DE112004001839B4

DE112004001839B4 - Stapel von Brennstoffzellen mit multidirektionaler Brennstoffströmung

Info

Publication number: DE112004001839B4
Application number: DE112004001839T
Authority: DE
Inventors: Manabu Kato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2024-10-02
Also published as: WO2005034273A1; CA2536330C; US20060257710A1; CA2536330A1; CN100435397C; JP2005116205A; JP4595305B2; US7754391B2; CN1864297A; DE112004001839T5

Abstract

Stapel von Brennstoffzellen, die von einer nicht zirkulierenden Brenngasart sind, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird, wobei der Stapel von Brennstoffzellen Folgendes aufweist: einen Zellenstapelkörper, der eine Vielzahl von Einheitszellen hat, die übereinander gelegt sind, und der einen Brenngasströmungsweg hat, der in ihm ausgebildet ist, um eine Strömung des Brenngases zu ermöglichen; eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die mit dem Zellenstapelkörper versehen sind und funktionieren, um den Brenngasströmungsweg, der in dem Zellenstapelkörper ausgebildet ist, mit entweder einer Außenseite des Zellenstapelkörpers oder einer Brenngaszufuhrquelle zu verbinden, und den Brenngasströmungsweg in dem Zellenstapelkörper von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle zu trennen; und ein Verbindungsmechanismussteuermodul, das ausgebildet ist, um in einem normalen Betriebszustand wenigstens einen Verbindungsmechanismus unter der Vielzahl von Verbindungsmechanismen in einen getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle einzustellen, während es die restlichen Verbindungsmechanismen in einen verbindenden Zustand...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die nur eine Einheitszelle hat und ebenso auf einen Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Einheitszellen hat, die übereinander gelegt sind.
Es gibt zwei typische Verfahren Brenngas (wasserstoffreiches Gas) zu Brennstoffzellen zuzuführen. Das erste Verfahren ist Zufuhr der zirkulierenden Art, bei der das Brenngas, das zu den Brennstoffelektroden oder Anoden geliefert wird, um elektrochemische Reaktionen zu erfahren, zu den Anoden rezirkuliert wird. Das zweite Verfahren ist eine Zufuhr der nicht zirkulierenden Art, bei der das Brenngas, das zu den Anoden geliefert wird, nicht zu den Anoden rezirkuliert wird.
Die Brennstoffzellen der nicht zirkulierenden Art erfordern keine Rohrstrukturen und Pumpen für ein rezirkulieren des Brenngases zu den Anoden. Dies führt zu einer Größenverringerung eines Brennstoffzellensystems.
In den Brennstoffzellen der nicht zirkulierenden Art des Stands der Technik wird eine ausreichende Energieerzeugung in Einheitszellen in einem Bereich von einem Einlass zu dem ungefähren Zentrum des Brenngasströmungswegs hin geleistet, während Einheitszellen in einem Bereich nahe dem Auslass des Brenngasströmungswegs einen relativ geringen Beitrag zu der Energieerzeugung leisten. Die Einheitszellen in dem Bereich von dem Einlass zu dem ungefähren Zentrum des Brenngasströmungswegs ergänzen demzufolge die ungenügende Energieerzeugung durch die Einheitszellen in dem Bereich nahe dem Auslass des Brenngasströmungswegs. Dies führt zu einer thermischen Verschlechterung der Anoden (Brennstoffelektroden) und Kathoden (Luftelektroden) der Einheitszellen in dem Bereich von dem Einlass zu dem ungefähren Zentrum des Brenngasströmungswegs, ebenso wie zu einer Verschlechterung des Katalysators und des Trägerelements in den Kathoden der Einheitszellen in dem Bereich nahe dem Auslass des Brenngasströmungswegs.
Die ansteigende Energieerzeugung erhöht die Reaktionswärme in den Einheitszellen und verschlechtert thermisch das Material der Anodenelektroden oder baut dieses ab. Dies ist die thermische Verschlechterung der Kathoden und der Anoden. Dieses Problem tritt sowohl in der Einheitszellenstruktur als auch in der Stapelstruktur der Vielzahl von Einheitszellen auf.
Ein Anstieg des Potenzials der Kathoden in den Einheitszellen in dem Bereich nahe dem Auslass des Brenngasströmungswegs, der einen kleinen Beitrag zur Energieerzeugung hat, bewirkt elektrochemische Schädigungen an bzw. Beschädigungen der Kathoden. Dies ist die Verschlechterung des Katalysators und des Trägerelements in den Kathoden. Konvektion von Stickstoff und Wasser, die von den Kathoden übertragen werden, in den Anoden bildet eine quasi interne Zelle aus. Die Elektronen, die ursprünglich von den Anoden zu den Kathoden fließen sollten, laufen in umgekehrter Richtung von den Kathoden zu den Anoden in der Stapelstruktur der Vielzahl von Einheitszellen. Die Elektronen laufen auch in der Ebene der Kathode und in der Ebene der Anode sowohl in der Einheitszellenstruktur als auch in den Stapelstruktur der Vielzahl von Einheitszellen. Für solch ein Phänomen ist die Erzeugung von Elektronen an den Kathoden erfordert. Die Elektronen werden durch Reaktion von Kohlenstoff mit Wasser oder durch die Ionisierung von Platin produziert. Dies führt zu einem Verbrauch von Kohlenstoff als das Trägerelement und Platin als der Katalysator an den Kathoden.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung von Brennstoffzellen der nicht zirkulierenden Art zu beschränken, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird, genauso wie die Haltbarkeit der Brennstoffzellen zu erhöhen.
Um wenigstens einen Teil des Vorstehenden und der anderen verknüpften Aufgaben zu erreichen, sieht ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Stapel von Brennstoffzellen vor, die von einer nicht zirkulierenden Brenngasart sind, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird. Der Stapel von Brennstoffzellen des ersten Aspekts der Erfindung hat: einen Zellenstapelkörper, der eine Vielzahl von Einheitszellen hat, die übereinander gelegt sind, und der einen Brenngasströmungsweg hat, der in ihm ausgebildet ist, um ein Strömen des Brenngases zu ermöglichen; eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die mit dem Zellenstapelkörper vorgesehen sind und funktionieren, um den Brenngasströmungsweg, der in dem Zellenstapelkörper ausgebildet ist, mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers zu verbinden und den Brenngasströmungsweg in dem Zellenstapelkörper von der Außenseite des Zellenstapelkörpers zu trennen; und ein Verbindungsmechanismussteuermodul, das selektiv die Vielzahl von Verbindungsmechanismen zu einem verbindenden Zustand ändert, wenn sich Unreinheiten/Verunreinigungen ansammeln.
In dem ersten Aspekt der Erfindung, unter einer voreingestellten Bedingung, d. h. wenn sich Unreinheiten/Verunreinigungen ansammeln, werden die Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die mit dem Zellenstapelkörper vorgesehen sind, selektiv zu dem Verbindungszustand geändert, um den Brenngasströmungsweg, der in dem Zellenstapelkörper ausgebildet ist, mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers zu verbinden. Dies ändert selektiv die Strömungsrichtung des Brenngases durch den Brenngasströmungsweg und beschleunigt eine Diffusion des Brenngases ins Innere des Zellenstapelkörpers. Diese Anordnung beschränkt wünschenswerterweise eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzellen und verbessert die Haltbarkeit der Brennstoffzellen.
