 550, ob eine Niedrigtemperaturmarke auf „1” gesetzt worden ist oder nicht (s. Schritt S220). Wenn die Niedrigtemperaturmarke auf „0” gesetzt worden ist, wird sie auf „1” gesetzt, und eine vorbestimmte Zeitspanne tc wird für ein Zeitglied so gesetzt, dass ein Herunterzählvorgang gestartet wird (s. Schritt S230). Dann wird das gegenwärtige Programm beendet. Es sollte hierbei beachtet werden, dass die Niedrigtemperaturmarke so gestaltet ist, dass sie anzeigt, dass die Betriebstemperatur gleich wie oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur ist. D. h., wenn die Niedrigtemperaturmarke auf „1” gesetzt ist, zeigt sie an, dass die Betriebstemperatur gleich wie oder geringer als die vorbestimmte Temperatur ist. Wenn die Niedrigtemperaturmarke auf „1” bei Schritt S220 gesetzt wird, bestimmt die Steuervorrichtung 50, ob das Zeitglied 0 anzeigt oder nicht (s. Schritt S240). Wenn das Zeitglied nicht 0 anzeigt, wird das vorliegende Programm beendet. Wenn das Zeitglied 0 anzeigt, wird geschlussfolgert, dass die Betriebstemperatur die vorbestimmte Zeitspanne tc lang gleich wie oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur geblieben ist, was eine Möglichkeit eines Erzeugen eines Kondensats einschließt. Folglich wird die Strömungsrichtung des Gases geschaltet (s. Schritt S250). Nachdem die Strömungsrichtung des Gases geschaltet worden ist, oder wenn die Betriebstemperatur nicht gleich wie oder geringer als die vorbestimmte Temperatur ist, werden die Niedrigtemperaturmarke und das Zeitglied gelöscht (s. Schritt S260). Dann wird das vorliegende Programm beendet. Als ein Ergebnis wird die Strömungsrichtung des Gases jedes Mal dann regulär geschaltet, wenn die vorbestimmte Zeitspanne tc abgelaufen ist, wenn die Betriebstemperatur gleich wie oder geringer als die vorbestimmte Temperatur ist. Somit kann, selbst wenn ein Kondensat erzeugt worden ist, dieses entfernt werden. in geeigneter Weise wird die Betriebstemperatur bspw. von einem Temperaturerfassungssensor gelesen, der an einer vorbestimmten Position des Stapels 40 eingebaut ist oder sie wird erhalten, indem die Temperatur eines Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle mittels eines Temperaturerfassungssensors erfasst wird.
  • Darüber hinaus wird bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel die Strömungsrichtung des Oxidationsgases geschaltet. Jedoch ist es auch geeignet, die Strömungsrichtung des Brennstoffgases anstatt die Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu schalten. Bspw. kann bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel der Aufbau der Liefer-Abgabe-Bahnen für das Oxidationsgas und der Aufbau der Liefer-Abgabe-Bahnen für das Brennstoffgas ausgetauscht werden. In diesem Fall kann erzeugtes Wasser in den Einzelzelleninnengaskanälen für das Brennstoffgas effizient entfernt werden.
