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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Separatoreinheit und
eine Brennstoffzelle mit einer Separatoreinheit, und insbesondere
auf eine Separatoreinheit, die ein geringes Gewicht und eine kleine
Größe aufweist
und fähig
ist, ein Kühlmittel
wie z. B. Kühlwasser
so zu führen,
dass es längs
ihrer Oberfläche
strömt,
und auf eine Brennstoffzelle mit einer solchen Separatoreinheit.
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12 der beigefügten Zeichnungen
zeigt in einer perspektivischen Explosionsansicht ein Paar Einheitszellen 2 einer
typischen Brennstoffzelle 1. Wie in 12 gezeigt ist, weist die Brennstoffzelle 1 eine
gestapelte Anordnung 3 auf, die mehrere Einheitszellen 2 umfasst,
die in Serie miteinander elektrisch verbunden sind und in der durch
einen Pfeil A in 12 gezeigten
Richtung gestapelt sind.
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Jede
der Einheitszellen 2 umfasst eine Elektrolytelektrodenanordnung 7,
die aus einer Anodenelektrode 4, einer Katodenelektrode 5 und
einer Elektrolytschicht 6, die zwischen die Anodenelektrode 4 und
die Katodenelektrode 5 eingesetzt ist, gebildet wird, sowie
erste und zweite Separatoren 9, 10 aus Metall,
die sandwich-artig eine Dichtung 8 aufnehmen, die die Elektrolytelektrodenanordnung 7 aufnimmt
und hält.
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Die
Anodenelektroden 4 und die Katodenelektroden 5 weisen
jeweils eine (nicht gezeigte) Gasdiffusionsschicht auf, die aus
Kohlenstoffgewebe oder dergleichen gefertigt ist, sowie eine (nicht
gezeigte) Elektrodenkatalysatorschicht, die aus porösen Kohlenstoffpartikeln
hergestellt ist, die eine Platinlegierung auf ihren Oberflächen tragen
und gleichmäßig auf
der Oberfläche
der Gasdiffusionsschicht angeordnet sind. Die Anodenelektrode 4 und
die Katodenelektrode 5 sind Elektrolytelektroden zur Elektrolytschicht 6,
wobei deren Elektrodenkatalysatorschichten über die Elektrodenschicht 6 einander
gegenüberliegen.
Die Elektrolytschicht 6 umfasst eine feste Polymer-Ionenaustauschmembran
in Form einer dünnen
Membran aus Perfluor-Schwefelsäure, die
mit Wasser imprägniert
ist.
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Der
erste Separator 9, der zweite Separator 10 und
die Dichtung 8 weisen jeweils einen ersten Gaseinlassdurchlass 11 auf,
der in einer oberen linken Ecke derselben definiert ist, um ein
Brennstoffgas durchzulassen, sowie einen ersten Gasauslassdurchlass 12,
der in einer unteren rechten Ecke derselben definiert ist, die der
oberen linken Ecke diagonal entgegengesetzt ist, um ein gebrauchtes
Brennstoffgas durchzulassen. In ähnlicher
Weise weisen der erste Separator 9, der zweite Separator 10 und die
Dichtung 8 jeweils einen zweiten Gaseinlassdurchlass 13,
der in einer oberen rechten Ecke derselben definiert ist, um ein
sauerstoffhaltiges Gas durchzulassen, und einen zweiten Gasauslassdurchlass 14 auf,
der in einer unteren linken Ecke derselben definiert ist, die der
oberen rechten Ecke diagonal entgegengesetzt ist, um ein gebrauchtes
sauerstoffhaltiges Gas und Wasser (Wasserdampf), der von einer Reaktion
zum Erzeugen von elektrischem Strom in der Brennstoffzelle 1 erzeugt
worden ist, durchzulassen.
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Der
erste Separator 9 weist mehrere erste hohle Rippen 15 auf
einer seiner Oberflächen
auf, die der Anodenelektrode 4 gegenüberliegt, um das Brennstoffgas
(z. B. ein wasserstoffhaltiges Gas, das hauptsächlich aus Wasserstoff besteht)
zu und von der Anodenelektrode 4 zuzuführen und abzuführen. Der
zweite Separator 10 weist mehrere zweite hohle Rippen 16 auf
einer seiner Oberflächen
auf, die der Katodenelektrode 5 gegenüberliegt, um das sauerstoffhaltige
Gas (z. B. Luft) zu und von der Katodenelektrode 5 zuzuführen und
abzuführen.
Eine Verzweigungsnut 17 und eine Sammelnut 18 sind
zwischen den ersten hohlen Rippen 15, dem ersten Gaseinlassdurchlass 11 und
dem ersten Gasauslassdurchlass 12 definiert. In ähnlicher
Weise sind eine Verzweigungsnut 19 und eine Sammelnut 20 zwischen
den zweiten hohlen Rippen 16, dem zweiten Gaseinlassdurchlass 13 und
dem zweiten Gasauslassdurchlass 14 definiert.
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13 der beigefügten Zeichnungen
zeigt in einer vergrößerten Teilquer schnittsansicht
zwei gestapelte Einheitszellen 2. Wie in 13 gezeigt ist, sind die ersten hohlen
Rippen 15 und die zweiten hohlen Rippen 16 nacheinander
mit ersten Vertiefungen 21 bzw. zweiten Vertiefungen 22,
die dazwischen eingesetzt sind, angeordnet. In der gestapelten Anordnung 3 weisen
die ersten hohlen Rippen 15 des ersten Separators 9 der
oberen Einheitszelle 2 in 12 und
die zweiten hohlen Rippen 16 des zweiten Separators 10 der
unteren Einheitszelle 2 jeweils Scheiteloberflächen auf,
die aneinanderliegend gehalten werden.
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Wie
in 12 gezeigt ist, weisen
der erste Separator 9, der zweite Separator 10 und
die Dichtung 8 jeweils einen Kühlwassereinlassdurchlass 23 auf,
der in einer unteren Ecke derselben definiert ist und sich in der
durch einen Pfeil B gezeigten Richtung vom zweiten Gasauslassdurchlass 14 zum
ersten Gasauslassdurchlass 12 erstreckt. Der erste Separator 9,
der zweite Separator 10 und die Dichtung 8 weisen
ferner jeweils einen Kühlwasserauslassdurchlass 24 auf,
der in einer oberen Ecke derselben definiert ist und sich in der
durch den Pfeil B gezeigten Richtung vom ersten Gaseinlassdurchlass 11 zum
ersten Gaseinlassdurchlass 13 erstreckt.
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Zum
Betreiben der so aufgebauten Brennstoffzelle 1 werden das
Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige Gas der Brennstoffzelle 1 jeweils
durch den ersten Gaseinlassdurchlass 11 und den ersten Gaseinlassdurchlass 13 zugeführt. Diese
zugeführten
Gase werden von den Verzweigungsnuten 17, 19 in
die ersten hohlen Rippen 15 und die zweiten hohlen Rippen 16 verteilt
und für
eine Reaktion über
die Elektrodenkatalysatorschichten der Anodenelektrode 4 und
der Katodenelektrode 5 geleitet. Die unverbrauchten Gase
werden von den Sammelnuten 18, 20 gesammelt und
durch den ersten Gasauslassdurchlass 12 und den zweiten
Gasauslassdurchlass 14 abgeführt.