In dem ersten Aspekt der Erfindung, kann das selektive Umschalten der Vielzahl von Verbindungsmechanismen zu dem verbindenden Zustand erreicht werden durch Einstellen wenigstens eines Verbindungsmechanismus, der stromabwärts des Brenngasströmungswegs gelegen ist, in eine verbindende Position. Diese Anordnung aktiviert die Strömung des Brenngases in dem Brenngasströmungsweg und entlässt das Brenngas mit einem hohen Anteil von Unreinheiten, das stromabwärts des Brenngasströmungswegs angesammelt wird, wirksam zu der Außenseite des Zellenstapelkörpers.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung sieht einen Stapel von Brennstoffzellen vor, die von einer nicht zirkulierenden Brenngasart sind, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird. Der zweite Stapel von Brennstoffzellen des zweiten Aspekts der Erfindung hat:
einen Zellenstapelkörper, der eine Vielzahl von Einheitszellen hat, die übereinander gelegt sind, und hat einen Brenngasströmungsweg, der in ihm ausgebildet ist, um ein Strömen des Brenngases zu ermöglichen; eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die mit dem Zellenstapelkörper vorgesehen sind und funktionieren, um den Brenngasströmungsweg, der in dem Zellenstapelkörper ausgebildet ist, mit entweder einer Außenseite des Zellenstapelkörpers oder einer Brenngaszufuhrquelle zu verbinden, und den Brenngasströmungsweg in dem Zellenstapelkörper von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle zu trennen; und ein Verbindungsmechanismussteuermodul, das, in einem normalen Betriebszustand, wenigstens einen Verbindungsmechanismus unter der Vielzahl von Verbindungsmechanismen in einen getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle einstellt, während es die restlichen Verbindungsmechanismen in einen verbindenden Zustand mit der Brenngaszufuhrquelle einstellt. Wenn sich Unreinheiten/Verunreinigungen ansammeln, schaltet das Verbindungsmechanismussteuermodul den wenigstens einen Verbindungsmechanismus um, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, um den Brenngasströmungsweg mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers zu verbinden.
In dem zweiten Aspekt der Erfindung wird, unter der voreingestellten Bedingung, d. h. wenn sich Unreinheiten/Verunreinigungen ansammeln, unter der Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die mit dem Zellenstapelkörper vorgesehen sind, der wenigstens eine Verbindungsmechanismus in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle umgeschaltet, um den Brenngasströmungsweg mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers zu verbinden. Solch ein Umschalten aktiviert wirksam die Strömung des Brenngases in dem Zellenstapelkörper. Eine ausreichende Menge des Brenngases wird somit zu dem Zellenstapelkörper in der Umgebung des wenigstens einen Verbindungsmechanismus geliefert, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist. Diese Anordnung beschränkt wünschenswerterweise eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzellen und verbessert die Haltbarkeit der Brennstoffzellen.
In dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung wählt das Verbindungsmechanismussteuermodul sequenziell verschiedene Verbindungsmechanismen als den wenigstens einen Verbindungsmechanismus aus, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt wird, um sukzessive mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers verbunden zu werden. Die Ausführungsform dieser Struktur wählt sequenziell die verschiedenen Verbindungsmechanismen als den wenigstens einen Verbindungsmechanismus aus, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, um mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers verbunden zu sein. Dieses ändert selektiv die Strömungsrichtung des Brenngases durch den Brenngasströmungsweg und beschleunigt eine Diffusion des Brenngases im Inneren des Zellenstapelkörpers. Diese Anordnung beschränkt erwünschterweise eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzellen und verbessert die Haltbarkeit der Brennstoffzellen.
Der erste Stapel von Brennstoffzellen oder der zweite Stapel von Brennstoffzellen kann des Weiteren eine Spannungsmesseinheit haben, die eine Ausgabespannung misst. Eine voreingestellte Bedingung ist erfüllt, d. h. die Unreinheiten/Verunreinigungen sind angesammelt, wenn die gemessene Ausgabespannung geringer ist als ein voreingestelltes Level bzw. voreingestellter Wert. Diese Struktur schätzt eine Erhöhung der Änderung der Energieerzeugung unter den jeweiligen Einheitszellen ab. Solch eine Schätzung ist wirksam verwendbar, um eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzellen zu beschränken und die Haltbarkeit der Brennstoffzellen zu erhöhen.
Der erste Stapel von Brennstoffzellen oder der zweite Stapel von Brennstoffzellen kann des Weiteren eine Vielzahl von Verbindungsanschlüssen, die einen Luftströmungsweg, der in dem Zellenstapelkörper ausgebildet ist, mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers verbinden; eine Vielzahl von Referenzelektroden, die jeweils nahe zu der Vielzahl von Verbindungsmechanismen und der Vielzahl von Auslassanschlüssen angeordnet sind; und ein Bestimmungsmodul haben, das eine Erhöhungsrate des Potenzials bestimmt, das durch wenigstens eine der Referenzelektroden gemessen wird. Die voreingestellte Bedingung ist erfüllt, d. h. die Unreinheiten/Verunreinigungen sind angesammelt, wenn das Bestimmungsmodul bestimmt, dass die Erhöhungsrate des Potenzials in einer Umgebung des wenigstens einen Verbindungsmechanismus, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, nicht geringer ist als ein voreingestelltes Level bzw. ein voreingestellter Wert. Diese Struktur schätzt eine Erhöhung des Potenzials der Kathode. Solch eine Schätzung ist effektiv verwendbar, um eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzellen zu beschränken und die Haltbarkeit der Brennstoffzellen zu erhöhen.
In jedem von dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung ist die voreingestellte Bedingung erfüllt, d. h. die Unreinheiten/Verunreinigungen sind angesammelt, wenn eine vorbestimmte Zeitperiode vergangen ist, nach dem Einstellen des wenigstens einen Verbindungsmechanismus in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle. Diese Struktur variiert regelmäßig die Strömung des Brenngases in dem Zellenstapelkörper und verbreitet das Brenngas im Inneren des Zellenstapelkörpers in ausreichender Weise.
Ein dritter Aspekt der Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor, die von einer nicht zirkulierenden Brenngasart ist, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird. Die Brennstoffzelle des dritten Aspekts der Erfindung hat eine Membranelektrodenbaugruppe, die zwischen einem Anodentrennelement und einem Kathodentrennelement angeordnet ist. Diese Brennstoffzelle hat des Weiteren: eine Brenngaspassage, die durch das Anodentrennelement und die Membranelektrodenbaugruppe definiert ist; eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die in dem Anodentrennelement ausgebildet sind und funktionieren, um die Brenngaspassage mit einer Außenseite der Brennstoffzelle zu verbinden und die Brenngaspassage von der Außenseite der Brennstoffzelle zu trennen; und ein Verbindungsmechanismussteuermodul, das selektiv die Vielzahl von Verbindungsmechanismen zu einem verbindenden Zustand umschaltet, wenn sich Unreinheiten/Verunreinigungen ansammeln.