  • Alternativ ist es ebenfalls geeignet, dass sowohl die Strömungsrichtung des Oxidationsgases als auch die Strömungsrichtung des Brennstoffgases geschaltet wird. Bei einem beispielartigen Fall des mittleren Separators 70 sind die beiden Langlöcher 701 und 731, die beiden Langlöcher 702 und 732, die beiden Langlöcher 703 und 733 und die beiden Langlöcher 704 und 734 jeweils an einer entsprechenden Seite der Seiten des mittleren Separators 70 ausgebildet, wie dies in den 10A und 10B gezeigt ist, die eine Fläche bzw. die andere Fläche des mittleren Separators 70 zeigen. Bei diesem beispielartigen Fall kann die Strömungsrichtung des Oxidationsgases zwischen der Gasströmungsrichtung von dem Langloch 701 durch den konkaven Abschnitt 711 (der Einzelzelleninnengaskanal 71) zu dem Langloch 703 und der Gasströmungsrichtung von dem Langloch 702 durch den konkaven Abschnitt 711 (der Einzelzelleninnengaskanal 71) zu dem Langloch 704 durch ein Steuern der elektromagnetischen Ventile B1 bis B4 mittels der Steuervorrichtung 50 geschaltet werden. Bei diesem beispielartigen Fall kann die Strömungsrichtung des Brennstoffgases zwischen der Gasströmungsrichtung von dem Langloch 731 über den konkaven Abschnitt 710 (zweiter Einzelzelleninnengaskanal 72) zu dem Langloch 733 und der Gasströmungsrichtung von dem Langloch 732 über den konkaven Abschnitt 710 (zweiter Einzelzelleninnengaskanal 72) zu dem Langloch 734 durch ein Steuern der elektromagnetischen Ventile B31 bis B34 mittels der Steuervorrichtung 50 geschaltet werden. In diesem Fall kann erzeugtes Wasser in den Einzelzelleninnengaskanälen für beide Gase wirksam entfernt werden. Es ist ebenfalls hierbei geeignet, dass eine Schaltsteuerung derart ausgeführt wird, dass die Strömungsrichtungen des Oxidationsgases und des Brennstoffgases in konstanter Weise eine Gegenströmungsbeziehung errichten (d. h. Oxidationsgas und das Brennstoffgas strömen in entgegengesetzte Richtungen). Somit kann die Verteilung des Wassers in der Ebene der MEA 30 im Wesentlichen homogenisiert werden.
  • [Zweites Ausführungsbeispiel]
  • Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen im ersten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme identisch, dass die ersten Einzelzelleninnengaskanäle 71 und 81, durch die das Oxidationsgas strömt, unterschiedlich aufgebaut sind. Ein beispielartiger Fall des ersten Einzelzelleninnengaskanals 71 ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 11A und 11B beschrieben, wobei die Beschreibung ausgelassen wird.
  • Wie dies in 11 gezeigt ist, ist jedes der Langlöcher 741 bis 744 durch den mittleren Separator 70 als ein Bestandteil des Zellenmoduls 20 entlang einer entsprechenden von seinen vier Seiten ausgebildet. Ein konkaver Abschnitt 745 mit einem im allgemeinen länglichen Außenumfang ist an einer Fläche des mittleren Separators 70 ausgebildet, die der Kathode der einzelnen Zelle zugewandt ist. Der konkave Abschnitt 745 steht mit den Langlöchern 741 bis 744 in Verbindung. Obwohl dies nicht gezeigt ist, erheben sich kleine Vorsprünge, die im Wesentlichen mit jenen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, von der Oberfläche des konkaven Abschnitts 745 wie ein Gitter. Oxidationsgas wird zu der einzelnen Zelle geliefert, wobei es entweder horizontal von dem Langloch 742 durch den konkaven Abschnitt 745 strömt, d. h. durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71, und von dem Langloch 744 (s. 11A) ausströmt, oder vertikal von dem Langloch 741 durch den konkaven Abschnitt 745 strömt, d. h. durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71, und von dem Langloch 743 (s. 11B) ausströmt. Wenn ein Vergleich hierbei zwischen der erstgenannten Strömungsrichtung des Gases und der letztgenannten Strömungsrichtung des Gases durchgeführt wird, ist in dem Fall der erstgenannten Strömungsrichtung des Gases der erste Einzelzelleninnengaskanal 71 länger und schmaler als in dem Fall der letztgenannten Gasströmungsrichtung. Der Grund ist, dass der konkave Abschnitt 745 mit einer horizontalen Länge L1 ausgebildet ist, die länger als eine vertikale Länge L2 ist. Es sollte hierbei beachtet werden, dass der mittlere Separator 70 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die viereckigen Löcher 705 und 706, durch die das Brennstoffgas strömt, und die viereckigen Löcher 707 und 708 hat, durch die das Kühlmittel strömt, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
