DE112004002549T5

DE112004002549T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004002549T5
Application number: DE112004002549T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Toyota Izawa; Naoki Toyota Ito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-10-05
Also published as: JP2005190684A; US20070298299A1; WO2005062408A2; CA2548481A1; WO2005062408A3

Abstract

Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat und die ein wasserstoffpermeables Metall aufweist, wobei die Brennstoffzelle Folgendes aufweist:
einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Ausgleichen einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle, wobei die ungleichmäßige Temperaturverteilung durch Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und/oder Umgebungen der Brennstoffzelle verursacht wird.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und bezieht sich insbesondere auf eine Brennstoffzelle mit einer Elektrolytschicht und einer wasserstoffpermeablen Metallschicht.
Hintergrund des Stands der Technik
Verschiedene Bauarten von Brennstoffzellen sind vorgeschlagen worden. Beispielsweise hat eine bekannte Brennstoffzelle eine wasserstoffpermeable Palladiummetallmembran, die als Anodenstruktur an einer protonenleitfähigen Elektrolytschicht ausgebildet ist. Bei dieser Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik hat die Metallmembran, die als Anodenstruktur an der Elektrolytschicht ausgebildet ist, eine Wasserstoffpermeabilität und ermöglicht somit, dass auch reformiertes Gas mit einer relativ geringen Reinheit direkt als Brennstoffgas zu der Anode zugeführt wird.
Der Metallwerkstoff der wasserstoffpermeablen Metallschicht hat im Allgemeinen einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und verändert die Ausdehnungsrate mit einer Veränderung in der Temperatur beträchtlich. Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der wasserstoffpermeablen Metallschicht verursacht demgemäß unterschiedliche Ausdehnungsraten an jeweiligen Orten der wasserstoffpermeablen Metallschicht. Das lässt die wasserstoffpermeable Metallschicht altern und verringert in unerwünschter Art und Weise die Haltbarkeit der wasserstoffpermeablen Metallschicht. Die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle kann ebenso die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verschlechtern. Zum Aufrechterhalten der ausreichend hohen Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle ist es demgemäß erforderlich, die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle auszugleichen und die Betriebstemperatur der gesamten Brennstoffzelle in einem vorbestimmten Temperaturbereich zu halten.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es somit, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen und die verringerte Haltbarkeit und Verschlechterung der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen zu verhindern, die wasserstoffpermeable Metallschichten haben.
Zum Lösen zumindest eines Teils der vorstehend genannten und anderer zugehöriger Aufgaben ist die vorliegende Erfindung auf eine Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht gerichtet, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat und ein wasserstoffpermeables Metall aufweist. Die Brennstoffzelle weist einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Ausgleichen einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle auf, die durch eine oder beide von Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und den Umgebungen der Brennstoffzelle verursacht wird.
Die Brennstoffzelle der Erfindung mit dem vorstehend genannten Aufbau gleicht die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus, die durch eine oder beide von Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und der Umgebungen der Brennstoffzelle verursacht wird. Diese Anordnung verhindert wirksam die verringerte Haltbarkeit der wasserstoffpermeablen Metallschicht und die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle.
Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt der Brennstoffzelle der Erfindung steuert der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine Wärmeerzeugung in einem Bereich höherer Temperatur, der eine höhere Temperatur als der übrige Bereich hat, aufgrund einer oder beider Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und der Umgebungen der Brennstoffzelle.
Diese Anordnung verringert eine Wärmeerzeugung in dem Bereich höherer Temperatur, der die höhere Temperatur als der übrige Bereich hat, was somit wirksam die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle ausgleicht.
Bei der Brennstoffzelle der Erfindung ist es vorzuziehen, dass der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine elektrochemische Reaktion in dem Bereich höherer Temperatur unterdrückt.
Die elektrochemische Reaktion erzeugt Wärme in der Brennstoffzelle. Die Unterdrückung der elektrochemischen Reaktion verringert somit die Wärmeerzeugung und gleicht die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Brennstoffzelle der Erfindung ist der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine Katalysatorschicht, die einen Katalysator zur Beschleunigung der elektrochemischen Reaktion enthält, und ist an einer Elektrode der Brennstoffzelle ausgebildet, um einen geringeren Gehalt des Katalysators in einer spezifischen Region entsprechend dem Bereich höherer Temperatur als einem Gehalt des Katalysators in einer übrigen Region entsprechend dem übrigen Bereich zu haben.
Diese Anordnung unterdrückt die elektrochemische Reaktion in der spezifischen Region der Katalysatorschicht mit dem geringeren Gehalt des Katalysators, was somit die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle ausgleicht.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Gesichtspunkt der Brennstoffzelle der Erfindung ist der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine Elektrode, die eine dünne Metallmembran ist, die eine elektrochemische Reaktion hat und ausgelegt ist, um einen kleineren Flächeninhalt in einer spezifischen Region entsprechend dem Bereich höherer Temperatur zu haben.
Diese Anordnung unterdrückt die elektrochemische Region in der spezifischen Region, die den kleineren Flächeninhalt der Elektrode hat, was somit die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle ausgleicht.
Bei der Brennstoffzelle dieser Struktur kann die Elektrode die wasserstoffpermeable Metallschicht sein. Die wasserstoffpermeable Metallschicht, die als Elektrode funktioniert, ist so ausgelegt, dass sie einen kleineren Flächeninhalt in der spezifischen Region hat, die der Fläche mit höherer Temperatur entspricht. Diese Anordnung gleicht wirksam die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus.
Bei der Brennstoffzelle der Erfindung kann der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt die wasserstoffpermeable Metallschicht sein, die so ausgelegt ist, dass sie eine größere Dicke in einer spezifischen Region hat, die dem Bereich höherer Temperatur entspricht.
Diese Anordnung unterdrückt die elektrochemische Reaktion in der spezifischen Region mit der größeren Dicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht, was somit die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle ausgleicht.
Bei der Brennstoffzelle der Erfindung ist es vorzuziehen, dass ein reformiertes Gas, das durch Reformieren eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs vorbereitet wird, als Brennstoffgas verwendet wird, das zu einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Das durch Reformieren eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs erhaltene Gas hat im Allgemeinen eine höhere Temperatur als das Wasserstoffgas, das in einem Wassertank gespeichert ist. Das als Brennstoffgas verwendete reformierte Gas neigt zu einem übermäßigen Anstieg der Temperatur in einem spezifischen Bereich der Brennstoffzelle und eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Vergleich mit dem Niedertemperatur-Wasserstoffgas zu verursachen. Die Technologie der Erfindung ist somit wirksam anwendbar auf die Struktur, bei der das reformierte Gas als Brennstoffgas verwendet wird, um die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle auszugleichen und damit die verringerte Haltbarkeit und die verschlechterte Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle wirksam zu verhindern.
Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt der Brennstoffzelle der Erfindung weist der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt einen Reformerkatalysatorabschnitt auf, der so ausgebildet ist, dass er in Kontakt mit einer Anode innerhalb der Brennstoffzelle steht, und enthält einen Reformerkatalysator zum Beschleunigen einer Reformerreaktion zum Erzeugen von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff. Der Reformerkatalysatorabschnitt nimmt Zufuhren des Kohlenwasserstoffbrennstoffs und von Dampf auf und hat einen größeren Gehalt des Reformerkatalysators in einer spezifischen Region, die dem Bereich höherer Temperatur entspricht, als einen Gehalt des Reformerkatalysators in der übrigen Region, die dem übrigen Bereich entspricht.