Der dritte Aspekt der Erfindung übt dieselben Funktionen und Effekte aus, wie diejenigen des Stapels von Brennstoffzellen des ersten Aspekts der Erfindung, der vorstehend diskutiert ist. Die verschiedenartigen Anordnungen, die für den Stapel der Brennstoffzellen des ersten Aspekts der Erfindung angewendet werden, sind auch auf die Brennstoffzelle des dritten Aspekts der Erfindung anwendbar.
Ein vierter Aspekt der Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor, die von einer nicht zirkulierenden Brenngasart ist, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird. Die Brennstoffzelle des vierten Aspekts der Erfindung hat eine Membranelektrodenbaugruppe, die zwischen einem Anodentrennelement und einem Kathodentrennelement gelegen ist. Diese Brennstoffzelle hat des Weiteren: eine Brenngaspassage, die durch das Anodentrennelement und die Membranelektrodenbaugruppe definiert ist; eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die in dem Anodentrennelement ausgebildet sind und die funktionieren, um die Brenngaspassage mit entweder einer Außenseite der Brennstoffzelle oder einer Brenngaszufuhrquelle zu verbinden, und die Brenngaspassage von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle als auch von der Brenngaszufuhrquelle zu trennen; und ein Verbindungsmechanismussteuermodul, das, in einem normalen Betriebszustand, wenigstens einen Verbindungsmechanismus unter der Vielzahl von Verbindungsmechanismen in einen getrennten Zustand von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle als auch der Brenngaszufuhrquelle einstellt, während es die restlichen Verbindungsmechanismen in einen verbindenden Zustand mit der Brenngaszufuhrquelle einstellt. Wenn eine voreingestellte Bedingung erfüllt ist, d. h. wenn Unreinheiten/Verunreinigungen angesammelt sind, schaltet das Verbindungsmechanismussteuermodul den wenigstens einen Verbindungsmechanismus um, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, um die Brenngaspassage mit der Außenseite der Brennstoffzelle zu verbinden.
Der vierte Aspekt der Erfindung übt dieselben Funktionen und Effekte aus, wie diejenigen des Stapels von Brennstoffzellen des zweiten Aspekts der Erfindung, der vorstehend beschrieben ist. Die verschiedenartigen Anordnungen, die für den Stapel von Brennstoffzellen des zweiten Aspekts der Erfindung angewendet werden, können auch auf die Brennstoffzelle des vierten Aspekts der Erfindung angewendet werden.
In dem ersten bis vierten Aspekt wird jede Brennstoffzelle mit der Zufuhr des Brenngases betrieben, das im Inneren in dem normalen Betriebszustand gehalten wird.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher von der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit den begleitenden Zeichnungen.
1 stellt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems dar, das einen Brennstoffzellenstapel 20 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung hat;
2 stellt schematisch die interne Struktur des Brennstoffzellenstapels 20 in der ersten Ausführungsform dar;
3 zeigt einen ersten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in normalen Betriebszuständen;
4 zeigt einen ersten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen;
5 zeigt einen zweiten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den normalen Betriebszuständen;
6 zeigt einen zweiten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen;
7 zeigt einen dritten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den normalen Betriebszuständen;
8 zeigt einen dritten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen;
9 zeigt einen vierten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den normalen Betriebszuständen;
10 zeigt einen vierten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen;
11 zeigt einen ersten Betriebszustand einer Umschaltventilbaugruppe, um Brenngases in den normalen Betriebszuständen und in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen zuzuführen;
12 zeigt einen zweiten Betriebszustand der Umschaltventilbaugruppe, um das Unreinheiten enthaltende Gas in den normalen Betriebszuständen auszulassen;
13 zeigt einen dritten Betriebszustand der Umschaltventilbaugruppe, um das Unreinheiten enthaltende Gas in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen auszulassen;
14 zeigt eine Änderung des Beitrags zur Energieerzeugung unter Einheitszellen in einem Brennstoffzellenstapel des Stands der Technik;
15 stellt schematisch die interne Struktur einer Brennstoffzelle 60 (Trennelement 61) in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dar; und
16 zeigt eine Änderung des Energieerzeugungsbereichs als einen Nachteil einer Brennstoffzelle (Einheitszelle) des Stands der Technik.
Die Brennstoffzellen der Erfindung sind mit einigen bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Ein Brennstoffzellensystem, das Brennstoffzellen hat, ist als eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 20 in der ersten Ausführungsform hat. 2 zeigt schematisch den internen Aufbau des Brennstoffzellenstapels 20 in der ersten Ausführungsform.
Das Brennstoffzellensystem 10 der ersten Ausführungsform hat den Brennstoffzellenstapel 20 von einer Vielzahl von Einheitszellen, die übereinander gelegt sind, Hochdruckwasserstoffbehälter 30, die Wasserstoffgas speichern, das als ein Brenngas zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt werden soll, und einen Steuerschaltkreis 50, der Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 steuert, die für den Brennstoffzellenstapel 20 vorgesehen sind.
Der Brennstoffzellenstapel 20 hat einen Zellenstapelkörper 21 von einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen 210 als kleinste Einheiten, die übereinander gelegt sind, und Verbindungsanschlüsse 22, 23, 24 und 25 die das Innere des Zellenstapelkörpers 21 mit der Außenseite verbinden. Die Einheitsbrennstoffzelle 210 hat typischerweise eine Membranelektrodenbaugruppe, die ein Paar Elektroden hat, die an beiden Flächen einer Elektrolytmembran angeordnet sind, und ist zwischen einem Anodentrennelement und einem Kathodentrennelement angeordnet. Wie in 2 gezeigt ist, sind Brenngasströmungswege 211, 212 und 213 für das Strömen des Brenngases im Inneren des Zellenstapelkörpers 21 ausgebildet. Die Enden der Brenngasströmungswege 211 und 212 sind mit den Verbindungsanschlüssen 22, 23, 24 und 25 verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist als nicht zirkulierende Brennstoffzellen ausgebildet, wo das Brenngas, das durch die Brenngasströmungswege 211, 212 und 213 strömt und elektrochemische Reaktionen erfährt, nicht wieder zu den Brenngasströmungswegen 211, 212 und 213 (zu dem Brennstoffzellenstapel 20) zugeführt wird, sondern zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 20 ausgelassen wird. Eine Ladung bzw. Belastung 55 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 20 verbunden, wie in 1 gezeigt ist. Ein Spannungssensor 51 ist an einer Lieferlinie 551 gelegen, die den Brennstoffzellenstapel 20 mit der Ladung 55 verbindet, um die Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu messen.
Die Brenngasströmungswege 211, 212 und 213 sind mit Intra-Zellenbrenngaspassagen 214 verbunden, die in den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen 210 ausgebildet sind. Das Brenngas strömt durch die Brenngasströmungswege 211, 212 und 213, und wird in die jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen 210 über die Brenngaspassagen 214 geführt.