  • Nachstehend ist eine Schaltsteuerung zum Schalten der Strömungsrichtung des Oxidationsgases gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf ein in 12 gezeigtes Flussdiagramm beschrieben. Diese Schaltsteuerung wird durch die Schaltvorrichtung 40 bei Intervallen einer vorbestimmten Zeitspanne ausgeführt. Wenn diese Schaltsteuerung gestartet wird, bestimmt die Steuervorrichtung 50 zunächst, ob die Stromabgabe der Brennstoffzelle eine geringe Abgabe oder eine hohe Abgabe ist (s. Schritt S300). In dem Fall einer geringen Abgabe werden das erste elektromagnetische Ventil B1 und das dritte elektromagnetische Ventil B3 geschlossen und das zweite elektromagnetische Ventil B2 und das vierte elektromagnetische Ventil B4 werden geöffnet, wodurch bewirkt wird, dass Oxidationsgas durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 in der in 11A gezeigten Strömungsrichtung (d. h. in der horizontalen Richtung) strömt (s. Schritt S310). Andererseits werden im Falle einer hohen Abgabe das erste elekromagnetische Ventil B1 und das dritte elektromagnetische Ventil B3 geöffnet und das zweite elektromagnetische Ventil B2 und das vierte elektromagnetische Ventil B4 werden geschlossen, wodurch bewirkt wird, dass Oxidationsgas durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 in der in 11B gezeigten Strömungsrichtung (d. h. in der vertikalen Strömungsrichtung) strömt (s. Schritt S320). Nachdem eine der Gasströmungsrichtungen bei Schritt S310 oder bei Schritt S320 bestimmt worden ist, bestimmt die Steuervorrichtung 50 im Wesentlichen in der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, ob ein Fluten aufgetreten ist oder nicht (s. Schritt S330). Wenn kein Fluten aufgetreten ist, wird das gegenwärtige Programm sofort beendet. Wenn andererseits ein Fluten aufgetreten ist, schaltet die Steuervorrichtung 50 die Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu der anderen Strömungsrichtung (s. Schritt S340). Die Steuervorrichtung 50 bestimmt dann, ob das Fluten beseitigt worden ist oder nicht (s. Schritt S350). Wenn das Fluten nicht beseitigt worden ist, wartet die Steuervorrichtung 50 ohne Ausführen von jeglichen weiteren Prozessen. Wenn das Fluten beseitigt worden ist, läßt die Steuervorrichtung 50 die Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu der ursprünglichen Strömungsrichtung zurückkehren (Schritt 360), wodurch das gegenwärtige Programm beendet wird.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine der Strömungsrichtungen des Gases, die dem längeren oder schmäleren Kanal entspricht, in dem Fall einer geringen Abgabe gewählt. Dies bringt eine Erhöhung der Strömungsrate, des Gasdiffusionsvermögens und des Gasausnutzungsverhältnisses mit sich. Des Weiteren wird eine der Gasströmungsrichtungen, die dem kürzeren und breiteren Kanal entspricht, im Falle einer hohen Abgabe gewählt. Dies bringt eine Abnahme des Gasdruckverlustes mit sich. Darüber hinaus wird, wenn ein Fluten aufgetreten ist, die gegenwärtige Gasströmungsrichtung vorübergehend auf die andere Strömungsrichtung geschaltet, die im Wesentlichen senkrecht zu dieser steht. Somit wird in dem ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 erzeugtes Wasser effizient entfernt.
  • Wie dies in 13 gezeigt ist, ist es ebenfalls in dem Fall einer geringen Abgabe geeignet, dass das erste elektromagnetische Ventil B1 geringfügig geöffnet ist, anstatt dass es geschlossen ist. D. h. es ist außerdem geeignet, eine Liefer-Abgabe-Steuerung derart auszuführen, dass Oxidationsgas zu dem ersten Einzelzelleninnengaskanal 71 von sowohl dem Langloch 742, das während der horizontalen Gasströmung als eine Gaslieferöffnung dient, als auch dem Langloch 741, das als eine Gaslieferöffnung während der vertikalen Gasströmung dient, geliefert wird und das Oxidationsgas von dem Langloch 744, das als eine Gasabgabeöffnung während der horizontalen Gasströmung dient, abgegeben wird. Somit kann die Strömungsrate des zu jeder Gaslieferöffnung gelieferten Gases im Vergleich zu einem Fall verringert werden, bei dem das Oxidationsgas von einer einzelnen Gaslieferöffnung geliefert wird. Als ein Ergebnis wird es unwahrscheinlich, dass die stromaufwärtige Seite des ersten Einzelzelleninnengaskanals 71 trocken wird. Darüber hinaus kommt das von dem Langloch 741 gelieferte Oxidationsgas an der stromabwartigen Seite des ersten Einzelzelleninnengaskanals 71 zusammen. Somit kann verhindert werden, dass die Gaskonzentration an der stromabwärtigen Seite verringert wird. Diese Liefer-Abgabe-Steuerung kann außerdem bei einem Aufbau aufgegriffen werden, bei dem die Länge und die Breite eines Kanals der ersten Strömungsrichtung des Gases eine Länge und eine Breite eines Kanals der zweiten Strömungsrichtung des Gases wie in dem Fall bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind. Auch in diesem Fall kann der gleiche Effekt im Wesentlichen erzielt werden.