Der Reformerkatalysator beschleunigt die endotherme Reformerreaktion. Ein Temperaturanstieg wird somit wirksamer in der spezifischen Region mit dem größeren Gehalt des Reformerkatalysators in den Reformerkatalysatorabschnitt beschränkt. Diese Anordnung stört wirksam einen Temperaturanstieg in der spezifischen Region, die die höhere Temperatur als die restliche Region hat, und gleicht dadurch die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Gesichtspunkt der Brennstoffzelle der Erfindung weist der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt einen Shift-Katalysatorabschnitt auf, der so ausgebildet ist, dass er in Kontakt mit einer Anode innerhalb der Brennstoffzelle steht, und enthält einen Shift-Katalysator zum Beschleunigen einer Shift-Reaktion zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid und Dampf. Der Shift-Katalysatorabschnitt nimmt eine Zufuhr eines reformierten Gases auf, das Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Dampf enthält, und hat einen größeren Gehalt des Shift-Katalysators in einer spezifischen Region, die einem Bereich niedrigerer Temperatur entspricht, der eine niedrigere Temperatur als ein verbleibender Bereich aufgrund einer oder beider Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und der Umgebungen der Brennstoffzelle, als ein Gehalt des Shift-Katalysators in einer übrigen Region entsprechend dem verbleibenden Bereich.
Der Shift-Katalysator beschleunigt die exotherme Shift-Reaktion. Ein Temperaturanstieg wird demgemäß in der spezifischen Region mit dem größeren Gehalt des Shift-Katalysators in dem Shift-Katalysatorabschnitt beschleunigt. Diese Anordnung verhindert wirksam einen Temperaturabfall in der spezifischen Region, die die niedrigere Temperatur als die übrige Region hat, und gleicht dadurch die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus.
Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung ist der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt vorgesehen, um eine ungleichmäßige Temperaturverteilung an einer identischen Ebene der Brennstoffzelle als Einheitszelle eines Brennstoffzellenstacks zu bewältigen, die durch eine oder beide der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und der Umgebungen der Brennstoffzelle verursacht wird.
Diese Struktur gleicht wirksam die ungleichmäßige Temperaturverteilung an einer identischen Ebene der Brennstoffzelle als Einheitszelle des Brennstoffzellenstacks aus.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Anzahl der Brennstoffzellen als Einheitszellen zum Ausbilden eines Brennstoffzellenstacks laminiert und ist der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Bewältigen einer gesamten ungleichmäßigen Temperaturverteilung in dem gesamten Brennstoffzellenstack vorgesehen, die durch eine oder beide der Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen und der Umgebungen der Brennstoffzellen verursacht wird.
Diese Struktur gleicht wirksam die ungleichmäßige Temperaturverteilung in dem gesamten Stack der Brennstoffzellen aus.
Die Erfindung ist ferner auf eine erste Brennstoffzellenvorrichtung gerichtet, die eine Brennstoffzelle aufweist, wobei die Brennstoffzelle eine wasserstoffpermeable Metallschicht hat, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat, und die ein wasserstoffpermeables Metall aufweist. Die erste Brennstoffzellenvorrichtung hat einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Steuern einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen aufgrund der Temperatur und der Strömungsrichtung eines Reaktionsgases, das den Brennstoffzellen zugeführt wird, um einer elektrochemischen Reaktion unterzogen zu werden. Der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt weist Folgendes auf: einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad zum Zuführen und Ausstoßen des Reaktionsgases in und von den Brennstoffzellen; ein erstes Umschaltelement, das in dem ersten Strömungspfad vorgesehen ist, um eine Umschaltung zwischen einem Gaseinlasszustand zum Gestatten, dass das Reaktionsgas von einer Leitung gefördert wird, die sich mit dem ersten Strömungspfad verbindet, und um in die Brennstoffzellen eingeführt zu werden, und einen Gasausstoßzustand vorzunehmen zum Verbinden des ersten Strömungspfades mit dem Außenbereich zum Ausstoßen des Reaktionsgases, das durch die Brennstoffzellen nach außen geströmt ist; und ein zweites Umschaltelement, das in dem zweiten Strömungspfad vorgesehen ist, um eine Umschaltung zwischen dem Gaseinlasszustand, zum Gestatten, dass das Reaktionsgas von einer Leitung gefördert wird, die sich mit dem zweiten Strömungspfad verbindet, um in die Brennstoffzellen eingeführt zu werden, und dem Gasausstoßzustand vorzunehmen zum Verbinden des zweiten Strömungspfads mit dem Außenbereich zum Ausstoßen des Reaktionsgases, das durch die Brennstoffzellen nach außen geströmt ist. Das erste Umschaltelement und das zweite Umschaltelement werden zum Regulieren der Strömungsrichtung des Reaktionsgases gesteuert, das durch die Brennstoffzellen tritt.
Die erste Brennstoffzellenvorrichtung der Erfindung ändert die Strömungsrichtung des Reaktionsgases zum Umschalten des Bereichs höherer Temperatur und des Bereichs niedrigerer Temperatur. Eine derartige Umschaltung beschränkt einen übermäßigen Temperaturanstieg oder Temperaturabfall in einem spezifischen Bereich, was somit die Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen ausgleicht. Diese Anordnung stört in wünschenswerter Art und Weise eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen, die durch die Temperatur und die Strömungsrichtung des Reaktionsgases verursacht wird, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, und verhindert somit wirksam, dass die Haltbarkeit der wasserstoffpermeablen Metallschichten verringert wird, und die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen.
Die vorliegende Erfindung ist ebenso auf eine zweite Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle gerichtet, wobei die Brennstoffzelle eine wasserstoffpermeable Metallschicht hat, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat, und die ein wasserstoffpermeables Metall aufweist. Die zweite Brennstoffzellenvorrichtung hat einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Steuern einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen aufgrund einer oder beider der Temperatur- und der Strömungsrichtung eines Reaktionsgases, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, um einer elektrochemischen Reaktion unterzogen zu werden, und den Umgebungen der Brennstoffzellen. Der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt weist Folgendes auf: ein Reaktionsgaszirkulationsmodul, das zumindest einen Teil eines Reaktionsabgases, das das Reaktionsgas ist, das durch die Brennstoffzellen geströmt ist und von diesen ausgestoßen wird, zu der Strömung des Reaktionsgases rezirkuliert; und ein Reaktionsgastemperaturverringerungsmodul, das die Temperatur des Reaktionsabgases vor der Rezirkulation des Reaktionsabgases zu der Strömung des Reaktionsgases verringert.
Die zweite Brennstoffzellenvorrichtung der Erfindung verringert die Temperatur des Reaktionsgases, das in die Brennstoffzellen strömt, und stört demgemäß einen potenziellen Temperaturanstieg in einem spezifischen Bereich der Brennstoffzellen, der durch die Temperatur und die Strömungsrichtung des Reaktionsgases und/oder die Umgebung der Brennstoffzellen verursacht wird. Diese Anordnung beschränkt in wünschenswerter Art und Weise eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen und verhindert somit wirksam, dass die Haltbarkeit der wasserstoffpermeablen Metallschichten verringert wird, und die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen.