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Wenn
die Brennstoffzelle 1 in Betrieb ist, wird ferner ein Kühlmittel,
typischerweise Kühlwasser,
in die Kühlwassereinlassdurchlässe 23 geleitet.
Das eingeleitete Kühlwasser
strömt
in Stapelrichtung der gestapelten Anordnung 3 und wird
anschließend durch
die Kühlwasserauslassdurchlässe 24 aus
der Brennstoffzelle 1 abgeführt.
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Für ein wirksames
Kühlen
der Einheitszellen 2 wird das Kühlwasser vorzugsweise in der
durch einen Pfeil C in 12 gezeigten
Richtung senkrecht zur Stapelrichtung der gestapelten Anordnung 3 sowie
in Stapelrichtung (durch den Pfeil A gezeigt) der gestapelten Anordnung 3 geleitet.
Ein Lösungsansatz
wäre, das
Kühlwasser
in der Ebene des ersten Separators 9 und des zweiten Separators 10 von
den Kühlwassereinlassdurchlässen 23 zu
den Kühlwasserauslassdurchlässen 24 zu
leiten.
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Da
jedoch die ersten hohlen Rippen 15 des ersten Separators 9 der
oberen Einheitszelle 2 in 12 und
die zweiten hohlen Rippen 16 des zweiten Separators 10 der
unteren Einheitszelle 2 jeweils mit ihren Scheiteloberflächen aneinanderliegend
gehalten werden, würden
die aneinanderliegenden Scheiteloberflächen ein Hindernis für die Strömung des
Kühlwassers
darstellen. Daher kann das Kühlwasser
nicht in der durch den Pfeil C in 12 gezeigten
Richtung geleitet werden.
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Eine
Lösung
ist, einen stabförmigen
Abstandhalter 25 zwischen dem ersten Separator 9 und dem
zweiten Separator 10 zu platzieren, wie in 14 der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist,
der die Scheiteloberflächen
der ersten hohlen Rippen 15 und der zweiten hohlen Rippen 16 voneinander trennt.
Dieser Vorschlag ist jedoch insofern ungünstig, als die Brennstoffzelle 1 aus
einer erhöhten
Anzahl von Komponenten konstruiert wird und ihr Gewicht und ihr
Volumen durch die hinzugefügten
Abstandhalter 25 erhöht
werden.
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Gemäß einer
weiteren Lösung,
die in den 15 und 16 der beigefügten Zeichnungen
gezeigt ist, werden der Kühlwassereinlassdurchlass 23 und der
Kühlwasserauslassdurchlass 24 mit
dem ersten Gaseinlassdurchlass 11 und dem zweiten Gasauslassdurchlass 14,
sowie dem ersten Gasauslassdurchlass 12 und dem zweiten
Gaseinlassdurchlass 13 zum Durchlassen des Kühlwassers
in Längsrichtung
oder diagonal in der gestapelten Anordnung 3 in einer Linie
angeordnet. Da jedoch die in den 15 und 16 gezeigten Strukturen das
Kühlwasser
in der gestapelten Anordnung 3 nicht gut verteilen können, können in
das Kühlwasser
eingebrachte Luftblasen nicht beseitigt werden, was zu einer Reduktion
der Kühlwirkung
führt.
Ferner sind die Durchlässe 11, 12, 13, 14, 23, 24 in
der Größe reduziert,
was es schwierig macht, das Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige
Gas mit einer hohen Rate durchzuleiten, mit dem Ergebnis, dass die
Brennstoffzelle 1 eine verringerte Stromerzeugungseffizienz
aufweist. Außerdem
ist es schwierig, die Positionen der Durchlässe 11, 12, 13, 14, 23, 24 zu ändern. Anders
ausgedrückt,
die Anordnung der Durchlässe 11, 12, 13, 14, 23, 24 leidet
unter einer eingeschränkten
Freiheit.
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Aus
der
EP 0 978 891 A2 sind
Brennstoffzellen-Separatorenplatten bekannt, in deren beiden Seiten
jeweils eine Vielzahl zu einander paralleler Längsnuten eingeformt sind, und
benachbarte Längsnuten
jeweils einer Seite durch eine Vielzahl eingeschnittener Quernuten
miteinander verbunden sind.
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Die
EP 1 047 143 A2 ,
die
DE 196 02 315
A1 , die JP 2002-100381 A sowie die JP 06-275284 A zeigen
Brennstoffzellen, deren Separatorenplatten von Fluid durchströmte parallele
gerade Nuten aufweisen.
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Die
WO 03/050905 A2 zeigt Brennstoffzellen-Separatorenplatten mit einer
Vielzahl paralleler Kanäle,
die von Kühlflüssigkeit,
Brenngas bzw. Oxidationsgas durchströmt werden und die gruppenweise
durch Quernuten miteinander verbunden sind.
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Die
JP 07-153472 A zeigt eine Stromsammelplatte für eine Brennstoffzelle mit
eingeprägten Nuten,
die in der Plattenebene zickzack-förmig gewellt sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Separatoreinheit zu schaffen,
die ein geringes Gewicht und eine kleine Größe aufweist, einer damit kombinierten
Brennstoffzelle erlaubt, effizient gekühlt zu werden, und der Brennstoffzelle
ermöglicht,
elektrischen Strom mit einem gewünschten
Effizienzniveau zu erzeugen, sowie eine Brennstoffzelle mit einer
solchen Separatoreinheit zu schaffen.
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Um
die obige Aufgabe zu lösen,
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Brennstoffzelle geschaffen, umfassend: eine gestapelte
Anordnung mit mehreren gestapelten Einheitszellen, die jeweils eine Elektrolytelektrodenanordnung,
die eine Anodenelektrode, eine Katodenelektrode und eine Elektrolytschicht,
die zwischen der Anodenelektrode und der Katodenelektrode eingesetzt
ist, umfasst, sowie erste und zweite Separatoren aufweisen, die
sandwich-artig die Elektrolytelektrodenanordnung aufnehmen; wobei
der erste Separator Hohlräume
zum Durchleiten eines der Anodenelektrode zugeführten Brennstoffgases und mehrere
längliche
erste hohle Rippen mit dazwischen eingesetzten ersten Vertiefungen
aufweist; der zweite Separator Hohlräume zum Durchleiten eines der
Anodenelektrode zugeführten
sauerstoffhaltigen Gases und mehrere längliche zweite hohle Rippen
mit dazwischen eingesetzten zweiten Vertiefungen aufweist, wobei
die zweiten hohlen Rippen sich in derselben Richtung erstrecken wie
die ersten hohlen Rippen; wenigstens eine der ersten hohlen Rippen
oder der zweiten hohlen Rippen gebogene Abschnitte aufweist, die
quer zu der Richtung, in der das Brennstoffgas oder das sauerstoffhaltige
Gas strömt,
gebogen sind, um Abschnitte der Scheiteloberflächen der ersten hohlen Rippen und
Scheiteloberflächen
der zweiten hohlen Rippen voneinander zu beabstanden, wobei die
Scheiteloberflächen
der ersten hohlen Rippen und die Scheiteloberflächen der zweiten hohlen Rippen
einander gegenüberliegen
und zwischen den Elektro lytelektrodenanordnungen der gestapelten
Anordnung nebeneinander angeordnet sind; und wobei die ersten Vertiefungen
und die zweiten Vertiefungen über
die beabstandeten Abschnitte der Scheitelobarflächen der ersten hohlen Rippen
und der Scheiteloberflächen der
zweiten hohlen Rippen miteinander in Verbindung stehen, so dass
durch die ersten Vertiefungen und die zweiten Vertiefungen, die
miteinander in Verbindung stehen, ein Kühlmittel durch die Verbindungsdurchlässe strömt.