  • [Drittes Ausführungsbeispiel]
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel wird verwirklicht, indem ein anderer Kühlmittelkanal bei dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgegriffen wird. Die 14A und 14B zeigen Draufsichten auf den Kühlseparatar 60, der von der Seite des Kühlmittelkanals betrachtet wird. 14A zeigt eine erste Strömungsrichtung des Kühlmittels. 14B zeigt eine zweite Strömungsrichtung des Kühlmittels. Wie dies in den 14A und 14B gezeigt ist, sind die viereckigen Löcher 607 und 608, durch die das Kühlmittel strömt, nicht in dem Kühlseparator 60 ausgebildet. Statt dessen ist jedes der Lampenlöcher 651 bis 654 für ein Liefern und Abgeben des Kühlmittels durch den Kühlseparator 60 entlang einer von seinen vier Seiten ausgebildet. In ähnlicher Weise ist jedes der Langlöcher 641 bis 644 durch den Kühlseparator 60 entlang einer Seite von seinen vier Seiten ausgebildet. Diese Langlöcher stehen mit den Langlöchern 741 bis 744 (bereits erwähnt) des mittleren Separators 70 in der Laminierrichtung in Verbindung. Ein konkaver Abschnitt 655 mit einem im Allgemeinen länglichen Außenumfang ist an einer Fläche des Kühlseparators 60 ausgebildet, die nicht der Anode der einzelnen Zelle zugewandt ist. Der konkave Abschnitt 655 steht mit den Langlöchern 651 bis 654 in Verbindung. Ein Kühlmittel wird zu dem Zellenmodul 20 geliefert, wobei es entweder dem Langloch 652 über den konkaven Abschnitt 655 d. h. durch den Kühlmittelkanal 63 horizontal strömt und von dem Langloch 654 abgegeben wird (siehe 14A) oder indem es von dem Langloch 651 durch den konkaven Abschnitt 655 d. h. durch den Kühlmittelkanal 63 vertikal strömt und von dem Langloch 653 abgegeben wird (siehe 14B).
  • Das Kühlmitteleinführrohr 45 zweigt in zwei Verzweigungsrohre ab, die mit den Langlöchern 651 bzw. 652 verbunden sind.
  • Elektromagnetische Ventile B51 und B52 sind jeweils in den Verzweigungsrohren eingebaut. Andererseits sind sich von den Langlöchern 653 und 654 erstreckende Verzweigungsrohre in dem Kühlmittelabgaberohr 46 als ein einzelnes Rohr zusammengebaut. Elektromagnetische Ventile B53 und B54 sind jeweils in den Verzweigungsrohren eingebaut.