Die Technologie der Erfindung ist nicht auf die Brennstoffzelle mit einer der vorstehend genannten Strukturen oder die Brennstoffzellenvorrichtung mit einer der vorstehend genannten Anordnungen beschränkt, sondern sie kann durch verschiedene andere Anwendungen, beispielsweise ein Energiezufuhrsystem, einschließlich Brennstoffzellen oder die Brennstoffzellenvorrichtung der Erfindung und ebenso einen sich bewegenden Körper mit den Brennstoffzellen der Erfindung gelöst werden, die daran als Antriebsenergiequelle montiert sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Einheitsbrennstoffzelle in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
2 zeigt schematisch die Strömungen von Fluiden in einer Einheitsbrennstoffzelle 20 des Ausführungsbeispiels;
3 zeigt eine Temperaturverteilung in einer Einheitszellenebene eines Brennstoffzellenstacks;
4 zeigt eine Veränderung einer Menge eines Katalysators, der an einer Katalysatorschicht gestützt ist, und eine Temperaturverteilung in Gegenwart der Katalysatorschicht;
5 zeigt eine Temperaturverteilung an einer Einheitszellenebene in einem Stack der Brennstoffzellen in einem weiteren Beispiel;
6 zeigt eine Veränderung eines Gehalts des Katalysators über einer Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle in dem Beispiel von 5;
7 zeigt eine Temperaturverteilung in einer Einheitszellenebene in einem Stack der Brennstoffzellen und noch einem weiteren Beispiel;
8 zeigt eine Veränderung des Gehalts des Katalysators über einer Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle in dem Beispiel von 7;
9 zeigt eine Temperaturverteilung an einer Einheitszellenebene in einem Stack der Brennstoffzellen in einem weiteren Beispiel;
10 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
11 zeigt eine Veränderung eines Flächeninhalts einer Kathode bei der Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels;
12 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
13 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle in einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
14 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer weiteren Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die einen sich verändernden Innenaufbau hat, in einem Beispiel darstellt;
15 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer weiteren Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die einen sich verändernden Innenaufbau hat, in einem weiteren Beispiel darstellt;
16 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer weiteren Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die einen sich verändernden Innenaufbau hat, in noch einem weiteren Beispiel darstellt;
17 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer weiteren Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die einen sich verändernden Innenaufbau hat, in einem weiteren Beispiel darstellt;
18 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
19 zeigt den Aufbau einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtung in einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
20 zeigt eine Veränderung einer Menge eines Reformerkatalysators, der an einen Gasseparator gestützt ist, in einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
21 zeigt die Auslegung von Katalysatoren, die an der Fläche eines Gasseparators gestützt sind, in einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
22 zeigt eine Veränderung einer Menge eines Shift-Katalysators, der an einem Gasseparator gestützt ist, in einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Einige Formen zum Ausführen der Erfindung sind nachstehend als bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben:
A: Aufbau der Brennstoffzelle in dem ersten Ausführungsbeispiel
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Einheitsbrennstoffzelle 20 als eine Einheit der Brennstoffzellen in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Einheitsbrennstoffzelle 20 hat ein Elektrolytmodul 23 mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht 22 und einer Elektrolytschicht 21, eine Katalysatorschicht 24, die an der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, eine Kathode 25, die an der Katalysatorschicht 24 ausgebildet ist, und ein Paar Gasseparatoren 27 und 29, die über der Baugruppe dieser geschichteten Struktur gelegen sind. Zelleninnenbrennstoffgasleitungen 30 sind durch den Gasseparator 27 und die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 definiert und dazwischen ausgebildet, um eine Strömung eines Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgases zu gestatten. In ähnlicher Weise sind Zellen in den Oxidationsgasleitungen 32 durch den Gasseparator 29 und die Kathode 25 definiert und dazwischen ausgebildet, um eine Strömung eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases zu gestatten. Die Brennstoffzellen der Erfindung haben einen Stackaufbau einschließlich einer Anzahl von Einheitsbrennstoffzellen 20, wie in 1 gezeigt ist. Kühlmittelleitungen 34 für eine Strömung eines Kühlmittels sind zwischen den angrenzenden Gasseparatoren 27 und 29 bei jedem Paar aneinander angrenzender Einheitszellen 20 ausgebildet.
Die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 besteht aus einem Metall mit einer Wasserstoffpermeabilität. Das Metall der wasserstoffpermeablen Metallschicht 22 kann beispielsweise Palladium (Pd) oder eine Pd-Legierung sein. Die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 kann anderenfalls eine mehrschichtige Membran mit einer Basismaterialschicht aus einem Metall der Gruppe 5, wie Vanadium (V), Niob (Nb) oder Tantal (Ta) oder einer ein Metall der Gruppe 5 enthaltenden Legierung und eine Schicht aus Pd oder einer Pd enthaltenden Legierung sein, die an zumindest einer Wand der Basismaterialschicht ausgebildet ist (an der Seite der Zelleninnenbrennstoffgasleitungen 30).
Die Elektrolytschicht 21 besteht aus einem Festelektrolyt mit einer Protonenleitfähigkeit, beispielsweise einem keramischen Protonenleiter aus BaCeO₃ oder SrCeO₃. Die Elektrolytschicht 21 ist durch Ablagern eines solchen Festoxids an der wasserstoffpermeablen Metallschicht 22 vorgesehen. Jede von verschiedenartigen bekannten Technologien, wie z. B. physikalische Dampfablagerung (PVD) und chemische Dampfablagerung (CVD) kann zum Ausbilden der Elektrolyt 21 angewendet werden. Die Elektrolytschicht 21 wird an der dichten wasserstoffpermeablen Metallschicht 22 ausgebildet und ist somit ausreichend dünn ausgebildet, so dass sie einen beträchtlich verringerten Membranwiderstand hat. Die Brennstoffzelle 20 dieses Aufbaus wird demgemäß in einem Betriebstemperaturbereich von ungefähr 200 bis 600°C betrieben, der beträchtlich niedriger als der Betriebstemperaturbereich der Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach dem Stand der Technik ist.
Die Katalysatorschicht 24 funktioniert zur Beschleunigung der elektrochemischen Reaktion, die an der Kathode 25 voranschreitet, und enthält ein Edelmetall, wie z. B. Platin (Pt). Die Kathode 25 ist eine Gasdiffusionselektrode aus einem leitfähigen Material mit einer Gaspermeabilität, wie z. B. ein poröser Metallschaum oder ein Metallgewebe, ein Kohlenstofffilz, ein Kohlenstoffpapier oder eine Keramik. In dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels wird die Katalysatorschicht 24 durch Herstellen des Metallkatalysators, beispielsweise Pt, der an einer Ebene der Kathode 25 gestützt ist, zu der Elektrolytschicht 21 weist. Der Aufbau der Katalysatorschicht 24 wird später genau beschrieben.
Die Gasseparatoren 27 und 29 sind nicht-gaspermeable Elemente, die aus einem leitfähigen Material, wie z. B. Kohlenstoff oder einem Metall bestehen. Die Gasseparatoren 27 und 29 bestehen vorzugsweise aus einem ähnlichen Material wie demjenigen der Kathode 25, die in Kontakt mit dem Gasseparator 29 stehen. Die Gasseparatoren 27 und 29 haben spezifisch gemusterte Flächen zum Definieren und Ausbilden der Zelleninnen- und Zwischenzellenfluidleitungen.
Das Brennstoffgas, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, kann ein wasserstoffreiches Gas sein, das durch Reformieren eines geeigneten Kohlenwasserstoffbrennstoffs erhalten wird, oder ein hoch reines Wasserstoffgas. Das Oxidationsgas, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, ist typischerweise Luft. Das Kühlmittel, das durch die Brennstoffzellen strömt, kann eine Flüssigkeit sein, wie z. B. Wasser oder ein Gas, wie z. B. Luft. Das Brennstoffgas, das in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist ein reformiertes Gas bei einer Temperatur von ungefähr 400°C, und das Oxidationsgas sowie das Kühlmittel sind Luft bei der Temperatur von ungefähr 25°C. Bei den Brennstoffzellen dieses Ausführungsbeispiels sind die Kühlmittelleitungen 34 zwischen jedem Paar aneinander angrenzender Einheitszellen 20 ausgebildet, wie in 1 gezeigt ist. Die Kühlmittelleitungen 34 können abwechselnd bei Intervallen einer voreingestellten Anzahl der Einheitszellen 20 ausgebildet werden.
B: Aufbau des Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus durch die elektrochemische Reaktionssteuerung
Die elektrochemische Reaktion erzeugt Wärme im Prozess der Energieerzeugung in der Brennstoffzelle. Das Kühlmittel strömt durch die Brennstoffzelle, wie vorstehend erwähnt ist, um die Wärme abzuführen und einen übermäßigen Anstieg der Innentemperatur der Brennstoffzelle zu verhindern. Die Strömungen des Oxidationsgases und des Brennstoffgases ebenso wie die Strömung des Kühlmittels durch die Brennstoffzelle können eine ungleichmäßige Verteilung der Innentemperatur verursachen. Bei der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels ist die Katalysatorschicht 24 so ausgelegt, dass sie als Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus zum Ausgleichen einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aufgrund der Strömungen dieser Fluide funktioniert.