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Mit
der obigen Anordnung kann Kühlwasser durch
die gestapelte Anordnung geleitet werden, ohne das Abstandhalter
zwischen benachbarten Einheitszellen in der gestapelten Anordnung
eingesetzt sind. Somit werden das Gewicht und das Volumen der Brennstoffzelle
nicht erhöht.
Die Brennstoffzelle weist somit ein geringes Gewicht und eine kleine Größe auf,
und besitzt eine hohe Kühlungswirkung.
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Luftblasen,
die in das Kühlwasser
eingeleitet worden sind, können
leicht beseitigt werden, so dass eine Verringerung der Kühlwirkung
verhindert wird.
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Da
die Kühlmitteldurchlässe nicht
mit den Gasdurchlässen
in einer Linie angeordnet sein müssen,
müssen
diese Durchlässe
in ihren Abmessungen nicht reduziert werden. Als Ergebnis werden
die Raten, mit denen das Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige
Gas strömen,
nicht verringert, wodurch der Brennstoffzelle erlaubt wird, ein
gewünschtes
Niveau an Stromerzeugungseffizienz aufzuweisen. Die Anordnung der
Durchlässe
erhält
ebenfalls die gewünschte
Freiheit.
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Die
ersten hohlen Rippen und die zweiten hohlen Rippen sind nicht auf
irgendwelche Formen beschränkt,
insofern, als sie so geformt sind, dass sie die ersten und zweiten
Vertiefungen ermöglichen,
die miteinander in Verbindung stehen, um die Verbindungsdurchlässe zu schaffen.
Gemäß einem
bevorzugten Beispiel weisen sowohl die ersten hohlen Rippen als
auch die zweiten hohlen Rippen gebogene Abschnitte auf, wobei die
gebogenen Abschnitte der ersten hohlen Rippen und die gebogenen
Abschnitte der zweiten hohlen Rippen die gleiche Amplitude aufweisen
und benachbarte gebogene Abschnitte enthalten, die mit dem gleichen
Abstand voneinander beabstandet sind, wobei die gebogenen Abschnitte der
ersten hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen
Rippen zueinander phasenverschoben angeordnet sind.
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Die
Amplitude, auf die oben Bezug genommen wird, stellt den Abstand
von den aneinanderliegenden Scheiteloberflächen der ersten und zweiten hohlen
Rippen zu den Spitzen der gebogenen Abschnitte dar. Die Phase, auf
die oben Bezug genommen wird, stellt ein Wiederholungsmuster in
regelmäßigen Intervallen
dar, wobei die gebogenen Abschnitte, die zueinander phasenverschoben
sind, sich auf die gebogenen Abschnitte beziehen, die gegeneinander
versetzt sind.
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Alternativ
können
die ersten hohlen Rippen und die zweiten hohlen Rippen gebogene
Abschnitte aufweisen, wobei die gebogenen Abschnitte der ersten
hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen Rippen
benachbarte gebogene Abschnitte enthalten können, die mit dem gleichen
Abstand voneinander beabstandet sind, und wobei die gebogenen Abschnitte
der ersten hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten
hohlen Rippen verschiedene Amplituden aufweisen können.
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Ferner
können
alternativ sowohl die ersten hohlen Rippen als auch die zweiten
hohlen Rippen gebogene Abschnitte aufweisen, wobei die gebogenen
Abschnitte der ersten hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte
der zweiten hohlen Rippen die gleiche Amplitude aufweisen können, wobei
entweder die gebogenen Abschnitte der ersten hohlen Rippen oder
die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen Rippen benachbarte gebogene
Abschnitte enthalten können,
die mit einem ersten Abstand voneinander beabstandet sind, während die
anderen gebogenen Abschnitte benachbarte gebogene Abschnitte enthalten
können,
die mit einem vom ersten Abstand verschiedenen zweiten Abstand voneinander
beabstandet sind.
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Ferner
können
sowohl die ersten hohlen Rippen als auch die zweiten hohlen Rippen
gebogene Abschnitte aufweisen, wobei die gebogenen Abschnitte der
ersten hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen
Rippen verschiedene Amplituden aufweisen und benachbarte gebogene
Abschnitte enthalten können,
die mit verschiedenen Abständen
voneinander beabstandet sind.
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Da
in jedem der obenerwähnten
Muster das Kühlmittel
durch die Verbindungsdurchlässe
strömt, kann
die Brennstoffzelle effizient gekühlt werden. Eine einzelne Brennstoffzelle
kann eine Kombination der obigen Muster enthalten. Zum Beispiel
kann eine einzelne Brennstoffzelle ein Muster der ersten und zweiten
hohlen Rippen zum Zuführen
des Kühlwassers
mit einer größeren Rate
zu denjenigen Einheitszellen, die mehr Kühlung benötigen, und ein weiteres Muster
der ersten und zweiten hohlen Rippen zum Zuführen des Kühlwassers mit einer kleineren
Rate zu denjenigen Einheitszellen, die eine geringere Kühlung benötigen, aufweisen.
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Die
gebogenen Abschnitte sind nicht auf scharf gebogene Abschnitte begrenzt,
sondern können
gekrümmte
Abschnitte sein. Genauer kann wenigstens eine der ersten hohlen
Rippen und der zweiten hohlen Rippen zu einer Sinuswellenform längs der
Richtung, in der das Brennstoffgas oder das sauerstoffhaltige Gas
strömt,
gebogen sein.