Die Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 sind jeweils mit den Verbindungsanschlüssen 23, 22, 24 und 25 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden. In der Struktur dieser Ausführungsform hat jede der Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 ein Dreiwegeventil V3 und ein Zweiwegeventil V2 für ein elektromagnetisches Umschalten zwischen einem verbindenden Zustand und einem getrennten Zustand. Die Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 funktionieren, um selektiv die Brenngasströmungswege 211 und 212, die in dem Zellenstapelkörper 21 ausgebildet sind, mit entweder den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als Brenngaszufuhrquellen oder der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu verbinden oder die Brenngasströmungswege 211 und 212 von sowohl den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 und der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu trennen. In den normalen Betriebszuständen ist eine der Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 von sowohl den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als auch der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 getrennt, sodass der Brennstoffzellenstapel 20 als die Brennstoffzellen der nicht zirkulierenden Art arbeitet. Das Umschalten der jeweiligen Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 wird durch Antriebszustände des Brennstoffzellensystems 10 bestimmt.
Obwohl es im Speziellen nicht dargestellt ist, hat der Steuerschaltkreis 50 eine CPU, die verschiedenartige Serien von Operationen ausführt, eine ROM, die Umschaltprogramme für die Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 und eine Vielzahl von anderen Prozessprogrammen speichert, und einen RAM, der temporär die Ergebnisse der Operationen durch die CPU und verschiedene Daten speichert. Der Steuerschaltkreis 50 steuert die Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 10. Betätigungselemente (elektromagnetische Betätigungselemente) der jeweiligen Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 und der Spannungssensor 51 sind mit dem Steuerschaltkreis 50 verbunden.
Die Beschreibung betrachtet nun den Strömungszustand des Brenngases in dem Zellenstapelkörper des Brennstoffzellenstapels 20 mit Bezug auf 2. Hier wird angenommen, dass der Verbindungsanschluss 22 geschlossen ist, damit der Brennstoffzellenstapel 20 als die Brennstoffzellen der nicht zirkulierenden Art arbeitet. In der geschlossenen Position des Verbindungsanschlusses 22 ist die Umschaltventilbaugruppe 41 von sowohl den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als auch der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 getrennt.
Die Strömung des Brenngases, das von einem von den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 zugeführt wird, wird zu den Brenngasströmungswegen 211 und 212 mittels der Verbindungsanschlüsse 23, 24 und 25 geliefert. Das Brenngas, das zu den Brenngasströmungswegen 211 und 212 geliefert wird, strömt durch die Intra-Zellenbrenngaspassagen 214 in den Brenngasströmungsweg 213. Das Brenngas wird somit gleichförmig zu den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen 210 geliefert.
Das Brenngas, das zu den Brenngasströmungswegen 211 und 212 zugeführt worden ist aber nicht zu den Intra-Zellenbrenngaspassagen 214 geströmt ist oder in den Brenngasströmungsweg 213 geströmt ist, erreicht schließlich die Umgebung des geschlossenen Verbindungsanschlusses 22. Das Brenngas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 22 ansammelt wird, neigt dazu, eine relativ geringe Wasserstoffkonzentration und eine große Menge von Unreinheiten zu haben, die Stickstoff einschließen.
Die Strömungszustände des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 der ersten Ausführungsform und die Betriebszustände der Umschaltventilbaugruppen 40, 41, 42 und 43 sind nachstehend mit Bezug auf 3 bis 14 beschrieben. 3 zeigt einen ersten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in normalen Betriebszuständen. 4 zeigt einen ersten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen. 5 zeigt einen zweiten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den normalen Betriebszuständen. 6 zeigt einen zweiten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen. 7 zeigt einen dritten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den normalen Betriebszuständen. 8 zeigt einen dritten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen. 9 zeigt einen vierten Strömungszustand des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den normalen Betriebszuständen. 10 zeigt einen vierten Strömungszustand des Brenngases und des Unreinheiten enthaltenden Gases in dem Brennstoffzellenstapel 20 in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen. 11 zeigt einen ersten Betriebszustand einer Umschaltventilbaugruppe, um Brenngas in den normalen Betriebszuständen und in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen zuzuführen. 12 zeigt einen zweiten Betriebszustand der Umschaltventilbaugruppe, um das Unreinheiten enthaltende Gas in den normalen Betriebszuständen auszulassen. 13 zeigt einen dritten Betriebszustand der Umschaltventilbaugruppe, um das Unreinheiten enthaltende Gas in den Unreinheiten enthaltenden Gasauslasszuständen auszulassen. 14 zeigt eine Änderung des Beitrags zur Energieerzeugung unter Einheitszellen in einem Brennstoffzellenstapel des Stands der Technik.
Bei der Anfangsphase des normalen Betriebs, stellt der Steuerschaltkreis 50 die Umschaltventilbaugruppe 41 in den zweiten Betriebszustand (siehe 12) ein, um die Umschaltventilbaugruppe 41 von sowohl den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als auch der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu trennen, während er die anderen Umschaltventilbaugruppen 40, 42 und 43 in den ersten Betriebszustand (siehe 11) einstellt, um die Brenngasströmungswege 211 und 212, die in dem Zellenstapelkörper 21 ausgebildet sind, mit den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 zu verbinden. Die Strömung des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 ist demzufolge in den ersten Strömungszustand eingestellt, der in 3 gezeigt ist. Das Brenngas wird durch die Umschaltventilbaugruppen 40, 42 und 43 zugeführt, erfährt elektrochemische Reaktionen und wird in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 22 (der Umschaltventilbaugruppe 41) angesammelt. Das Brenngas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 22 angesammelt wird, hat eine niedrige Wasserstoffkonzentration und eine relativ hohe Menge von Unreinheiten, die Stickstoff und Wasser einschließen.
Wenn die Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 20, die durch den Spannungssensor 51 gemessen wird, unter ein voreingestelltes Level verringert wird, erfasst der Steuerschaltkreis 50 die Notwendigkeit des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases und stellt die Umschaltventilbaugruppe 41 in den dritten Betriebszustand (siehe 13) ein, um den Brenngasströmungsweg 211 in dem Zellenstapelkörper 21 mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu verbinden. Die Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 20 wird demzufolge verringert mit einer Erhöhung der Menge von Unreinheiten, wie Stickstoff und Wasser, die durch die Elektrolytmembran von der Kathodenseite zu der Anodenseite übertragen werden. Das Unreinheiten enthaltende Gas, das in der Umgebung des Auslassanschlusses 22 angesammelt ist, wird dann zu der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21, zum Beispiel zu der Atmosphäre ausgelassen, wie in 4 gezeigt ist.