Vor dem Aufbau der Katalysatorschicht 24 bezieht sich die Beschreibung auf die Strömungen der Fluide in der Brennstoffzelle und die Verteilung der Innentemperatur. Die spezifischen Muster, die an den Wänden der Gasseparatoren 24 und 29 ausgebildet sind, definieren die Leitungen zum Leiten der gesamten Strömungen des Brennstoffgases, des Oxidationsgases und des Kühlmittels jeweils in voreingestellte Richtungen. Beispielsweise können die Leitungen wechselseitig parallele mehrere Vertiefungen aufweisen, wie in 1 gezeigt ist, obwohl die Leitungen nicht auf die wechselseitig parallelen mehreren Vertiefungen beschränkt sind. 2 zeigt schematisch die Strömungen solcher Fluide in einer Einheitsbrennstoffzelle 20 des Ausführungsbeispiels. Die Strömung des Brennstoffgases, das durch die Zelleninnenbrennstoffgasleitungen läuft, die zwischen dem Elektrolytmodul 23 (als Baugruppe "23 + 24 + 25" in 2 gezeigt) und dem Gasseparator 27 ausgebildet sind, ist parallel zu der Strömung des Oxidationsgases, das durch die Zelleninnenoxidationsgasleitungen läuft, die zwischen der Kathode 25 (als Baugruppe "23 + 24 + 25" in 2 gezeigt) und dem Gasseparator 29 ausgebildet sind. Die Strömung des Kühlmittels, das durch die Kühlmittelleitungen läuft, die zwischen den aneinander angrenzenden Einheitszellen (oberhalb des Gasseparators 27 und unterhalb des Gasseparators 29 in 2 ausgebildet) ausgebildet sind, ist entgegengesetzt zu den Strömungen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases.
3 zeigt eine Temperaturverteilung an einer Einheitszellenebene eines Stacks der Brennstoffzellen ohne einen Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus, wenn das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmittelgas strömen, wie in 2 gezeigt ist. Die Abszisse von 3 zeigt die Position der Einheitszellenebene mit Bezug auf die jeweiligen Fluide, die durch die Einheitszelle strömen. Die Ordinate zeigt die Temperatur an jeder Position an der Einheitszellenebene. Die Pfeile stellen die Richtungen der Strömungen der jeweiligen Fluide dar. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Temperatur in der Einheitszelle in der Umgebung der Einlässe des Brennstoffgases und des Oxidationsgases und in der Umgebung eines Einlasses des Kühlmittels niedrig, der entgegengesetzt zu den Einlässen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases angeordnet ist, und erhöht sich in Richtung auf einen Mittelabschnitt, entfernt von den Einlässen an beiden Enden. Die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle kann experimentell untersucht werden oder kann genau mit Einstellungen von verschiedenartigen beeinflussenden Bedingungen, einschließlich der Bauarten, den Strömungsraten, den Temperaturen und den Strömungsrichtungen der jeweiligen Fluide und der Werkstoffe der jeweiligen Bauteile der Brennstoffzelle simuliert werden.
Bei der Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels wird die Katalysatorschicht 24 durch Herstellen des Metallkatalysators, wie z. B. Pt, der an der Ebene der Kathode 25 gestützt ist, die zu der Elektrolytschicht 21 weist. Die Menge des Katalysators, der an der Kathode 25 gestützt ist (der Gehalt des Katalysators), variiert gemäß der Position an der Kathode 25. 4(A) zeigt eine Veränderung des Gehalts des Katalysators über die gesamte Fläche der Katalysatorschicht 24. 4(B) zeigt eine Temperaturverteilung an einer Einheitszellenebene in einem Stack der Brennstoffzellen dieses Ausführungsbeispiels, wenn die Fluide auf die gleiche Art und Weise wie in dem Beispiel von 3 strömen. Wie in 3 zeigt die Abszisse von 4 die Position an der Einheitszellenebene mit Bezug auf die jeweiligen Fluide, die durch die Einheitszelle 20 strömen. Wie in 4(A) gezeigt ist, wird der Gehalt des Katalysators in der Katalysatorschicht 24 in einem Bereich höherer Temperatur verringert und wird in einem Bereich niedrigerer Temperatur gemäß der Temperaturverteilung von 3 erhöht. Die Katalysatorschicht 24 wird beispielsweise durch Aufbringen einer Paste, die feine Partikel des Metallkatalysators, wie z. B. Pt enthält, auf die Ebene der Kathode 25 ausgebildet, die zu der Elektrolytschicht 21 weist. Die Aufbringmenge der Paste an der Kathode 25 wird gemäß der Position an der Kathode 25 verändert. Das verändert den Gehalt des Katalysators, wie in 4(A) gezeigt ist. Die elektrochemische Reaktion wird in dem Bereich, der den niedrigeren Gehalt des Katalysators hat, im Vergleich mit dem Bereich, der den größeren Gehalt des Katalysators hat, unterdrückt. Eine solche Unterdrückung stört einen Temperaturanstieg in dem Bereich höherer Temperatur und gleicht demgemäß die Temperaturverteilung aus, wie in 4(B) gezeigt ist.
Bei der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels, die ausgelegt ist, wie vorstehend diskutiert ist, wird der Gehalt des Katalysators gemäß der Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle reguliert, die von den Temperaturen und den Strömungsrichtungen der jeweiligen Fluide abhängt, die zu der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Regulierung verringert den Gehalt des Katalysators in einem Bereich mit potenziell höherer Temperatur. Diese Anordnung gleicht wirksam die tatsächliche Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus und verhindert somit vorteilhaft die verringerte Haltbarkeit der wasserstoffpermeablen Metallschicht 22 und die Verschlechterung der Zellenleistungsfähigkeit aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle.
C: Andere Beispiele der Temperaturverteilung
In dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels, das vorstehend diskutiert ist, strömen das Brennstoffgas und das Oxidationsgas in die gleiche Richtung, während das Kühlmittel in die Richtung strömt, die entgegengesetzt zu den Strömungen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases an der Einheitszellenebene ist. Die Strömungsrichtungen der Fluide sind jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle hängt von den Strömungsrichtungen der Fluide ab. 5 und 7 zeigen erwartete Temperaturverteilungen an der Einheitszellenebene in anderen Beispielen der Strömungsrichtungen der Fluide.
5 zeigt eine Temperaturverteilung an einer Einheitszellenebene in einem Stack der Brennstoffzellen ohne Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus, wenn das Brennstoffgas und das Kühlmittel in die gleiche Richtung strömen und das Oxidationsgas in die Richtung strömt, die entgegengesetzt zu den Strömungen des Brennstoffgases und des Kühlmittels ist. Wie in 3 zeigt die Abszisse in 5 und 7 (später beschrieben) die Position an der Einheitszellenebene mit Bezug auf die jeweiligen Fluide, die durch die Einheitszelle strömen. Die Ordinate zeigt die Temperatur an jeder Position an der Einheitszellenebene. Die Pfeile stellen die Richtungen der Strömungen der jeweiligen Fluide dar. In dem Beispiel von 5 ist die Temperatur in der Einheitszelle in der Umgebung der Einlässe des Brennstoffgases und des Kühlmittelgases niedrig, steigt graduell von dem Rand der Einlässe des Brennstoffgases und des Kühlmittels stromabwärts an und verringert sich erneut in der Umgebung eines Einlasses des Oxidationsgases, der entgegengesetzt zu den Einlässen des Brennstoffgases und des Kühlmittelgases gelegen ist. Auf die gleiche Art und Weise, wie in 4(A), zeigt 6 eine Veränderung des Gehalts des Katalysators über einer Katalysatorschicht, die an der Kathode als Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus ausgebildet ist, bei der Brennstoffzelle, bei der die Zufuhren der Fluide auf diese Art und Weise strömen.
7 zeigt eine Temperaturverteilung an einer Einheitszellenebene in einem Stack der Brennstoffzellen ohne Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus, wenn das Oxidationsgas und das Kühlmittelgas in die gleiche Richtung strömen und das Brennstoffgas in die Richtung strömt, die entgegengesetzt zu den Strömungen des Oxidationsgases und des Kühlmittels ist. In dem Beispiel von 7 erreicht die Temperatur in der Einheitszelle das Maximum in der Umgebung eines Einlasses des Brennstoffgases und verringert sich graduell in Richtung auf den Rand der Einlässe des Oxidationsgases und des Kühlmittels, die entgegengesetzt zu dem Einlass des Brennstoffgases gelegen sind. Auf die gleiche Art und Weise wie in 4(A) zeigt 8 eine Veränderung des Gehalts des Katalysators über einer Katalysatorschicht, die an der Kathode als Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus ausgebildet ist, bei der Brennstoffzelle, bei der die Zufuhren der Fluide auf diese Art und Weise strömen.