  • Die Schaltsteuerung, die durch die Steuervorrichtung 50 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bei Intervallen einer vorbestimmten Zeitspanne so ausgeführt wird, dass die Strömungsrichtung des Oxydationsgases geschaltet wird, ist im Wesentlichen die gleiche wie in dem Fall des zweiten Ausführungsbeispiels. Diese Schaltsteuerung ist durch das in 12 gezeigte Flussdiagramm dargelegt. Jedoch wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Steuerung des Weiteren derart ausgeführt, dass die Strömungsrichtungen des Oxydationsgases und des Kühlmittels miteinander zusammenfallen. Und das heißt wenn die Strömungsrichtung des Oxydationsgases als die in 11A gezeigte horizontale Richtung bei Schritt S310 eingestellt ist, wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels ebenfalls als die in 14A gezeigte horizontale Richtung eingestellt. Wenn die Strömungsrichtung des Oxydationsgases als die in 11B gezeigte vertikale Richtung bei Schritt S320 eingestellt ist, wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels ebenfalls als die in 14B gezeigte vertikale Richtung eingestellt. Wenn die Strömungsrichtung des Gases bei Schritt Si340 oder bei Schritt S360 geändert wird, wird auch die Strömungsrichtung des Kühlmittels gleichzeitig so geschaltet, dass sie mit der veränderten Richtung zusammenfällt. Es sollte bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beachtet werden, dass die elektromagnetischen Ventile B51 bis B54 als dritte Schalteinrichtung der Erfindung erachtet werden können.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die stromaufwärtige Seite des Oxydationsgases durch das Kühlmittel gekühlt, das eine niedrige Temperatur hat, und wird die stromauwärtige Seite des Oxydationsgases durch das Kühlmittel gekühlt, das Wärme absorbiert hat und somit eine geringfügig höhere Temperatur erreicht hat. Folglich erfährt die stromaufwärtige Seite des Oxydationsgases einen stärkeren Temperaturabfall als die stromabwärtige Seite des Oxydationsgases. In der Regel neigt die stromaufwärtige Seite des Gases dazu, dass sie trocken wird, und die stromabwärtige Seite des Gases neigt dazu, dass sie nass wird. Da jedoch in diesem Fall der Taupunkt durch das Verringern der Temperatur an der stromaufwärtigen Seite des Gases verringert ist, ist es unwahrscheinlich, dass die stromaufwärtige Seite des Gases trocken wird. Außerdem ist es unwahrscheinlich, dass die stromabwärtige Seite des Gases nass wird, da der Taupunkt durch das Erhöhen der Temperatur an der stromabwärtigen Seite des Gases erhöht worden ist.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel strömt das Kühlmittel horizontal in dem Falle einer geringen Abgabe der Brennstoffzelle und es strömt vertikal in dem Falle einer hohen Abgabe. Jedoch ist es ebenfalls geeignet, dass die Wärmeübertragungsfähigkeit verbessert wird, indem eine vertikale Strömung des Kühlmittels entsprechend der kürzeren Länge des Kühlmittelkanals in dem Fall einer geringen Abgabe aufgegriffen wird und somit der Druckverlust des Kühlmittels verringert wird und indem eine horizontale Strömung des Kühlmittels entsprechend der längeren Länge des Kühlmittelkanals in dem Fall einer hohen Abgabe aufgegriffen wird und somit die Strömungsrate des Kühlmittels erhöht wird.
  • Es ist zweifellos offensichtlich, dass die Erfindung überhaupt nicht auf die vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele beschränkt ist und dass die Erfindung in verschiedenen anderen Weisen ausgeführt werden kann, so lange diese zu dem technischen Umfang der Erfindung gehören.
  • Es ist eine Brennstoffzelle offenbart, bei der eine Reaktionsgasströmungsrichtung oder eine Kühlmittelströmungsrichtung innerhalb von Einzelzelleninnengaskanälen geändert werden kann, indem die Positionen der Strömungssteuereinrichtung B1, B2, B3, B4 wie z. B. elektromagnetische Ventile geschaltet werden, um die Strömungsrichtungen und Strömungsgeschwindigkeiten gemäß Brennstoffzellenbetriebszuständen zu ändern. Das Ändern der Strömung auf verschiedene Richtungen innerhalb der Innenkanäle 71 wie bspw. zu einer zweiten Strömungsrichtung, die senkrecht zu einer ersten Strömungsrichtung ist, ermöglicht eine Steuerung der Gasströmung zum Bekämpfen eines Brennstoffzellenflutens, wobei die geänderte Gasströmung des Reaktionsteilnehmers bewirkt, dass angesammeltes Wasser von der Zelle abgegeben wird. Eine derartige Strömungsteuerung ermöglicht des Weiteren eine Steuerung der Gastemperatur und der Kühlmitteltemperatur, um die Zellenfeuchtigkeitsverteilung und Steuerung zu optimieren.