Nachdem eine voreingestellte Zeitperiode vergangen ist, nach dem Umschalten der Umschaltventilbaugruppe 41 zu dem dritten Betriebszustand, stellt der Steuerschaltkreis 50 die Umschaltventilbaugruppe 43 in den zweiten Betriebszustand (siehe 12) ein, um die Umschaltventilbaugruppe 43 von sowohl den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als auch der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu trennen, während er die anderen Umschaltventilbaugruppen 40, 41 und 42 in den ersten Betriebszustand (siehe 11) einstellt, um die Brenngasströmungswege 211 und 212, die in dem Zellenstapelkörper 21 ausgebildet sind, mit den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 zu verbinden. Dies stellt den Antriebszustand des Brennstoffzellenstapels 20 auf die normalen Betriebszustände ein. Die Strömung des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 ist demzufolge in den zweiten Strömungszustand eingestellt, der in 5 gezeigt ist. Das Brenngas wird durch die Umschaltventilbaugruppen 40, 41 und 42 zugeführt, erfährt die elektrochemischen Reaktionen und wird in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 25 (der Umschaltventilbaugruppe 43) angesammelt. Das Brenngas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 25 angesammelt wird, hat eine niedrige Wasserstoffkonzentration und eine relativ große Menge von Unreinheiten, die Stickstoff und Wasser einschließen.
Wenn die Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 20, die durch den Spannungsmesser 51 gemessen wird, unter das voreingestellte Level verringert wird, erfasst der Steuerschaltkreis 50 die Notwendigkeit des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases und stellt die Umschaltventilbaugruppe 43 in den dritten Betriebszustand (siehe 13) ein, um den Brenngasströmungsweg 211 in dem Zellenstapelkörper 21 mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu verbinden. Das Unreinheiten enthaltende Gas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 25 angesammelt ist, wird dann zu der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21, zum Beispiel zu der Atmosphäre ausgelassen, wie in 6 gezeigt ist.
Nachdem eine voreingestellte Zeitspanne vergangen ist, nach dem Umschalten der Umschaltventilbaugruppe 43 zu dem dritten Betriebszustand, stellt der Steuerschaltkreis 50 die Umschaltventilbaugruppe 42 in den zweiten Betriebszustand (siehe 12) ein, um die Umschaltventilbaugruppe 42 von sowohl den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als auch der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu trennen, während er die anderen Umschaltventilbaugruppen 40, 41 und 43 in den ersten Betriebszustand (siehe 11) einstellt, um die Brenngasströmungswege 211 und 212, die in dem Zellenstapelkörper 21 ausgebildet sind, mit den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 zu verbinden. Dies stellt den Antriebszustand des Brennstoffzellenstapels 20 auf die normalen Antriebszustände ein. Die Strömung des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 ist demzufolge in den dritten Strömungszustand eingestellt, der in 7 gezeigt ist. Das Brenngas wird durch die Umschaltventilbaugruppen 40, 41 und 43 zugeführt, erfährt die elektrochemischen Reaktionen und wird in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 24 (der Umschaltventilbaugruppe 42) angesammelt. Das Brenngas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 24 angesammelt wird, hat eine niedrige Wasserstoffkonzentration und eine relativ große Menge von Unreinheiten, die Stickstoff und Wasser einschließen.
Wenn die Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 20, die durch den Spannungsmesser 51 gemessen wird, unter das voreingestellte Level verringert wird, erfasst der Steuerschaltkreis 50 die Notwendigkeit des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases und stellt die Umschaltventilbaugruppe 42 in den dritten Betriebszustand (siehe 13) ein, um den Brenngasströmungsweg 212 in dem Zellenstapelkörper 21 mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu verbinden. Das Unreinheiten enthaltende Gas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 24 angesammelt ist, wird dann zu der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21, zum Beispiel zu der Atmosphäre ausgelassen, wie in 8 gezeigt ist.
Nachdem eine voreingestellte Zeitperiode vergangen ist, nach dem Umschalten der Umschaltventilbaugruppe 42 zu dem dritten Betriebszustand, stellt der Steuerschaltkreis 50 die Umschaltventilbaugruppe 40 in den zweiten Betriebszustand (siehe 12) ein, um die Umschaltventilbaugruppe 40 von sowohl den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als auch der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu trennen, während er die anderen Umschaltventilbaugruppen 41, 42 und 43 in den ersten Betriebszustand (siehe 11) einstellt, um die Brenngasströmungswege 211 und 212, die in dem Zellenstapelkörper 21 ausgebildet sind, mit den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 zu verbinden. Dies stellt den Antriebszustand des Brennstoffzellenstapels 20 auf die normalen Antriebszustände ein. Die Strömung des Brenngases in dem Brennstoffzellenstapel 20 ist demzufolge in den vierten Strömungszustand eingestellt, der in 9 gezeigt ist. Das Brenngas wird durch die Umschaltventilbaugruppen 41, 42 und 43 zugeführt, erfährt die elektrochemischen Reaktionen und wird in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 23 (der Umschaltventilbaugruppe 40) angesammelt. Das Brenngas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 23 angesammelt wird, hat eine niedrige Wasserstoffkonzentration und eine relativ große Menge von Unreinheiten, die Stickstoff und Wasser einschließen.
Wenn die Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 20, die durch den Spannungsmesser 51 gemessen wird, unter das voreingestellte Level verringert wird, erfasst der Steuerschaltkreis 50 die Notwendigkeit des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases und stellt die Umschaltventilbaugruppe 40 in den dritten Betriebszustand (siehe 13) ein, um die Brenngasströmungswege 212 in dem Zellenstapelkörper 21 mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21 zu verbinden. Das Unreinheiten enthaltende Gas, das in der Umgebung des Verbindungsanschlusses 22 angesammelt ist, wird dann zu der Außenseite des Zellenstapelkörpers 21, zum Beispiel zu der Atmosphäre ausgelassen, wie in 10 gezeigt ist.
Der Steuerschaltkreis 50 wiederholt sequenziell die vier Muster, die vorstehend beschrieben sind. Anstatt der gemessenen Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 20, kann eine empirisch bestimmte Referenzzeit für eine Erfassung der Notwendigkeit des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases bestimmt werden. Die Notwendigkeit des Auslassens kann ansonsten gemäß einer Erhöhungsrate oder einer Abnahmerate der Spannung bestimmt werden, die durch Referenzelektroden gemessen wird, die in den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen 210 angeordnet sind.
Wie vorstehend beschrieben ist, ändert bzw. schaltet der Brennstoffzellenstapel 20 der ersten Ausführungsform sequenziell die Umschaltventilbaugruppe um, um das Unreinheiten enthaltende Gas auszulassen. Solch ein sequenzielles Schalten ändert sukzessive den Ansammlungsbereich des Unreinheiten enthaltenden Gases (d. h. die Position des geschlossenen Verbindungsanschlusses). Diese Anordnung verhindert wünschenswerterweise, dass das Unreinheiten enthaltende Gas in einem festen Bereich des Brennstoffzellenstapels 20 angesammelt wird, und beschränkt somit eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 und verbessert die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 20.