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Die
Sinuswellenform bezieht sich auf eine Form, die ein Muster von gekrümmten Erhebungen und
Vertiefungen in regelmäßigen Intervallen
umfasst, z. B. eine Wellenform, die die Beziehung zwischen dem Sinus
und dem Winkel einer trigonometrischen Funktion repräsentiert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ferner eine Separatoreinheit in einer Brennstoffzelle
mit einer ersten Einheitszelle und einer dazu benachbarten zweiten
Einheitszelle geschaffen, wobei jede der Einheitszellen eine Elektrolytelektrodenanordnung, die
eine Anodenelektrode, eine Katodenelektrode und eine zwischen der
Anodenelektrode und der Katodenelektrode eingesetzte Elektrolytschicht
umfasst, sowie erste und zweite Separatoren aufweist, die sandwich-artig
die Elektrolytelektrodenanordnung aufnehmen, und wobei die Separatoreinheit den
ersten Separator in der ersten Einheitszelle und den zweiten Separator
in der ersten Einheitszelle umfasst; wobei der erste Separator Hohlräume zum Durchleiten
eines der Anodenelektrode zugeführten Brennstoffgases
und mehrere längliche
erste hohle Rippen mit dazwischen eingesetzten ersten Vertiefungen
aufweist; der zweite Separator Hohlräume zum Durchleiten eines der
Anodenelektrode zugeführten
sauerstoffhaltigen Gases und mehrere längliche zweite hohle Rippen
mit dazwi schen eingesetzten zweiten Vertiefungen aufweist, wobei
die zweiten hohlen Rippen sich in derselben Richtung erstrecken wie
die ersten hohlen Rippen; wenigstens eine der ersten hohlen Rippen
oder der zweiten hohlen Rippen gebogene Abschnitte aufweist, die
quer zu der Richtung, in der das Brennstoffgas oder das sauerstoffhaltige
Gas strömt,
gebogen sind, um Abschnitte der Scheiteloberflächen der ersten hohlen Rippen und
Scheiteloberflächen
der zweiten hohlen Rippen voneinander zu beabstanden, wobei die
Scheiteloberflächen
der ersten hohlen Rippen und die Scheiteloberflächen der zweiten hohlen Rippen
einander gegenüberliegen
und zwischen den Elektrolytelektrodenanordnungen der gestapelten
Anordnung nebeneinander angeordnet sind; und wobei die ersten Vertiefungen
und die zweiten Vertiefungen über
die beabstandeten Abschnitte der Scheiteloberflächen der ersten hohlen Rippen
und der Scheiteloberflächen der
zweiten hohlen Rippen miteinander in Verbindung stehen, so dass
durch die ersten Vertiefungen und die zweiten Vertiefungen, die
miteinander in Verbindung stehen, ein Kühlmittel durch die Verbindungsdurchlässe strömt.
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Gemäß einem
bevorzugten Beispiel weisen in der obigen Separatoreinheit sowohl
die ersten hohlen Rippen als auch die zweiten hohlen Rippen gebogene
Abschnitte auf, wobei die gebogenen Abschnitte der ersten hohlen
Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen Rippen die
gleiche Amplitude aufweisen und benachbarte gebogene Abschnitte
enthalten, die mit dem gleichen Abstand voneinander beabstandet
sind, wobei die gebogenen Abschnitte der ersten hohlen Rippen und
die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen Rippen zueinander phasenverschoben
angeordnet sind.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Beispiel weisen in der obigen Separatoreinheit
sowohl die ersten hohlen Rippen als auch die zweiten hohlen Rippen
gebogene Abschnitte auf, wobei die gebogenen Abschnitte der ersten
hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen Rippen
benachbarte gebogene Abschnitte enthalten, die mit dem gleichen
Abstand voneinander beabstandet sind, und wobei die gebogenen Abschnitte
der ersten hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten
hohlen Rippen verschiedene Amplituden aufweisen.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Beispiel weisen in der obigen Separato reinheit
sowohl die ersten hohlen Rippen als auch die zweiten hohlen Rippen
gebogene Abschnitte auf, wobei die gebogenen Abschnitte der ersten
hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen Rippen
die gleiche Amplitude aufweisen, wobei entweder die gebogenen Abschnitte
der ersten hohlen Rippen oder die gebogenen Abschnitte der zweiten
hohlen Rippen benachbarte gebogene Abschnitte enthalten, die mit
einem ersten Abstand voneinander beabstandet sind, während die
anderen gebogenen Abschnitte benachbarte gebogene Abschnitte enthalten,
die mit einem vom ersten Abstand verschiedenen zweiten Abstand voneinander
beabstandet sind.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Beispiel weisen in der obigen Separatoreinheit
sowohl die ersten hohlen Rippen als auch die zweiten hohlen Rippen
gebogene Abschnitte auf, wobei die gebogenen Abschnitte der ersten
hohlen Rippen und die gebogenen Abschnitte der zweiten hohlen Rippen
verschiedene Amplituden aufweisen und benachbarte gebogene Abschnitte
enthalten, die mit verschiedenen Abständen voneinander beabstandet
sind.
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Wenigstens
die ersten hohlen Rippen und/oder die zweiten hohlen Rippen können zu
einer Sinuswellenform längs
der Richtung, in der das Brennstoffgas oder das sauerstoffhaltige
Gas strömen,
gebogen sein.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen deutlich, in welchem bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung als Erläuterungsbeispiel
gezeigt sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
-
2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht zweier benachbarter Einheitszellen
in einer gestapelten Anordnung der in 1 gezeigten
Brennstoffzelle;
-
3 ist
eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht
der gestapelten Anordnung der in 1 gezeigten
Brennstoffzelle;
-
4 ist
eine perspektivische Teilansicht eines ersten Separators, der auf
einem zweiten Separator in der in 1 gezeigten
Brennstoffzelle gestapelt ist;
-
5 ist
eine perspektivische Explosionsansicht zweier benachbarter Einheitszellen
in einer gestapelten Anordnung einer Brennstoffzelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
6 ist
eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht
der gestapelten Anordnung der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform;
-
7 ist
eine perspektivische Teilansicht eines ersten Separators, der auf
einem zweiten Separator in der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
gestapelt ist;
-
8 ist
eine perspektivische Teilansicht eines ersten Separators, der auf
einem zweiten Separator in einer gestapelten Anordnung einer Brennstoffzelle
gemäß einer
Modifikation der zweiten Ausführungsform
gestapelt ist;
-
9 ist
eine perspektivische Teilansicht eines ersten Separators, der auf
einem zweiten Separator in einer gestapelten Anordnung einer Brennstoffzelle
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gestapelt ist;
-
10 ist
eine perspektivische Teilansicht eines ersten Separators, der auf
einem zweiten Separator in einer gestapelten Anordnung einer Brennstoffzelle
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gestapelt ist;
-
11 ist
eine perspektivische Teilansicht eines ersten Separators, der auf
einem zweiten Separator in einer gestapelten Anordnung einer Brennstoffzelle
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gestapelt ist;
-
12 ist
eine perspektivische Explosionsansicht zweier benachbarter Einheitszellen
in einer gestapelten Anordnung einer herkömmlichen Brennstoffzelle;
-
13 ist
eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht
der gestapelten Anordnung der in 12 gezeigten
herkömmlichen
Brennstoffzelle;
-
14 ist
eine vergrößerte perspektivische Teilschnittansicht
einer gestapelten Anordnung einer Brennstoffzelle mit einem zwischen
den Einheitszellen eingesetzten Abstandhalter;
-
15 ist
eine Vorderansicht einer gestapelten Anordnung mit einem Kühlwassereinlassdurchlass
und einem Kühlwasserauslassdurchlass,
die mit einem ersten Gaseinlassdurchlass und einem zweiten Gasauslassdurchlass
sowie einem ersten Gasauslassdurchlass und einem zweiten Gaseinlassdurchlass
in einer Linie angeordnet sind; und
-
16 ist
eine Vorderansicht einer gestapelten Anordnung mit einem Kühlwassereinlassdurchlass
und einem Kühlwasserauslassdurchlass,
die mit einem ersten Gaseinlassdurchlass und einem zweiten Gasauslassdurchlass
sowie einem ersten Gasauslassdurchlass und einem zweiten Gaseinlassdurchlass
in einer Linie angeordnet sind, wobei der Kühlwassereinlassdurchlass und
der Kühlwasserauslassdurchlass
an anderen Positionen als denjenigen, die in 15 gezeigt
sind, angeordnet sind.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden werden Brennstoffzellen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genauer beschrieben. Diejenigen Teile der Brennstoffzellen gemäß den bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die mit den in den 12 bis 16 gezeigten
Teilen identisch sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet
und werden im Folgenden nicht genauer beschrieben.