In jedem dieser Beispiele wird der Gehalt des Katalysators in einem Bereich höherer Temperatur verringert und in einem Bereich niedrigerer Temperatur erhöht. Diese Anordnung unterdrückt die elektrochemische Reaktion in dem Bereich höherer Temperatur und gleicht dadurch die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus.
9 zeigt eine Temperaturverteilung an einer Einheitszellenebene in einem Stack der Brennstoffzellen ohne Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus, wenn das Brennstoffgas und das Oxidationsgas in die gleiche Richtung strömen und das Kühlmittel in die Richtung strömt, die senkrecht zu den Strömungen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases ist. Die untere Seite der Zeichnung von 9 stellt eine Einheitszellenebene dar. Die Veränderung der Temperatur an der Einheitszellenebene wird durch die Höhe von der Einheitszellenebene ausgedrückt. Die offenen Pfeile stellen die Strömungsrichtungen der jeweiligen Fluide dar. Die Zufuhren des Brennstoffgases und des Oxidationsgases haben niedrigere Temperaturen als die Innentemperatur der Brennstoffzelle. In dem Beispiel von 9 steigt die Temperatur demgemäß in einer stromabwärts gelegenen Region der Strömungen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases an der Einheitszellenebene an. Die Temperatur erreicht das Minimum in der Umgebung eines Einlasses des Kühlmittels. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus ist bei der Brennstoffzelle dieses Aufbaus vorgesehen, um die Wärmeerzeugung in einem Bereich höherer Temperatur zu verringern. Bei jeder dieser Strukturen ist der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus ausgelegt, um die elektrochemische Reaktion gemäß der Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle zu steuern und die elektrochemische Reaktion in einem Bereich mit potenziell höherer Temperatur zu unterdrücken. Diese Anordnung gleicht somit wirksam die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus.
Im Allgemeinen wird die Temperatur in der Umgebung eines Einlasses eines Niedertemperaturfluids, beispielsweise in der Umgebung eines Einlasses eines Niedertemperaturkühlmittels und/oder eines Niedertemperaturoxidationsgases verringert und steigt allmählich mit einem Abstand von dem Einlass des Niedertemperaturfluids an. Das verursacht eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus ist somit vorgesehen, um eine Wärmeerzeugung in einem Bereich zu verringern, der entfernt von dem Einlass des Niedertemperaturfluids liegt. Ein reformiertes Gas, das von einem Reformer gefördert wird, hat im Allgemeinen eine höhere Temperatur als das Wasserstoffgas, das in einem Wasserstofftank gespeichert ist. Das reformierte Gas, das als Brennstoffgas verwendet wird, neigt dazu, die Temperatur in einem spezifischen Bereich der Brennstoffzelle übermäßig anzuheben und eine ungleichmäßige Temperaturverteilung zu verursachen. Die Anordnung der Erfindung ist somit wirksam anwendbar auf den Aufbau, bei dem das reformierte Gas als Brennstoffgas verwendet wird, um einen Temperaturanstieg in dem spezifischen Bereich zu beschränken und dadurch die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle auszugleichen.
Die Brennstoffzelle kann mehrere Kühlsysteme für die Strömungen von mehreren unterschiedlichen Kühlmitteln haben. Bei diesem Aufbau hängt die Verteilung der Innentemperatur der Brennstoffzelle von den Temperaturen der jeweiligen Kühlmittel und der Wirkungsgrade des Wärmeaustauschs der jeweiligen Kühlmittel ab. Der Aufbau zum Bewirken, dass das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel in die jeweiligen feststehenden Richtungen strömt, kann durch einen abgewandelten Aufbau zum Ändern der Strömungsrichtungen in der Mitte ersetzt werden. Bei jedem Aufbau kann die Verteilung der Innentemperatur mit Einstellungen der Strömungsbedingungen der jeweiligen Fluide simuliert werden oder kann experimentell untersucht werden. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus wird gemäß den Ergebnissen der Simulation oder des Experiments vorgesehen.
Die vorstehend angegebene Beschreibung betrifft die ungleichmäßige Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene unter Bezugnahme auf die Beispiele der 2 bis 9. Mit Bezug auf einen Brennstoffzellenstack oder ein Laminat mehrerer Einheitszellen ist es vorzuziehen, einen Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus durch Berücksichtigen einer Gesamttemperaturverteilung in dem gesamten Stackaufbau einschließlich der Laminatrichtung bzw. Beschichtungsrichtung der Einheitszellen vorzusehen.
Beispielsweise wird unter der Annahme, dass nur die Bedingungen der jeweiligen Fluide die Temperaturverteilung in dem Brennstoffzellenstack beeinflussen und dass sie jeweiliger Fluide in jeder Einheitszelle strömen, wie in 2 gezeigt ist, der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus in jeder Einheitszelle des Stackaufbaus, wie vorgesehen, wie vorstehend beschrieben ist. Die Wärmedissipation verringert im Allgemeinen die Temperatur in dem äußeren Umfang des Brennstoffzellenstacks. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus ist vorzugsweise ausgelegt, um die Temperaturverteilung in dem gesamten Stackaufbau der Brennstoffzellen auszugleichen, die durch Kombinationen von verschiedenartigen erwarteten Bedingungen beeinflusst wird, wie z. B. einer Kombination von Gasströmungsbedingungen und Wärmedissipationsbedingungen. Die Innentemperatur der Brennstoffzellen wird durch die Umgebungen der Brennstoffzellen beeinflusst. Beispielsweise wenn eine bestimmte erwärmende Vorrichtung in der Umgebung der Brennstoffzellen gelegen ist, ergibt ein geringerer Abstand zu der erwärmenden Vorrichtung eine höhere Innentemperatur der Brennstoffzellen. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus ist durch Berücksichtigen von verschiedenen Faktoren angeordnet, die die Verteilung der Innentemperatur der Brennstoffzellen beeinflussen. Das stellt die verbesserten Wirkungen des Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus sicher. Wenn der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus gemäß der Temperaturverteilung in dem gesamten Stackaufbau der Brennstoffzellen vorgesehen wird, kann der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus nicht einheitlich entsprechend den Ebenen der jeweiligen Einheitszellen angeordnet werden, sondern er kann ausgelegt werden, um wirksam als gesamter Stackaufbau zu sein. Beispielsweise können bei der Technologie zum Verändern des Gehalts des Katalysators, der an der Kathode gestützt ist, zum Ausgleichen der Temperaturverteilung, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel diskutiert ist, einige Einheitszellen in dem Brennstoffzellenstackaufbau homogen einen geringeren Gehalt des Katalysators haben, der an den jeweiligen Kathoden gestützt ist, während andere Einheitszellen homogen einen höheren Gehalt des Katalysators haben können, der an den jeweiligen Kathoden gestützt ist.
D: Andere Ausführungsbeispiele der elektrochemischen Reaktionssteuerung
D-1: Zweites Ausführungsbeispiel
10 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Gasseparatoren 27 und 29 sind von der Darstellung weggelassen und 10 zeigt nur den Aufbau eines Elektrolytmoduls und einer Kathode 125, die bei der Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels vorgesehen sind. Die Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels hat einen ähnlichen Aufbau wie derjenige der Brennstoffzelle 20 des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die Katalysatorschicht 24 und die Kathode 25 durch die Kathode 125 ersetzt sind. Die Kathode 125 ist eine dünne Metallmembran aus einem Edelmetall, die eine katalytische Aktivität hat und als Katalysator der elektrochemischen Reaktion funktioniert, beispielsweise Pt, eine Pt-Legierung, Pd oder eine Pd-Legierung. Wenn das ausgewählte Material für die Kathode 125 ein nicht-wasserstoffpermeables Metall ist, wie z. B. Pt, wird die Kathode 125 ausreichend dünn ausgebildet, um die erforderliche Gaspermeabilität sicherzustellen. Die Kathode 125 kann an der Elektrolytschicht 21 über die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 durch Plattieren oder durch PVD oder CVD abgelagert, ausgebildet sein. Bei der Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels und den Brennstoffzellen der dritten und vierten Ausführungsbeispiele (später diskutiert) strömen das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel in die gleichen Richtungen wie diejenigen der Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispiels.