Das sukzessive Ändern des Ansammlungsbereichs des Unreinheiten enthaltenden Gases verbreitet das Kraftstoffgas vollständig über den gesamten Bereich des Brennstoffzellenstapels 20 und ermöglicht, dass alle die Einheitsbrennstoffzellen 210, die in dem Brennstoffzellenstapel 20 eingeschlossen sind, gleichmäßig elektrische Energie erzeugen. Diese Anordnung eliminiert wünschenswerterweise den Nachteil der Struktur eines Brennstoffzellenstapels 70 des Stands der Technik, der in 14 gezeigt ist. In der Struktur des Stands der Technik von 14 tragen stromaufwärtige Einheitsbrennstoffzellen 71a (d. h. Einheitszellen in einem Bereich von dem Einlass zu dem ungefähren Zentrum) unter all den Einheitsbrennstoffzellen 71a des Brennstoffzellenstapels 70 hauptsächlich zur Energieerzeugung bei, während stromabwärtige Einheitsbrennstoffzellen 71b (d. h. Einheitszellen in einem Bereich nahe dem Auslass) nur einen geringen Beitrag zur Energieerzeugung leisten. Die Anordnung der Ausführungsform verhindert wirksam eine Potenzialbeschädigung bzw. Potenzialschaden der Anoden und der Kathoden in den stromaufwärtigen Einheitsbrennstoffzellen (in dem Bereich von dem Einlass zu dem Zentrum) aufgrund einer hohen Reaktionswärme durch die exzessive Reaktion (Energieerzeugung), genauso wie eine Potenzialbeschädigung bzw. Potenzialschaden der Kathoden in den stromabwärtigen Einheitsbrennstoffzellen (in dem Bereich nahe dem Auslass) aufgrund elektrochemische Reaktionen mit einer Potenzialerhöhung.
In der Struktur der ersten Ausführungsform ist jeder der Verbindungsanschlüsse 22 bis 25 ein Loch, das sowohl die Funktion des Lieferns des Brenngases als auch des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases hat. Dies vereinfacht wünschenswerterweise die Struktur des Zellenstapelkörpers 21 und der Brenngasströmungswege 211, 212 und 213, während die Gesamtgröße des Brennstoffzellenstapels 20 verringert wird.
Zweite Ausführungsform
Eine Brennstoffzelle 60 in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 15 und 16 beschrieben. 15 stellt schematisch den internen Aufbau der Brennstoffzelle 60 in der zweiten Ausführungsform dar. 16 zeigt eine Änderung des Energieerzeugungsbereichs als einen Nachteil einer Brennstoffzelle (Einheitszelle) des Stands der Technik.
Die Brennstoffzelle 60 der zweiten Ausführungsform hat nur eine Einheitszelle. Die Potenzialbeschädigung des Elektrodenkatalysators aufgrund einer Differenz des Beitrags zur Energieerzeugung ist nicht das einzigartige Problem, das in einem Stapel von Brennstoffzellen auftritt, der einen Unterschied zwischen stromaufwärtigen Einheitsbrennstoffzellen und stromabwärtigen Einheitsbrennstoffzellen hat, sondern tritt auch in einer Intra-Zellenbrenngaspassage auf, die in der Einheitszelle ausgebildet ist.
Die Brennstoffzelle 60 der zweiten Ausführungsform hat ein Trennelement 61, das zwei Einlass-/Auslassanschlüsse 611 und 612 und eine Intra-Zellenbrenngaspassage 613 hat, die die zwei Einlass-/Auslassanschlüsse 611 und 612 verbindet, um eine Strömung des Brenngases zu ermöglichen, das von einem Hochdruckwasserstoffbehälter zugeführt wird. Referenzelektroden R für ein Messen des Potenzials sind in der Intra-Zellenbrenngaspassage 613 nahe den jeweiligen Einlass-/Auslassanschlüssen 611 und 612 in dem Trennelement 61 angeordnet. Die Brennstoffzelle 60 hat auch Umschaltventilbaugruppen 62 und 63, die selektiv die Intra-Zellenbrenngaspassage 613 mit entweder der Außenseite der Brennstoffzelle 60 oder dem Hochdruckwasserstoffbehälter verbinden oder die Intra-Zellenbrenngaspassage 613 von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle 60 als auch dem Hochdruckwasserstoffbehälter trennen.
Bei der Anfangsphase des normalen Betriebs wird die Umschaltventilbaugruppe 62 mit dem Hochdruckwasserstoffbehälter verbunden, wohingegen die Umschaltventilbaugruppe 63 von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle 60 als auch dem Hochdruckwasserstoffbehälter getrennt wird. Eine fortlaufende Operation in diesem Zustand bewirkt, dass das Unreinheiten enthaltende Gas in einem Bereich der Intra-Zellenbrenngaspassage 613 in der Umgebung des Einlass-/Auslassanschlusses 612 angehäuft wird. Solch eine Anhäufung erhöht das Potenzial, das durch die Referenzelektroden R gemessen wird, die nahe dem Einlass-/Auslassanschluss 612 gelegen sind.
Wenn eine Erhöhungsrate des Potenzials, das durch die Referenzelektroden R gemessen wird, (d. h. eine Potenzialerhöhungsrate pro Zeiteinheit) ein voreingestelltes Level übersteigt, wird die Umschaltventilbaugruppe 63 mit der Außenseite der Brennstoffzelle 60 verbunden, um das Unreinheiten enthaltende Gas, das in der Umgebung des Einlass-/Auslassanschlusses 612 angesammelt ist, zu der Außenseite der Brennstoffzelle 60 zu entlassen.
Die Umschaltventilbaugruppe 63 wird dann mit dem Hochdruckwasserstoffbehälter verbunden, während die Umschaltventilbaugruppe 62 von sowohl der Außenseite des Brennstoffzellenstapels 60 als auch dem Hochdruckwasserstoffbehälter getrennt wird. Ein fortlaufender Betrieb in diesem Zustand bewirkt, dass das Unreinheiten enthaltende Gas in einem Bereich der Intra-Zellenbrenngaspassage 613 in der Umgebung des Einlass-/Auslassanschlusses 611 angesammelt wird. Solch eine Ansammlung erhöht das Potenzial, das durch die Referenzelektroden R gemessen wird, die nahe dem Einlass-/Auslassanschluss 611 gelegen sind.
Wenn die Erhöhungsrate des Potenzials, das durch die Referenzelektroden R gemessen wird, (d. h. die Potenzialerhöhungsrate pro Zeiteinheit) das voreingestellte Level übersteigt, wird die Umschaltventilbaugruppe 62 mit der Außenseite der Brennstoffzelle 60 verbunden, um das Unreinheiten enthaltende Gas, das in der Umgebung des Einlass-/Auslassanschlusses 611 angehäuft ist, zu der Außenseite der Brennstoffzelle 60 auszulassen.