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1 zeigt
perspektivisch eine Brennstoffzelle 40 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 40 weist eine
gestapelte Anordnung 44 auf, die mehrere Einheitszellen 42a, 42b umfasst,
wie in 2 gezeigt ist, die elektrisch in Serie miteinander
verbunden sind und in der durch den Pfeil A in 1 gezeigten
Richtung gestapelt sind. Die Einheitszellen 42a, 42b sind strukturell
zueinander identisch, sind jedoch zu Darstellungszwecken mit verschiedenen
Bezugszeichen bezeichnet.
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Wie
in 2 gezeigt ist, umfasst jede der Einheitszellen 42a, 42b eine
Elektrolytelektrodenanordnung 7, die aus einer Anodenelektrode 4,
einer Katodenelektrode 5 und einer Elektrolytschicht 6,
die zwischen der Anodenelektrode 4 und der Katodenelektrode 5 eingesetzt
ist, besteht, und erste und zweite Separatoren 46, 48,
die sandwich-artig eine Dichtung 8 aufnehmen, die die Elektrolytelektrodenanordnung 7 aufnimmt
und hält.
In der gestapelten Anordnung 44 sind der zweite Separator 48 der
Einheitszelle 42a und der erste Separator 46 der
Einheitszelle 42b nebeneinander angeordnet. Der zweite
Separator 48 und der erste Separator 46, die nebeneinander angeordnet
sind, bilden gemeinsam eine Separatoreinheit 49.
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Die
Dichtung 8, der erste Separator 46 und der zweite
Separator 48 weisen jeweils einen ersten Gaseinlassdurchlass 11,
der in einer oberen linken Ecke derselben definiert ist, zum Durchlassen
eines Brennstoffgases und einen ersten Gasauslassdurchlass 12,
der in einer unteren rechten Ecke derselben diagonal entgegengesetzt
zur oberen linken Ecke definiert ist, zum Durchlassen eines gebrauchten Brennstoffgases
auf. In ähnlicher
Weise weisen jeweils die Dichtung 8, der erste Separator 46 und
der zweite Separator 48 einen zweiten Gaseinlassdurchlass 13,
der in einer oberen rechten Ecke derselben definiert ist, zum Durchlassen
eines sauerstoffhaltigen Gases und einen zweiten Gasauslassdurchlass 14,
der in einer unteren linken Ecke derselben diagonal entgegengesetzt
zur oberen rechten Ecke definiert ist, zum Durchlassen eines gebrauchten
sauerstoffhaltigen Gases auf. Die Dichtung 8, der erste
Separator 46 und der zweite Separator 48 weisen
jeweils ferner einen Kühlwassereinlassdurchlass 23 auf,
der darin definiert ist und sich vom zweiten Gasauslassdurchlass 14 zum
ersten Gasauslassdurchlass 12 erstreckt, sowie einen Kühlwasserauslassdurchlass 24,
der darin definiert ist und sich vom ersten Gaseinlassdurchlass 11 zum
ersten Gaseinlassdurchlass 13 erstreckt. Der Kühlwassereinlassdurchlass 23 und
der Kühlwasserauslassdurchlass 24 werden
ausgebildet, indem Löcher
verbunden werden, die sich in der durch den Pfeil B gezeigten Richtung erstrecken.
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Die
ersten Gaseinlassdurchlässe 11,
die zweiten Gaseinlassdurchlässe 13,
die ersten Gasauslassdurchlässe 12,
die zweiten Gasauslassdurchlässe 14,
die Kühlwassereinlassdurchlässe 23 und die
Kühlwasserauslassdurchlässe 24 stehen
jeweils mit einer Brennstoffgaszuführungsöffnung 51, einer Brennstoffgasabführungsöffnung 52,
einer Zuführungsöffnung 53 für sauerstoffhaltiges
Gas, einer Abführungsöffnung 54 für sauerstoffhaltiges
Gas, einer Kühlwasserzuführungsöffnung 56 und
einer Kühlwasserabführungsöffnung 58 in
Verbindung, die in einer Stirnplatte 50 (siehe 1)
der Brennstoffzelle 40 definiert sind.
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Der
erste Separator 46 umfasst ein dünnes Metallblech, das in Form
gepresst ist. Der erste Separator 46 weist mehrere hohle
Rippen 60 auf einer seiner Oberflächen auf, die der Anodenelektrode 4 gegenüber liegt,
um das Brennstoffgas zu und von der Anodenelektrode 4 zuzuführen und
abzuführen. Der
erste Separator 46 weist ferner eine Verzweigungsnut 17 und
eine Sammelnut 18 auf, die zwischen den ersten hohlen Rippen 16,
den ersten Gaseinlassdurchlass 11 und den ersten Gasauslassdurchlass 12 definiert
sind.
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3 zeigt
in einer vergrößerten Teilschnittansicht
zwei Einheitszellen 42a, 42b, die gestapelt sind.
Wie in 3 gezeigt ist, sind die ersten hohlen Rippen 60 der
Reihe nach mit den dazwischen angeordneten ersten Vertiefungen 62 angeordnet
und weisen Scheiteloberflächen
auf, die in Richtung zum zweiten Separator 48 hervorstehen.
Die Scheiteloberflächen
der ersten hohlen Rippen 60 sind somit von der Anodenelektrode 4 beabstandet,
wodurch Hohlräume 63 zwischen
den ersten hohlen Rippen 60 und der Anodenelektrode 4 geschaffen
werden. Das Brennstoffgas strömt
durch die Hohlräume 63. Die
ersten Vertiefungen 62 weisen Bodenoberflächen auf,
die mit der Anodenelektrode 4 in Kontakt sind.
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Wie
in den 2 und 4 gezeigt ist, ist jede der
ersten hohlen Rippen 60 in regelmäßigen Intervallen mit einer
vorgegebenen Amplitude F1 quer zur Richtung, in der das Brennstoffgas
strömt,
gebogen. Anders ausgedrückt,
jede der ersten hohlen Rippen 60 weist abwechselnd gerade
Abschnitte 64 und gebogene Abschnitte 66 auf und
erstreckt sich in einem gewundenen Muster von der Verzweigungsnut 17 zur
Sammelnut 18.