Wie in 10 gezeigt ist, hat die Kathode 125 eine sich verändernd gemusterte gekerbte Flächenstruktur, um den Flächeninhalt der Elektrode an einer identischen Ebene zu verändern. Jede geeignete Technologie, wie z. B. Argonionenätzen oder Sandstrahlen wird zum Behandeln der Fläche der Kathode 125 angewendet, um die gemusterte gekerbte Flächenstruktur auszubilden. In der Struktur dieses Ausführungsbeispiels wird die gemusterte gekerbte Flächenstruktur gemäß der Position an der Kathode 125 verändert, um den wirksamen Flächeninhalt pro Flächeneinheit der Kathode 125 an der gleichen Ebene zu verändern.
11 zeigt eine Veränderung des Flächeninhalts der Kathode 125 unter den Bedingungen, dass die Fluide in die gleichen Richtungen wie diejenigen in dem Beispiel von 4 strömen. Die Kathode 125 hat einen sich verändernden Flächeninhalt gemäß der Temperaturverteilung, wie in 3 gezeigt ist, um einen geringeren Flächeninhalt in einem Bereich mit höherer Temperatur und einen größeren Flächeninhalt in einem Bereich niedrigerer Temperatur zu haben. Diese Anordnung unterdrückt die elektrochemische Reaktion und stört dadurch einen Temperaturanstieg in dem Bereich mit kleinerem Flächeninhalt im Vergleich mit dem Bereich mit größerem Flächeninhalt. Der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels gleicht somit wirksam die Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen, wie der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels aus.
D-2: Drittes Ausführungsbeispiel
12 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Brennstoffzelle des dritten Ausführungsbeispiels hat einen ähnlichen Aufbau wie derjenige der Brennstoffzelle 20 des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 durch eine andere wasserstoffpermeable Schicht 220 ersetzt ist. Die Gastemperaturen 27 und 29 sind von der Darstellung von 12, wie bei der Darstellung von 10, weggelassen.
Die wasserstoffpermeable Metallschicht 222 besteht aus einem wasserstoffpermeablen Metall, ähnlich der wasserstoffpermeablen Metallschicht 22 des ersten Ausführungsbeispiels, aber sie hat eine sich verändernd gemusterte gekerbte Flächenstruktur. Die sich verändernd gemusterte gekerbte Flächenstruktur der wasserstoffpermeablen Metallschicht 222 ist so ausgelegt, dass sich der wirksame Flächeninhalt der Elektrode in der gleichen Ebene ändert. Wie die Kathode 125 des zweiten Ausführungsbeispiels wird jede geeignete Technologie, beispielsweise Argonionenätzen oder Sandstrahlen, zum Behandeln der Fläche der wasserstoffpermeablen Metallschicht 222 zum Ausbilden der gemusterten gekerbten Flächenstruktur angewendet. In dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels wird die gemusterte gekerbte Flächenstruktur gemäß der Position der wasserstoffpermeablen Metallschicht 222 zum Verändern des Flächeninhalts der wasserstoffpermeablen Metallschicht 222 in der gleichen Ebene verändert. Eine Wand der wasserstoffpermeablen Metallschicht 222 kann zum Ausbilden der sich verändernd gemusterten gekerbten Flächenstruktur vor oder nach der Ablagerung der Elektrolytschicht 21 an der anderen Wand der wasserstoffpermeablen Metallschicht 222 behandelt werden.
Wie bei der Kathode 125 des zweiten Ausführungsbeispiels hat die wasserstoffpermeable Metallschicht 222 des dritten Ausführungsbeispiels, wie in 12 gezeigt ist, einen veränderlichen Flächeninhalt gemäß der Temperaturverteilung, wie in 3 gezeigt ist, um einen kleineren Flächeninhalt in dem Bereich mit höherer Temperatur und einen größeren Flächeninhalt in dem Bereich mit niedrigerer Temperatur zu haben. Die wasserstoffpermeable Metallschicht 222 funktioniert als Anode. Der größere Flächeninhalt der wasserstoffpermeablen Metallschicht 222 erhöht den wirksamen Flächeninhalt der Elektrode, an der die elektrochemische Reaktion stattfindet. Die Anordnung unterdrückt die elektrochemische Reaktion und stört damit einen Temperaturanstieg in dem Bereich mit kleinerem Flächeninhalt im Vergleich mit dem Bereich mit größerem Flächeninhalt. Der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels gleicht somit wirksam die Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen wie der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels aus.
D-3: Viertes Ausführungsbeispiel
13 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle in einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Brennstoffzelle des vierten Ausführungsbeispiels hat einen ähnlichen Aufbau wie derjenige der Brennstoffzelle 20 des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 durch eine andere wasserstoffpermeable Schicht 322 ersetzt ist. Die Gasseparatoren 27 und 29 sind von der Darstellung von 13, wie in der Darstellung von 10, weggelassen.
Die wasserstoffpermeable Metallschicht 322 besteht aus einem wasserstoffpermeablen Metall, ähnlich wie die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 des ersten Ausführungsbeispiels, aber sie hat eine sich verändernde Dicke in der identischen Ebene. Die wasserstoffpermeable Metallschicht 322 ist so ausgebildet, dass sie eine sich verändernde Dicke gemäß der Temperaturverteilung hat, wie in 3 gezeigt ist, nämlich, dass sie in einem Bereich mit höherer Temperatur dicker ist und in einem Bereich mit niedrigerer Temperatur dünner ist. Die dickere wasserstoffpermeable Metallschicht verringert die Menge der Wasserstoffpermeation durch die wasserstoffpermeable Metallschicht. Diese Anordnung unterdrückt die elektrochemische Reaktion und stört damit einen Temperaturanstieg in dem Bereich der dickeren wasserstoffpermeablen Metallschicht im Vergleich mit dem Bereich der dünneren wasserstoffpermeablen Metallschicht. Der Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels gleicht somit wirksam die Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen aus.
Die wasserstoffpermeable Metallschicht 322 kann aus Pd oder einer Pd-Legierung, ähnlich wie die wasserstoffpermeable Metallschicht 22, bestehen oder kann alternativ aus einer Pd-enthaltenden Schicht an zumindest einer Wand aus einer Basismaterialschicht ausgebildet sein, die ein Metall der Gruppe 5 enthält, die zu den Brennstoffgasleitungen weist. Die Pd-enthaltende Schicht, die an zumindest der einen Wand vorgesehen ist, oder die Basismaterialschicht, die ein Metall aus der Gruppe 5 enthält, die zu den Brennstoffgasleitungen weist, stellt eine ausreichende Aktivität zum Dissoziieren von Wasserstoffmolekülen sicher, die durch die wasserstoffpermeable Metallschicht 322 treten. Wenn eine Pd-enthaltende Schicht an der Basismaterialschicht ausgebildet wird, wird zumindest in eine der Dicken der Basismaterialschicht und der Pd-enthaltenden Schicht verändert, um die Gesamtdicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht 322 zu ändern, wie in 13 gezeigt ist.
In den Strukturen der ersten bis vierten Ausführungsbeispiele, die vorstehend diskutiert sind, wird der Gehalt des Katalysators, der effektive Flächeninhalt der Kathode, der effektive Flächeninhalt der Anode oder die Dicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht graduell zwischen dem Bereich potenzieller höherer Temperatur und dem Bereich potenzieller niedrigerer Temperatur gemäß der Temperaturverteilung verändert, wie in 3 gezeigt ist. Die Veränderung kann alternativ stufenweise vorgenommen werden. Beispielsweise wird die Elektrode oder die wasserstoffpermeable Metallschicht in mehrere Zonen mit einer Temperaturänderung von der höheren Temperatur zu der niedrigeren Temperatur geteilt. Der Gehalt des Katalysators, der effektive Flächeninhalt der Kathode, der effektive Flächeninhalt der Anode oder die Dicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht können stufenweise in diesen mehreren Zonen geändert werden. Eine von der Struktur zum Verändern des Gehalts des Katalysators, von der Struktur zum Verändern des effektiven Flächeninhalts der Kathode, von der Struktur zum Verändern des effektiven Flächeninhalts der Anode und der Struktur zum Verändern der Dicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht kann kombiniert werden, um wirksamer die Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen auszugleichen.