Diese zwei Muster, die vorstehend beschrieben sind, werden sequenziell wiederholt. Die Notwendigkeit des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases kann gemäß der gemessenen Ausgabespannung der Brennstoffzelle 60 erfasst werden, oder gemäß einer empirisch bestimmten Referenzzeit, anstelle der Erhöhungsrate des Potenzials, das durch die Referenzelektroden R gemessen wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, schaltet die Brennstoffzelle 60 der zweiten Ausführungsform sequenziell die Umschaltventilbaugruppe um, um das Unreinheiten enthaltende Gas auszulassen. Solch ein sequenzielles Umschalten verändert sukzessive den Ansammlungsbereich des Unreinheiten enthaltenden Gases an dem Trennelement 61 (Elektrode). Diese Anordnung verhindert wünschenswerterweise, dass das Unreinheiten enthaltende Gas in einem festen Bereich der Brennstoffzelle 60 angeordnet wird, und verhindert somit eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 60 und verbessert die Haltbarkeit der Brennstoffzelle 60.
Das sukzessive Ändern des Anordnungsbereichs des Unreinheiten enthaltenden Gases verbreitet das Brenngas vollständig über den gesamten Bereich der Brennstoffzelle 60 (der Intra-Zellenbrenngaspassage 613) und ermöglicht, dass der gesamte Bereich der Brennstoffzelle 60 gleichmäßig elektrische Energie erzeugt. Diese Anordnung eliminiert wünschenswerterweise den Nachteil der Struktur einer Brennstoffzelle des Stands der Technik, die in 16 gezeigt ist. In der Struktur des Stands der Technik von 16 trägt nur ein stromaufwärtiger Bereich 713a (d. h. ein Bereich von dem Einlass zu dem ungefähren Zentrum) einer Intra-Zellenbrenngaspassage 713 hauptsächlich zur Energieerzeugung bei, während ein stromabwärtiger Bereich 713b (d. h. ein Bereich nahe dem Auslass) nur einen geringen Beitrag zur Energieerzeugung leistet. Die Anordnung der zweiten Ausführungform verhindert wirksam eine Potenzialbeschädigung der Anode und der Kathode in dem Bereich von dem Einlass zu dem Zentrum aufgrund einer hohen Reaktionswärme durch die exzessive Reaktion (Energieerzeugung), genauso wie eine Potenzialbeschädigung der Kathode in dem Bereich nahe zu dem Auslass, aufgrund der elektrothermischen Reaktionen mit einem Potenzialanstieg.
Modifikationen
In der Struktur der ersten Ausführungsform sind die Verbindungsanschlüsse 22 bis 25 parallel zu den vertikalen Seiten an den quer verlaufenden Sektionen des Brennstoffzellenstapels 20 ausgebildet. Die Verbindungsanschlüsse können eine dreidimensionale Anordnung haben, zum Beispiel können sie diagonal an der quer verlaufenden Sektion gelegen sein.
Der Aufbau der Brenngasströmungswege 211 und 212 in dem Brennstoffzellenstapel 20 der ersten Ausführungsform ist nur beispielhaft und keinesfalls restriktiv. Die Brenngasströmungswege können jede passende Anordnung haben, zum Beispiel eine diagonale Anordnung.
Der Brennstoffzellenstapel 20 (der Zellenstapelkörper 21) der ersten Ausführungsform hat die vier Verbindungsanschlüsse 22 bis 25. Die Zahl der Verbindungsanschlüsse ist nicht auf 4 beschränkt, sondern kann jeder geeignete Wert sein, der nicht geringer als 2 ist. Jeder der Verbindungsanschlüsse 22 bis 25 hat sowohl die Funktion des Zuführens des Brenngases als auch die Funktion des Auslassens des Unreinheiten enthaltenden Gases. Verbindungsanschlüsse, die nur eine von diesen Funktionen haben, können in Paaren oder separat angeordnet sein. In dieser modifizierten Struktur ist jeder Verbindungsanschluss mit einer Umschaltventilbaugruppe versehen, die sowohl ein Umschaltventil für ein Verbinden des Brenngasströmungswegs mit der Außenseite der Brennstoffzelle 20 als auch ein Umschaltventil für ein Verbinden des Brenngasströmungswegs mit dem Hochdruckwasserstoffbehälter 30 hat.
In der Struktur der ersten Ausführungsform sind die Verbindungsanschlüsse 22 bis 25 an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels 20 (des Zellenstapelkörpers 21) ausgebildet, um einander in der Horizontalrichtung gegenüberzuliegen. Die Verbindungsanschlüsse können andererseits an der vorderen Fläche und der hinteren Fläche des Brennstoffzellenstapels 20 ausgebildet sein, um einander in der Horizontalrichtung gegenüberzuliegen, oder an der Deckfläche und der Bodenfläche des Brennstoffzellenstapels 20 ausgebildet sein, um einander in der Vertikalrichtung gegenüberzuliegen. Die Verbindungsanschlüsse können sowohl in der Horizontalrichtung als auch in der Vertikalrichtung angeordnet sein. Die Brenngasströmungswege 211, 212 und 213, die in dem Zellenstapelkörper 21 ausgebildet sind, sind nur beispielhaft und keinesfalls restriktiv. Die Brenngasströmungswege können sich sowohl in der Horizontalrichtung als auch in der Vertikalrichtung erstrecken. Mehrere Brenngasströmungswege können angeordnet sein, um sich zu kreuzen.
Der Aufbau der Intra-Zellenbrenngaspassage 613 in dem Trennelement 61 in der Struktur der zweiten Ausführungsform ist nur beispielhaft und keinesfalls restriktiv. Die Brenngaspassage kann irgendeine von verschiedenartigen Strukturen haben, zum Beispiel eine Flächenstruktur.
In der Struktur der zweiten Ausführungsform sind die Verbindungsanschlüsse 611 und 612 an einer Seitenfläche der Brennstoffzelle 60 ausgebildet. Die Verbindungsanschlüsse können an gegenüberliegenden Seitenflächen ausgebildet sein, um einander in der Horizontalrichtung gegenüberzuliegen. Die Verbindungsanschlüsse können andererseits an wenigstens einer von der Bodenfläche und der Deckfläche ausgebildet sein, um einander in der Horizontalrichtung oder in der Vertikalrichtung gegenüberzuliegen. Die Verbindungsanschlüsse können in sowohl einer sich vertikal erstreckenden Fläche als auch in einer sich horizontal erstreckenden Fläche ausgebildet sein. Der Aufbau der Intra-Zellenbrenngaspassage 613 ist nur beispielhaft und keinesfalls restriktiv. Die Intra-Zellenbrenngaspassage kann einen einzelnen Strömungsweg oder mehrere Strömungswege haben, und kann sich entweder in der Horizontalrichtung oder in der Vertikalrichtung erstrecken.
Die Ausführungsformen und ihre modifizierten Beispiele, die vorstehend beschrieben sind, sind in allen Aspekten als beispielhaft und nicht als restriktiv zu betrachten. Es können viele Modifikationen, Variationen und Änderungen gemacht werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass alle Änderungen innerhalb der Bedeutung und dem Bereich der Ansprüche von diesen umfasst werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche gekennzeichnet, mehr als durch die vorangegangene Beschreibung.