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Die
gebogenen Abschnitte 66 weisen entsprechende Spitzen auf,
deren Mitten mit konstanten Abständen
D1 beabstandet sind. Benachbarte gebogene Abschnitte 66 sind
somit voneinander durch die Abstände
D1 beabstandet. Die Abstände
zwischen den Mitten der Spitzen benachbarter gebogener Abschnitte 66 wird
als Teilung bezeichnet.
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Der
zweite Separator 48 umfasst ein dünnes Metallblech, das in Form
gepresst ist. Der zweite Separator 48 weist mehrere hohle
Rippen 68 auf einer seiner Oberflächen auf, die der Katodenelektrode 5 gegenüberliegt,
um das sauerstoffhaltige Gas zu und von der Katodenelektrode 5 zuzuführen und
abzuführen.
Der zweite Separator 48 weist ferner eine Verzweigungsnut 19 und
eine Sammelnut 20 (siehe 2) auf,
die zwischen den zweiten hohlen Rippen 68, dem zweiten
Gaseinlassdurchlass 13 und dem zweiten Gasauslassdurchlass 14 definiert
sind.
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Wie
in 3 gezeigt ist, sind die zweiten hohlen Rippen 68 der
Reihe nach mit den dazwischen angeordneten zweiten Vertiefungen 70 angeordnet
und weisen Scheiteloberflächen
auf, die in Richtung zum ersten Separator 46 hervorstehen.
Somit sind die Scheiteloberflächen
der zweiten hohlen Rippen 68 von der Katodenelektrode 5 beabstandet, wodurch
Hohlräume 71 zwischen
den zweiten hohlen Rippen 68 und der Katodenelektrode 5 geschaffen werden.
Das sauerstoffhaltige Gas strömt
durch die Hohlräume 71.
Die zweiten Vertiefungen 70 weisen Bodenoberflächen auf,
die mit der Katodenelektrode 5 in Kontakt sind.
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Wie
in den 2 bis 4 gezeigt ist, erstreckt sich
jede der zweiten hohlen Rippen 68 gerade längs der
Richtung, in der das sauerstoffhaltige Gas strömt. Wenn die Einheitszellen 42a, 42b gestapelt
sind, sind die Scheiteloberflächen
der zweiten hohlen Rippen 68 des zweiten Separators 48 in
Kontakt mit den Scheiteloberflächen
der geraden Abschnitte 64 der ersten hohlen Rippen 60 des
ersten Separators 46 und von den gebogenen Abschnitten 66 der
ersten hohlen Rippen 60 des ersten Separators 46 beabstandet
(siehe 3 und 4). In 4 sind nur
eine der ersten hohlen Rippen 60 und eine der zweiten hohlen
Rippen 68 gezeigt.
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Da
die Scheiteloberflächen
der zweiten hohlen Rippen 68 des zweiten Separators 48 von
den gebogenen Abschnitten 66 der ersten hohlen Rippen 60 des
ersten Separators 46 beabstandet sind, stehen die ersten
Vertiefungen 62 des ersten Separators 46 und die
zweiten Vertiefungen 70 des zweiten Separators 48 miteinander
in Verbindung, wodurch Verbindungsdurchlässe 72 zwischen dem
zweiten Separator 48 und dem ersten Separator 46 längs der
durch den Pfeil C in den 2, 3 und 4 gezeigten Richtung
geschaffen werden. Das Kühlwasser
strömt durch
die Verbindungsdurchlässe 72,
wie später
beschrieben wird.
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Wie
in 1 gezeigt ist, sind Elektrodenanschlüsse 76a, 76b mit
jeweiligen Fahnen 74a, 74b an den jeweils entgegengesetzten
Enden der gestapelten Anordnung 44 montiert, wobei Stirnplatten 50, 78 ebenfalls
an den jeweils entgegengesetzten Enden der gestapelten Anordnung 44 mit
dazwischen eingesetzten (nicht gezeigten) Isolierplatten zum Verhindern
von Kurzschlüssen
montiert sind. Wie oben beschrieben worden ist, weist die Stirnplatte 50 die Brennstoffgaszuführungsöffnung 51,
die Brennstoffgasabführungsöffnung 52,
die Zuführungsöffnung 53 für sauerstoffhaltiges
Gas, die Abführungsöffnung 54 für sauerstoffhaltiges
Gas, die Kühlwasserzuführungsöffnung 56 und
die Kühlwasserabführungsöffnung 58 auf.
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Die
gestapelte Anordnung 44 weist mehrere (nicht gezeigte)
Durchgangslöcher
auf, die darin definiert sind und sich von der Stirnplatte 50 zur
Stirnplatte 78 erstrecken. Durch die jeweiligen Durchgangslöcher sind
Spannstangen 80 als Befestigungselemente eingesetzt. Auf
die Spannstangen 80 sind Muttern 82 geschraubt
und befestigen die Stirnplatten 50, 78, um somit
die gestapelte Anordnung 44, die Elektrodenanschlüsse 76a, 76b und
die Stirnplatten 50, 78 unter Druck zusammen zu
halten.
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Eine
Brennstoffgasversorgungsquelle und eine Brennstoffgasrückgewinnungseinrichtung
(beide nicht gezeigt) sind jeweils mit der Brennstoffgaszu führungsöffnung 51 und
der Brennstoffgasabführungsöffnung 52 in
der Stirnplatte 50 verbunden. Eine Versorgungsquelle für sauerstoffhaltiges
Gas und eine Rückgewinnungseinrichtung
für sauerstoffhaltiges
Gas (beide nicht gezeigt) sind jeweils mit der Zuführungsöffnung 53 für sauerstoffhaltiges
Gas und der Abführungsöffnung 54 für sauerstoffhaltiges
Gas in der Stirnplatte 50 verbunden. Eine Kühlwasserversorgungsquelle
und eine Kühlwasserrückgewinnungseinrichtung
(beide nicht gezeigt) sind jeweils mit der Kühlwasserzuführungsöffnung 56 und der Kühlwasserabführungsöffnung 58 in
der Stirnplatte 50 verbunden.
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Die
Brennstoffzelle 40 gemäß der ersten Ausführungsform
ist im Wesentlichen wie oben beschrieben konstruiert. Die Operation
und die Vorteile der Brennstoffzelle 40 werden im Folgenden
beschrieben.
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Zum
Betreiben der Brennstoffzelle 40 wird die Temperatur der
Brennstoffzelle 40 bis auf eine vorgegebene Temperatur
erhöht.
Anschließend
wird das Brennstoffgas, wie z. B. ein wasserstoffhaltiges Gas, von
der Brennstoffgaszuführungsöffnung 51 der Brennstoffzelle 40 zugeführt, während das
sauerstoffhaltige Gas, wie z. B. Luft, von der Zuführungsöffnung 53 für sauerstoffhaltiges
Gas der Brennstoffzelle 40 zugeführt wird und das Kühlwasser
von der Kühlwasserzuführungsöffnung 56 der
Brennstoffzelle 40 zugeführt wird.
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Das
Brennstoffgas wird durch den ersten Gaseinlassdurchlass 11 in
die Verzweigungsnut 17 des ersten Separators 46 geleitet
und strömt
durch die Hohlräume 63 zwischen
den ersten hohlen Rippen 60 und der Anodenelektrode 4.