D-4: Andere Beispiele zum Steuern der Energieerzeugungsinduzierten Wärmeerzeugung
Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus zum Ausgleichen der Verteilung der Innentemperatur der Brennstoffzelle ist die Katalysatorschicht mit dem veränderlichen Gehalt des Katalysators im Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels, ist die Kathode mit dem sich verändernden effektiven Flächeninhalt der Kathode in dem Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels, ist die wasserstoffpermeable Metallschicht mit dem sich verändernden effektiven Flächeninhalt der Anode bei dem Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels und ist die wasserstoffpermeable Metallschicht mit der sich verändernden Dicke in dem Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels. Verschiedene andere Strukturen, die die elektrochemische Reaktion unterdrücken, sind ebenso anwendbar, um die Verteilung der Innentemperatur der Brennstoffzellen wirksam auszugleichen. Beispielsweise hat der sich verändernde Innenaufbau der wasserstoffpermeablen Metallschicht ähnliche Wirkungen auf die sich verändernde Dicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht. Im Folgenden werden einige Beispiele zum Verändern des Innenaufbaus der wasserstoffpermeablen Metallschicht (der Zusammensetzung und/oder der Auslegung der wasserstoffpermeablen Metallschicht) zum Steuern der Menge der Wasserstoffpermeation in dem Bereich potenziell höherer Temperatur beschrieben, um somit die Energieerzeugungsinduzierte Wärmeerzeugung zu reduzieren und die Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen auszugleichen.
14 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer weiteren Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die einen sich verändernden Innenaufbau hat, in einem Beispiel darstellt. Die Brennstoffzelle dieses Beispiels hat einen ähnlichen Aufbau wie diejenige der Brennstoffzelle 20 des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 durch eine andere wasserstoffpermeable Schicht 422 ersetzt ist. 14 und die 15 bis 17 (später diskutiert) zeigen hauptsächlich die charakteristischen Strukturen der wasserstoffpermeablen Metallschichten. Die wasserstoffpermeable Metallschicht 422 weist eine Basismaterialschicht, die ein Metall aus der Gruppe 5 enthält, und eine Pd-enthaltende Schicht auf, die an der Basismaterialschicht ausgebildet ist. Die Pd-enthaltende Schicht ist dicker ausgeführt und die Basismaterialschicht, die das Metall aus der Gruppe 5 enthält, ist in einem Bereich potenziell höherer Temperatur dünner ausgeführt. Pd hat eine niedrigere Wasserstoffpermeabilität als die Metalle der Gruppe 5. Diese Anordnung unterdrückt demgemäß die elektrochemische Reaktion in dem Bereich der dickeren Pd-enthaltenden Schicht in dem Vergleich mit dem Bereich der dünneren Pd-enthaltenden Schicht, was somit wirksam die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle ausgleicht. In dem Beispiel von 14 wird die Dicke der Pd-enthaltenden Schicht und die Basismaterialschicht, die das Metall aus der Gruppe 5 enthält, graduell verändert. Die Veränderung kann alternativ stufenweise vorgenommen werden. Beispielsweise wird die wasserstoffpermeable Metallschicht in mehrere Zonen mit einer Temperaturänderung von der höheren Temperatur zu der niedrigeren Temperatur geteilt. Die Dicken der Pd-enthaltenden Schicht und der Basismaterialschicht, die das Metall aus der Gruppe 5 enthält, können stufenweise in den jeweiligen Zonen verändert werden. Die Pd-enthaltende Schicht kann an beiden Wänden der Basismaterialschicht ausgebildet werden, die das Metall aus der Gruppe 5 enthält.
15 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau von noch einer weiteren Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die einen sich verändernden Innenaufbau hat, in einem weiteren Beispiel darstellt. Die Brennstoffzelle dieses Beispiels hat einen ähnlichen Aufbau wie derjenige der Brennstoffzelle 20 des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 durch eine andere wasserstoffpermeable Schicht 522 ersetzt ist. Die wasserstoffpermeable Metallschicht 522 hat eine Pd-enthaltende Schicht allein in einem spezifischen Bereich, bei dem erwartet wird, dass er eine höhere Temperatur hat, während er sowohl die Basismaterialschicht, die das Metall aus der Gruppe 5 enthält, als auch eine Pd-enthaltende Schicht, die an der Basismaterialschicht ausgebildet ist, in den restlichen Bereichen hat. Die Anordnung unterdrückt demgemäß die elektrochemische Reaktion in dem spezifischen Bereich, der nur die Pd-enthaltende Schicht hat, im Vergleich mit den restlichen Bereichen, was somit die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle wirksam ausgleicht.
Bei einer anderen anwendbaren Technologie wird ein Bereich mit potenziell höherer Temperatur so eingestellt, dass er einen geringeren Gehalt des wasserstoffpermeablen Metalls in der wasserstoffpermeablen Metallschicht hat, während ein Bereich mit potenziell niedrigerer Temperatur so eingerichtet ist, dass er einen höheren Gehalt des wasserstoffpermeablen Metalls in der wasserstoffpermeablen Metallschicht hat. Eine Brennstoffzelle dieser Technologie, wie in 16 gezeigt ist, hat einen ähnlichen Aufbau wie derjenige der Brennstoffzelle 20 des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 durch eine andere wasserstoffpermeable Metallschicht 622 ersetzt ist. Der gesamte Bereich der wasserstoffpermeablen Metallschicht 622 hat eine Basismaterialschicht, die ein Metall aus der Gruppe 5 enthält, und eine Pd-enthaltende Schicht, die an der Basismaterialschicht ausgebildet ist. Die Basismaterialschicht, die das Metall aus der Gruppe 5 enthält, besteht aus einer Legierung, die das Metall aus der Gruppe 5 enthält, in einem spezifischen Bereich, bei dem erwartet wird, dass er eine höhere Temperatur hat, während sie aus dem reinen Metall der Gruppe 5 in den übrigen Bereichen ausgebildet ist. Eine weitere Brennstoffzelle dieser Technologie, wie in 17 gezeigt ist, hat einen ähnlichen Aufbau wie derjenige der Brennstoffzelle 20 des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die wasserstoffpermeable Metallschicht 22 durch eine andere wasserstoffpermeable Metallschicht 722 ersetzt ist. Der gesamte Bereich der wasserstoffpermeablen Metallschicht 722 hat nur eine Pd-enthaltende Schicht. Die Pd-enthaltende Schicht besteht aus reinem Pd in einem spezifischen Bereich, bei dem erwartet wird, dass er eine höhere Temperatur hat, während sie aus einer Pd-enthaltenden Legierung in den übrigen Bereichen besteht. Bei jeder dieser Strukturen wird die elektrochemische Reaktion in dem Bereich des geringeren Gehalts des wasserstoffpermeablen Metalls im Vergleich mit dem Bereich des höheren Gehalts des wasserstoffpermeablen Metalls unterdrückt. Solche Strukturen dieser Technologie steuern die Wasserstoffpermeation und unterdrücken dadurch die elektrochemische Reaktion in dem spezifischen Bereich, bei dem erwartet wird, dass er eine höhere Temperatur relativ zu den übrigen Bereichen hat. Diese Anordnung gleicht wirksam die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus.