Claims (20)

  1. Brennstoffzelle, mit: einem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81), in dem Reaktionsgas durch eine einzelne Zelle (21, 22) der Brennstoffzelle (10) strömt; einer Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4; B1, B2, B3, B4, B31, B32, B33, B34) zum Schalten einer Strömungsrichtung des Reaktionsgases, das dem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zugeführt wird, von einer ersten Richtung zu einer zweiten Richtung, um die Strömungsrichtung des Reaktionsgases im Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zu ändern; und einer Steuereinrichtung (50) zum Schalten der Strömungsrichtung des Reaktionsgases, das dem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zugeführt wird, mittels der Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4; B1, B2, B3, B4, B31, B32, B33, B34) von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Richtung die erste Richtung schneidet.
  2. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei eine Vielzahl an kleinen Vorsprüngen (720) in dem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) derart ausgebildet ist, dass das Reaktionsgas durch Zwischenräume zwischen den kleinen Vorsprüngen (720) strömt.
  3. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
  4. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (50) abschätzt, ob ein Fluten aufgetreten ist und die Strömungsrichtung in dem Einzelzelleninnengaskanal mittels der Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4; B1, B2, B3, B4, B31, B32, B33, B34) schaltet, wenn abgeschätzt worden ist, dass ein Fluten aufgetreten ist.
  5. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (50) auf der Grundlage der Abgabespannung oder einer Impedanz der Brennstoffzelle abschätzt, ob ein Fluten aufgetreten ist, und die Gasströmungsrichtung in dem Einzelzelleninnengaskanal mittels der Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4; B1, B2, B3, B4, B31, B32, B33, B34) schaltet, wenn abgeschätzt worden ist, dass ein Fluten aufgetreten ist.
  6. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (50) die Gasströmungsrichtung in dem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) mittels der Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4; B1, B2, B3, B4, B31, B32, B33, B34) schaltet, wenn eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelle gleich wie oder geringer als eine vorbestimmte Temperatur ist.
  7. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Länge und eine Breite des Einzelzelleninnengaskanals (62, 71, 72, 81) sich in der ersten Richtung von einer Länge und einer Breite des Einzelzelleninnengaskanals (62, 71, 72, 81) in der zweiten Richtung unterscheidet.
  8. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 7, wobei der Einzelzelleninnengaskanal länger und schmäler in der ersten Richtung als in der zweiten Richtung ist und die Steuereinrichtung (50) die Gasströmungsrichtung auf die erste Richtung mittels der Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4) schaltet, wenn eine Abgabe der Brennstoffzelle gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Wert ist, und die Gasströmungsrichtung auf die zweite Richtung mittels der Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4) schaltet, wenn die Abgabe der Brennstoffzelle höher als der vorbestimmte Wert geworden ist.
  9. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuereinrichtung (50) die Gasströmungsrichtung in dem Einzelzelleninnengaskanal steuert, indem die Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4) gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass Gas von sowohl einer ersten Gaslieferöffnung (743), die sich in der ersten Richtung erstreckt, als auch einer zweiten Gaslieferöffnung (741) die sich in der zweiten Richtung erstreckt, geliefert wird und Gas von entweder einer ersten Gasabgabeöffnung (744), die sich in der ersten Richtung erstreckt, oder einer zweiten Gasabgabeöffnung (743), die sich in der zweiten Richtung erstreckt, abgegeben wird.
  10. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 9, wobei die Gase, die zu dem Einzelzelleninnengaskanal von der ersten Gaslieferöffnung (742) und der zweiten Gaslieferöffnung (741) geliefert werden, an einer stromabwärtigen Seite des Einzelzelleninnengaskanals kombiniert werden.
  11. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Steuereinrichtung (50) die Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4) zu dem Zeitpunkt einer geringen Abgabe der Brennstoffzelle oder während eines Nicht-Befeuchtungs-Betriebs der Brennstoffzelle steuert.