Anschließend
wird der Wasserstoff, der in dem Brennstoffgas enthalten ist, das
durch die Gasdiffusionsschicht der Anodenelektrode 4 gelangt
ist, auf der Elektrodenkatalysatorschicht entsprechend der folgenden
Formel (A) ionisiert, wodurch Wasserstoffionen und Elektronen erzeugt
werden: H2 → 2H+ + 2e (A)
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Die
Wasserstoffionen bewegen sich durch die Elektrolytschicht 6 zur
Katodenelektrode 5. Die Elektroden werden durch eine externe
Last, wie z. B. einen Motor oder dergleichen, die zwischen der Anodenelektrode 4 und
der Katodenelektrode 5 elektrisch angeschlossen ist, entnommen
und als elektrische Gleichstromenergie zum Betreiben der externen
Last genutzt.
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Das
sauerstoffhaltige Gas wird durch den zweiten Gaseinlassdurchlass 13 in
die Verzweigungsnut 19 des zweiten Separators 48 geleitet
und strömt
durch die Hohlräume 71 zwischen
den zweiten hohlen Rippen 68 und der Katodenelektrode 5.
Anschließend
reagiert der Sauerstoff, der in dem sauerstoffhaltigen Gas enthalten
ist, das durch die Gasdiffusionsschicht der Katodenelektrode gelangt
ist, mit den Wasserstoffionen, die durch die Elektrolytschicht 6 gelangt
sind, und die Elektronen, die die Katodenelektrode 5 von
der externen Last erreicht haben, wodurch gemäß der folgenden Formel (B)
Wasser (Wasserdampf) erzeugt wird: O2 + 4H+ +
4e → 2H2O (B)
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Die
durch die obigen Formeln (A), (B) repräsentierten Reaktionen erzeugen
eine elektromotorische Kraft, die die externe Kraft mit Energie
versorgt, die mit den Fahnen 74a, 74b der Elektrodenanschlüsse 76a, 76b elektrisch
verbunden ist. Das Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige Gas,
die gebraucht worden sind, werden durch die Sammelnuten 18, 20,
den ersten Gasauslassdurchlass 12 und den zweiten Gasauslassdurchlass 14 sowie
die Brennstoffgasabführungsöffnung 52 und
die Abführungsöffnung 54 für sauerstoffhaltiges
Gas zur Brennstoffgasrückgewinnungseinrichtung
bzw. zur Rückgewinnungseinrichtung
für sauerstoffhaltiges Gas
befördert.
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Das
in den Kühlwassereinlassdurchlass 23 geleitete
Kühlwasser
tritt zwischen den zweiten Separator 48 der Einheitszelle 42a und
den ersten Separator 46 der Einheitszelle 42b ein.
Wie oben beschrieben worden ist, befinden sich mittels der ersten Vertiefungen 62 des
ersten Separators 46 und der zweiten Vertiefungen 70 des
zweiten Separators 48 Verbindungsdurchlässe 72 zwischen den
Einheitszellen 42a, 42b. Somit strömt das Kühlwasser,
das zwischen den zweiten Separator 48 und dem ersten Separator 46 eingetreten
ist, durch die Verbindungsdurchlässe 72 (siehe 3).
Genauer strömt
das Kühlwasser
durch die Verbindungsdurchlässe 72,
d. h. zwischen dem zweiten Separator 48 und dem ersten
Separator 46, und erreicht anschließend den Kühlwasserauslassdurchlass 24.
Somit werden die Stirnflächen
des zweiten Separators 48 und des ersten Separators 46 durch
das Kühlwasser
ausreichend gekühlt.
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Da
mit der Brennstoffzelle 40 gemäß der ersten Ausführungsform
das Kühlwasser
zwischen den gestapelten Einheitszellen 42a, 42b hindurchgeführt werden
kann, kann die Brennstoffzelle 40 effizient gekühlt werden.
Da keine Abstandshalter 25 (siehe 14) nötigt sind,
um sie zwischen die Einheitszellen 42a, 42b einzusetzen,
werden das Gewicht und das Volumen der Brennstoffzelle 40 nicht
erhöht.
Da die Verbindungsdurchlässe 72 erlauben,
dass das Kühlwasser
nach Bedarf in der Brennstoffzelle 40 verteilt wird, können in
das Kühlwasser
eingeleitete Luftblasen leicht beseitigt werden, was verhindert, dass
die Kühlwirkung
reduziert wird.
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Die
Querschnittsflächen
der Durchlässe 11, 12, 13, 14, 23, 24 müssen gegenüber denjenigen
in der in 12 gezeigten Brennstoffzelle
nicht verändert
werden. Folglich strömen
das Brennstoffgas und das sauerstoffhaltige Gas mit denselben Raten
wie in der Brennstoffzelle 1. Dementsprechend wird die Stromerzeugungseffizienz
der Brennstoffzelle 40 auf einem gewünschten Niveau gehalten. Die
Anordnung der Durchlässe 11, 12, 13, 14, 23, 24 erhält die gewünschte Freiheit.
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Die
ersten hohlen Rippen, die sich gerade erstrecken, können auf
dem ersten Separator vorgesehen sein, wobei die zweiten hohlen Rippen,
die gebogene Abschnitte aufweisen, auf dem zweiten Separator vorgesehen
sein können,
um die gleichen Erscheinungen und Vorteile wie oben beschrieben
zu erhalten.
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Im
Folgenden wird eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 5 bis 7 beschrieben.
Diejenigen Teile der Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform,
die identisch mit denjenigen der Brennstoffzelle gemäß der in
den 1 bis 4 gezeigten ersten Ausführungsform sind,
sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und werden im Folgenden
nicht genauer beschrieben.
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Wie
in 5 gezeigt ist, enthält die Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
eine gestapelte Anordnung 90 mit mehreren Einheitszellen 92a, 92b,
die in Serie miteinander elektrisch verbunden und in der durch den
Pfeil A in 5 gezeigten Richtung gestapelt
sind. Obwohl die Einheitszellen 92a, 92b strukturelle
zueinander identisch sind, sind sie zu Darstellungszwecken mit verschiedenen Bezugszeichen
bezeichnet.
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6 zeigt
in einer vergrößerten Teilquerschnittsansicht
zwei Einheitszellen 92a, 92b, die gestapelt sind.
Wie in 6 gezeigt ist, weist der erste Separator 94 mehrere
erste hohle Rippen 100 auf, die der Reihe nach mit dazwischen
angeordneten ersten Vertiefungen 96 angeordnet sind und
Scheiteloberflächen
aufweisen, die in Richtung zum zweiten Separator 98 hervorstehen.
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Wie
in den 5 und 7 gezeigt ist, weist jede der
ersten hohlen Rippen 100 eine Sinuswellenform auf, die
in regelmäßigen Intervallen
mit einer vorgegebenen Amplitude F2 gebogen ist. Die ersten hohlen
Rippen 100 weisen eine Teilung D2 für alle gebogenen Abschnitte
derselben auf.