In einem Stapel von Brennstoffzellen 20 der nicht zirkulierenden Art, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird, stellt ein Steuerschaltkreis 50 eine Umschaltventilbaugruppe 41 in einen getrennten Zustand von sowohl Hochdruckwasserstoffbehältern 30 als auch einer Außenseite eines Zellenstapelkörpers 21 ein, während er restliche Umschaltventilbaugruppen 40, 42 und 43 in einen verbindenden Zustand einstellt, um das Innere des Zellenstapelkörpers 21 mit den Hochdruckwasserstoffbehältern 30 zu verbinden. Die Zufuhr des Brenngases wird demzufolge in den Stapel von Brennstoffzellen 20 mittels Umschaltventilbaugruppen 40, 42 und 43 geliefert, und erfährt elektrochemische Reaktionen. Ein Unreinheiten enthaltendes Gas wird nach den elektrochemischen Reaktionen in der Umgebung eines Verbindungsanschlusses 22 angesammelt. Der Steuerschaltkreis 50 stellt dann die Umschaltventilbaugruppe 41 in einen verbindenden Zustand ein, um das Innere der Brennstoffzelle 20 mit der Außenseite zu verbinden, und das Unreinheiten enthaltende Gas zu der Außenseite der Brennstoffzelle 20 auszulassen. Der Steuerschaltkreis 50 schaltet sequenziell die Umschaltventilbaugruppen 40 bis 43 zu dem verbindenden Zustand um und verhindert dadurch, dass das Unreinheiten enthaltende Gas in der Umgebung eines bestimmten Verbindungsanschlusses angesammelt wird. Diese Anordnung beschränkt wünschenswerterweise eine Potenzialverschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzellen und verbessert die Haltbarkeit der Brennstoffzellen.

Claims

Stapel von Brennstoffzellen, die von einer nicht zirkulierenden Brenngasart sind, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird, wobei der Stapel von Brennstoffzellen Folgendes aufweist: einen Zellenstapelkörper, der eine Vielzahl von Einheitszellen hat, die übereinander gelegt sind, und der einen Brenngasströmungsweg hat, der in ihm ausgebildet ist, um eine Strömung des Brenngases zu ermöglichen; eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die mit dem Zellenstapelkörper versehen sind und funktionieren, um den Brenngasströmungsweg, der in dem Zellenstapelkörper ausgebildet ist, mit entweder einer Außenseite des Zellenstapelkörpers oder einer Brenngaszufuhrquelle zu verbinden, und den Brenngasströmungsweg in dem Zellenstapelkörper von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle zu trennen; und ein Verbindungsmechanismussteuermodul, das ausgebildet ist, um in einem normalen Betriebszustand wenigstens einen Verbindungsmechanismus unter der Vielzahl von Verbindungsmechanismen in einen getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle einzustellen, während es die restlichen Verbindungsmechanismen in einen verbindenden Zustand mit der Brenngaszufuhrquelle einstellt, wobei das Verbindungsmechanismussteuermodul ausgebildet ist, um, wenn sich Unreinheiten ansammeln, den wenigstens einen Verbindungsmechanismus umzuschalten, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, um den Brenngasströmungsweg zu der Außenseite des Zellenstapelkörpers zu verbinden, wobei das Verbindungsmechanismussteuermodul ausgebildet ist, um sequenziell verschiedene Verbindungsmechanismen als den wenigstens einen Verbindungsmechanismus auszuwählen, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, um sukzessive mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers verbunden zu werden, und jede Brennstoffzelle mit der Zufuhr des Brenngases betrieben wird, das im Inneren in dem normalen Betriebszustand gehalten wird.
Stapel von Brennstoffzellen gemäß Anspruch 1, wobei der Stapel von Brennstoffzellen des Weiteren Folgendes aufweist: eine Spannungsmesseinheit, die eine Ausgabespannung misst, wobei die voreingestellte Bedingung erfüllt ist, wenn die gemessene Ausgabespannung geringer ist als ein voreingestelltes Level.
Stapel von Brennstoffzellen gemäß Anspruch 1, wobei der Stapel von Brennstoffzellen des Weiteren Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Verbindungsanschlüssen, die einen Luftströmungsweg, der in dem Zellenstapelkörper ausgebildet ist, mit der Außenseite des Zellenstapelkörpers verbinden; eine Vielzahl von Referenzelektroden, die jeweils nahe zu der Vielzahl von Verbindungsmechanismen und der Vielzahl von Verbindungsanschlüssen angeordnet ist; und ein Bestimmungsmodul, das ausgebildet ist, um eine Erhöhungsrate des Potenzials zu bestimmen, das durch wenigstens eine der Referenzelektroden gemessen wird, wobei Unreinheiten angesammelt sind, wenn das Bestimmungsmodul bestimmt, dass die Erhöhungsrate des Potenzials in einer Umgebung des wenigstens einen Verbindungsmechanismus, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, nicht geringer ist als ein voreingestelltes Level.
Stapel von Brennstoffzellen gemäß Anspruch 1, wobei Unreinheiten angesammelt sind, wenn eine vorbestimmte Zeitperiode vergangen ist, nach dem Einstellen des wenigstens einen Verbindungsmechanismus in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite des Zellenstapelkörpers als auch der Brenngaszufuhrquelle.
Brennstoffzelle, die von einer nicht zirkulierenden Brenngasart ist, wo eine Zufuhr eines Brenngases nicht rezirkuliert wird, wobei die Brennstoffzelle eine Membranelektrodenbaugruppe hat, die zwischen einem Anodentrennelement und einem Kathodentrennelement gelegen ist, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren Folgendes aufweist: eine Brenngaspassage, die durch das Anodentrennelement und die Membranelektrodenbaugruppe definiert ist; eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen, die in dem Anodentrennelement ausgebildet sind und funktionieren, um die Brenngaspassage mit entweder einer Außenseite der Brennstoffzelle oder einer Brenngaszufuhrquelle zu verbinden, und die Brenngaspassage von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle als auch der Brenngaszufuhrquelle zu trennen; und ein Verbindungsmechanismussteuermodul, das ausgebildet ist, um in einem normalen Betriebszustand wenigstens einen Verbindungsmechanismus unter der Vielzahl von Verbindungsmechanismen in einen getrennten Zustand von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle als auch der Brenngaszufuhrquelle einzustellen, während es die restlichen Verbindungsmechanismen in einen verbindenden Zustand mit der Brenngaszufuhrquelle einstellt, wobei das Verbindungsmechanismussteuermodul ausgebildet ist, um, wenn sich Unreinheiten ansammeln, den wenigstens einen Verbindungsmechanismus umzuschalten, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, um die Brenngaspassage zu der Außenseite der Brennstoffzelle zu verbinden, wobei das Verbindungsmechanismussteuermodul ausgebildet ist, um sequenziell verschiedene Verbindungsmechanismen als den wenigstens einen Verbindungsmechanismus auszuwählen, der in den getrennten Zustand von sowohl der Außenseite der Brennstoffzelle als auch der Brenngaszufuhrquelle eingestellt ist, um sukzessive mit der Außenseite der Brennstoffzelle verbunden zu werden, und die Brennstoffzelle mit der Zufuhr des Brenngases betrieben wird, das im Inneren in dem normalen Betriebszustand gehalten wird.