  12. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Einzelzelleninnengaskanal ein Kanal (71, 81) ist, durch den Oxidationsgas strömt.
  13. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Einzelzelleninnengaskanal ein Kanal (62, 72) ist, durch den Brennstoffgas strömt.
  14. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Einzelzelleninnengaskanäle (61, 62, 71, 72) einen ersten Einzelzelleninnengaskanal (71, 81), durch den ein Oxydationsgas geliefert wird, und einen zweiten Einzelzelleninnengaskanal haben, der an der anderen Seite des ersten Einzelzelleninnengaskanals (71, 81) jenseits einer Anode (32), einer elektrolytischen Membran (31) und einer Kathode (33) angeordnet ist und durch den Brennstoffgas geliefert wird, die Schalteinrichtungen (B1, B2, B3 B4, B31, B32, B33, B34) eine erste Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4) zum Schalten einer Gasströmungsrichtung in dem ersten Einzelzelleninnengaskanal (71, 81) und eine zweite Schalteinrichtung (B31, B32, B33, B34) zum Schalten einer Gasströmungsrichtung in dem zweiten Einzelzelleninnengaskanal (62, 72) haben und die Steuereinrichtung (50) die Gasströmungsrichtung in dem ersten Einzelzelleninnengaskanal (71, 81) oder dem zweiten Einzelzelleninnengaskanal (62, 72) mittels entweder der ersten Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4) oder der zweiten Schalteinrichtung (B31, B32, B33, B34) gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle schaltet.
  15. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 14, wobei die Steuereinrichtung (50) die erste Schalteinrichtung (B1, B2, B3, B4) und die zweite Schalteinrichtung (B31, B32, B33, B34) derart steuert, dass das Oxydationsgas durch den ersten Einzelzelleninnengaskanal (71, 81) und das Brennstoffgas durch den zweiten Einzelzelleninnengaskanal (62, 72) in entgegengesetzten Richtungen strömt.
  16. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, die des Weiteren folgendes aufweist: einen Kühlmittelkanal (63, durch den Kühlmittel zum Kühlen der einzelnen Zelle strömt; und eine dritte Schalteinrichtung (B51, B52, B53, B54) zum Schalten einer Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal (62), wobei die Steuereinrichtung (50) die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal (63) von einer dritten Richtung zu einer vierten die dritte Richtung schneidenden Richtung mittels der dritten Schalteinrichtung (B51, B52, B53, B54) schaltet, wenn die Gasströmungsrichtung von der ersten Richtung auf die zweite Richtung geschaltet wird.
  17. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 16, wobei die Steuereinrichtung (50) die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal auf eine Richtung, die mit der zweiten Richtung der Strömungsrichtung des Gases übereinstimmt, schaltet, wenn die Strömungsrichtung der ersten Richtung zu der zweiten Richtung geschaltet wird.
  18. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, wobei der Einzelzelleninnengaskanal ein Kanal (71, 81) ist, durch den Oxydationsgas strömt.
  19. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei der Kühlmittelkanal (63) kürzer und breiter in der dritten Richtung als in der vierten Richtung ist und die Steuereinrichtung (50) die Strömungsrichtung des Kühlmittels auf die dritte Richtung mittels der Schalteinrichtung (B51, B52, B53, B54) schaltet, wenn eine Abgabe der Brennstoffzelle gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Wert geworden ist, und die Strömungsrichtung des Kühlmittels auf die vierte Richtung mittels der Schalteinrichtung (B51, B52, B53, B54) schaltet, wenn eine Abgabe der Brennstoffzelle höher als der vorbestimmte Wert geworden ist.
  20. Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle, die dazu in der Lage ist, die Strömungsrichtung eines Reaktionsgases zu ändern, das einem Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zugeführt wird, um die Strömungsrichtung des Reaktionsgases im Einzelzelleninnengaskanal (62, 71, 72, 81) zu ändern, in dem das Reaktionsgas durch eine einzelne Zelle (21, 22) der Brennstoffzelle (10) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Reaktionsgases gemäß einem Betriebszustand der Brennstoffzelle (10) von einer ersten Richtung zu einer zweiten Richtung geschaltet wird, die sich mit der ersten Richtung schneidet.
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