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Der
zweite Separator 98 weist mehrere zweite hohle Rippen 104 auf,
die der Reihe nach mit dazwischen angeordneten zweiten Vertiefungen 102 angeordnet
sind und Scheiteloberflächen
aufweisen, die in Richtung zum ersten Separator 94 hervorstehen
(siehe 6). Der zweite Separator 98 und der erste
Separator 94 bilden gemeinsam eine Separatoreinheit 105.
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Jede
der zweiten hohlen Rippen 104 weist eine Sinuswellenform
auf, die in regelmäßigen Intervallen
mit der vorgegebenen Amplitude F2 gebogen ist, und weist die Teilung
D2 auf, wie bei den ersten hohlen Rippen 100. Die zweiten
hohlen Rippen 104 sind jedoch bezüglich der ersten hohlen Rippen 100 phasenverschoben,
d. h. bezüglich
der ersten hohlen Rippen 100 versetzt angeordnet. Die Scheiteloberflächen der
zweiten hohlen Rippen 104 und die Scheiteloberflächen der
ersten hohlen Rippen 100 sind in Regionen miteinander in
Kontakt, in denen sie sich kreuzen, und sind in den anderen Regionen,
in denen sie sich nicht kreuzen, voneinander beabstandet. Die Scheiteloberflächen der
zweiten hohlen Rippen 104 und die Scheiteloberflächen der
ersten hohlen Rippen 100, die voneinander beabstandet sind,
ermöglichen,
dass die ersten Vertiefungen 96 und die zweiten Vertiefungen 102 miteinander
in Verbindung stehen, wodurch Verbindungsdurchlässe 72 zum Hindurchfließen von
Kühlwasser
geschaffen werden.
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In
der zweiten Ausführungsform
sind sowohl die ersten hohlen Rippen 100 als auch die zweiten hohlen
Rippen 104 zu einem geschlängelten Muster gebogen, um
dem Kühlwasser,
das zwischen die Einheitszellen 92a, 92b eingetreten
ist, zu erlauben, in der durch den Pfeil C gezeigten Richtung zu
strömen. Da
die Verbindungsdurchlässe 72 durch
die ersten hohlen Rippen 100 und die zweiten hohlen Rippen 104,
die gebogen sind, geschaffen werden, kann das Kühlwasser mit einer höheren Rate
strömen
als bei der Brennstoffzelle 40 gemäß der ersten Ausführungsform.
Somit ist die Kühlwasserwirkung
der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform höher.
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In
der zweiten Ausführungsform
brauchen die ersten hohlen Rippen 100 und die zweiten hohlen Rippen 104 nicht
unbedingt eine Sinuswellenform aufweisen, sondern können alternierend
gerade Abschnitte 64 und gebogene Abschnitte 66 aufweisen, wie
in 8 gezeigt ist.
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Die
Amplituden und Teilungen der ersten hohlen Rippen und der zweiten
hohlen Rippen können
so gewählt
werden, dass die ersten Vertiefungen und die zweiten Vertiefungen
miteinander in Verbindung stehen, wodurch die Verbindungsdurchlässe 72 geschaffen
werden. Wie z. B. in 9 gezeigt ist, können eine
erste hohle Rippe 106 und einen zweite hohle Rippe 108 eine
gemeinsame Teilung D4 aufweisen, die erste hohle Rippe 106 kann
eine Amplitude F3 aufweisen und die zweite hohle Rippe 108 kann
eine Amplitude F4 etwas kleiner als die Amplitude F3 aufweisen,
wodurch die Verbindungsdurchlässe 72 geschaffen
werden.
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Alternativ,
wie in 10 gezeigt ist, können eine
erste hohle Rippe 110 und eine zweite hohle Rippe 112 eine
gemeinsame Amplitude F5 aufweisen, während die erste hohle Rippe 110 eine
Teilung D5 aufweisen kann und die zweite hohle Rippe 112 eine
Teilung D6 etwas größer als
die Teilung D5 aufweisen kann, wodurch die Verbindungsdurchlässe 72 geschaffen
werden.
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Wie
in 11 gezeigt ist, kann ferner alternativ eine erste
hohle Rippe 114 eine Amplitude F6 aufweisen, während eine
zweite hohle Rippe 116 eine Amplitude F7 etwas kleiner
als die Amplitude F6 aufweisen kann, die erste hohle Rippe 114 eine
Teilung D7 aufweisen kann, und die zweite hohle Rippe 116 eine
Teilung D8 etwas kleiner als die Teilung D7 aufweisen kann, wodurch
die Verbindungsdurchlässe 72 geschaffen
werden.
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Eine
der ersten hohlen Rippen 106, 110, 114 oder
eine der zweiten hohlen Rippen 108, 112, 116 kann
eine Sinuswellenform aufweisen. Alternativ können diese ersten hohlen Rippen
und die zweiten hohlen Rippen zueinander phasenverschoben sein.
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Die
Rate, mit der das Kühlwasser
strömt, kann
durch auswählen
der Formen der ersten hohlen Rippen und der zweiten hohlen Rippen
eingestellt werden. Eine einzelne Brennstoffzelle kann ein Muster
erster und zweiter hohler Rippen zum Zuführen von Kühlwasser mit einer größeren Rate
zu denjenigen Einheitszellen, die mehr Kühlung benötigen, und ein weiteres Muster
erster und zweiter hohler Rippen zum Zuführen des Kühlwassers mit einer kleineren Rate
zu denjenigen Zellen, die weniger Kühlung benötigen, aufweisen. Auf diese
Weise weist die Brennstoffzelle verschiedene Kühlungseffizienzen für verschiedene
darin befindliche Bereiche oder Einheitszellen auf.
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In
jeder der obigen Ausführungsformen
ist Kühlwasser
als Kühlmittel
zum Kühlen
der Brennstoffzelle dargestellt. Es kann jedoch auch ein weiteres
Fluid, wie z. B. Ethylenglykol, Öl
oder dergleichen, als Kühlmittel
verwendet werden.
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Ein
erster Separator (46), eine Einheitszelle (42b)
und ein zweiter Separator (48) einer weiteren Einheitszelle
(42a) sind nebeneinander in einer gestapelten Anordnung
(44) angeordnet. Scheiteloberflächen der geraden Abschnitte
(64) der ersten hohlen Rippen (60) des ersten
Separators (46) stehen in Kontakt mit den Scheiteloberflächen von
zweiten hohlen Rippen (68) des zweiten Separators (48),
wobei die Scheiteloberflächen
der gebogenen Abschnitte (66) der ersten hohlen Rippen
(60) von den Scheiteloberflächen der zweiten hohlen Rippen
(68) beabstandet sind. Die beabstandeten Scheiteloberflächen erlauben
ersten Vertiefungen (62) des ersten Separators (46)
und zweiten Vertiefungen (70) des zweiten Separators (48),
miteinander in Verbindung zu stehen, wodurch Verbindungsdurchlässe (72)
zwischen dem ersten Separator (46) und dem zweiten Separator
(48) geschaffen werden. Durch die Verbindungsdurchlässe (72)
wird Kühlwasser
geleitet.