Jeder Aufbau der zweiten bis vierten Ausführungsbeispiele und ihrer abgewandelten, vorstehend diskutierten Beispiele ist auf die verschiedenartigen Strömungsrichtungen der Fluide anwendbar, die in den 5, 7 und 9 gezeigt sind. Unter den Bedingungen der verschiedenartigen Strömungsrichtungen der Fluide kann der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus eine Elektrode, die einen sich verändernden Gehalt des Katalysators hat, eine Elektrode, die einen sich verändernden Flächeninhalt hat, oder ein Elektrolytmodul sein, das eine sich verändernde Dicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht gemäß der Temperaturverteilung hat, die durch die Fluidströmungen verursacht wird. Jede dieser Anordnungen unterdrückt die elektrochemische Reaktion in einem Bereich mit potenziell höherer Temperatur und gleicht somit die Temperaturverteilung aus. In einem Stack der Brennstoffzellen kann der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus durch Berücksichtigen verschiedenartiger Faktoren vorgesehen werden, die die Temperaturverteilung beeinflussen, zusätzlich zu den Strömungsrichtungen der Fluide. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus wird gemäß den Positionen der jeweiligen Einheitszellen in dem Stackaufbau angeordnet, um die elektrochemische Reaktion in Bereichen mit potenziell höherer Temperatur zu unterdrücken und dadurch die Temperaturverteilung in dem gesamten Stackaufbau auszugleichen.
E: Andere Ausführungsbeispiele des Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus
Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus von jedem der vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele unterdrückt die elektrochemische Reaktion in einem Bereich mit potenziell höherer Temperatur und gleicht dadurch die Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen aus. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus kann ein anderes Verfahren zum Ausgleichen der Temperaturverteilung annehmen. 18 stellt schematisch die Konfiguration einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Die Brennstoffzellenvorrichtung des fünften Ausführungsbeispiels weist ein Stack von Brennstoffzellen 40 mit Zufuhren von Brennstoffgas, Oxidationsgas und Kühlmittel auf, die die gleichen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels sind. Der Stack der Brennstoffzellen 40 weist eine große Anzahl von Einheitszellen mit dem ähnlichen Aufbau wie demjenigen der Einheitsbrennstoffzelle 20 auf, die in 1 gezeigt ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung des fünften Ausführungsbeispiels hat einen Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus, um die Strömungsrichtung des Fluidgases, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, zu ändern, anders als der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt des ersten Ausführungsbeispiels, der die Katalysatorschicht mit dem sich verändernden Gehalt des Katalysators hat. 18 zeigt nur den Aufbau, der mit der Änderung der Strömungsrichtung des Fluidgases im Zusammenhang steht.
Das Brennstoffgas strömt durch eine Brennstoffgasleitung 41 und wird in den Brennstoffzellenstack 40 geführt. Die Brennstoffgasleitung 41 teilt sich in einen ersten Abzweigdurchgangsweg 42 und einen zweiten Abzweigdurchgangsweg 43. Der erste Abzweigdurchgangsweg 42 teilt sich weiter in einen ersten Strömungspfad 44 und einen ersten Auslasspfad 46. Ein Richtungssteuerventil 48 ist an dem Teilungspunkt des ersten Abzweigdurchgangswegs 42 in dem ersten Strömungspfad 44 und dem ersten Auslasspfad 46 vorgesehen, um die Verbindung dieser drei Durchgänge zu regulieren. Der erste Strömungspfad 44 ist mit dem Brennstoffzellenstack 40, insbesondere mit den Brennstoffgasleitungen in den jeweiligen Einheitszellen des Brennstoffzellenstacks 40 verbunden. Der zweite Abzweigdurchgangsweg 43 teilt sich weiter in einen zweiten Strömungspfad 45 und einen zweiten Auslasspfad 47. Ein Richtungssteuerventil 49 ist an einem Teilungspunkt des zweiten Abzweigdurchgangswegs 43 in den zweiten Strömungspfad 45 und den zweiten Auslasspfad 47 zum Regulieren der Verbindung dieser drei Durchgänge vorgesehen. Der zweite Strömungspfad 45 ist mit dem Brennstoffzellenstack 50, insbesondere mit den Brennstoffgasleitungen in den jeweiligen Einheitszellen des Brennstoffzellenstacks 40 verbunden.
Bei der Brennstoffzellenvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels werden die Richtungssteuerventile 48 und 49 zum Ändern der Strömungsrichtung des Brennstoffgases in dem Brennstoffzellenstack 40 zwischen einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung reguliert, die entgegengesetzt zueinander sind. Wenn die erste Richtung als Strömungsrichtung des Brennstoffgases ausgewählt wird, strömt das Brennstoffgas durch den ersten Abzweigdurchgangsweg 42 und den ersten Strömungspfad 44 in den Brennstoffzellenstack 40 und wird durch den zweiten Strömungspfad 45 und den zweiten Auslasspfad 47 nach außen ausgestoßen. Wenn die zweite Richtung als Strömungsrichtung des Brennstoffgases ausgewählt ist, strömt andererseits das Brennstoffgas durch den zweiten Abzweigdurchgangsweg 43 und den zweiten Strömungspfad 45 in den Brennstoffzellenstack und wird durch den ersten Strömungspfad 44 und den ersten Auslasspfad 46 nach außen ausgestoßen.
An der Einheitszellenebene bei dem Brennstoffzellenstack 40 des fünften Ausführungsbeispiels ist die Strömungsrichtung des Oxidationsgases entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Kühlmittels und strömt das Brennstoffgas parallel zu den Strömungen des Oxidationsgases und des Kühlmittels. Unter solchen Bedingungen entspricht der Zustand, in dem das Brennstoffgas in die erste Richtung strömt, dem Zustand von 3, während der Zustand, in dem das Brennstoffgas in die zweite Richtung strömt, dem Zustand von 5 entspricht. Die feststehenden Strömungsrichtungen des Oxidationsgases und des Kühlmittels sind in den Graphen von den 3 und 5 umgekehrt gezeigt. Die Regulierung der Richtungssteuerventile 48 und 49 zum Ändern der Strömungsrichtung des Brennstoffgases schaltet die Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene zwischen dem Zustand von 3 und dem Zustand von 5 um. Der Bereich mit potenziell höherer Temperatur und der Bereich mit potenziell niedrigerer Temperatur in dem Zustand von 3 sind von denjenigen im Zustand von 5 unterschiedlich. Das Ändern der Strömungsrichtung des Brennstoffgases verhindert somit in erwünschter Art und Weise, dass die Temperatur sich in irgendeinem spezifischen Bereich übermäßig erhöht oder verringert, was somit die Temperaturverteilung wirksam ausgleicht.
Die Strömungsrichtung des Brennstoffgases kann bei voreingestellten Zeitintervallen durch Regulieren der Richtungssteuerventile 48 und 49 geändert werden. Eine andere Prozedur kann die Temperatur an einem ausgewählten Ort bei dem Brennstoffzellenstack 40 oder die Temperatur eines Anodenauslassgases messen und die Strömungsrichtung des Brennstoffgases ändern, wenn die gemessene Temperatur eine Bezugstemperatur als Obergrenze erreicht oder übersteigt oder auf eine Bezugstemperatur als Untergrenze oder darunter abgefallen ist.
Der Aufbau des fünften Ausführungsbeispiels nimmt den Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus zum Ändern der Strömungsrichtung des Brennstoffgases an. Ein abgewandelter Aufbau kann die Strömungsrichtung des Oxidationsgases, nämlich des anderen Reaktionsgases ändern, das der elektrochemischen Reaktion ausgesetzt wird. Beispielsweise wird die Strömungsrichtung des Oxidationsgases unter der Annahme geändert, dass sie Strömungsrichtung des Brennstoffgases entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kühlmittels ist und die Strömung des Oxidationsgases parallel zu den Strömungen des Brennstoffgases und des Kühlmittels ist. Unter solchen Bedingungen entspricht der Zustand, in dem das Oxidationsgas in die erste Richtung strömt, dem Zustand von 3, während der Zustand, in dem das Oxidationsgas in die zweite Richtung strömt, dem Zustand von 7 entspricht. Die Änderung der Strömungsrichtung des Oxidationsgases schaltet die Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene zwischen dem Zustand von 3 und dem Zustand von 7 um, wobei somit die ähnlichen Wirkungen zum Ausgleichen der Temperaturverteilung erzielt werden.
E-2: Sechstes Ausführungsbeispiel
19 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem sechsten Ausführungsbeispiel. Die Brennstoffzellenvorrichtung des sechsten Ausführungsbeispiels hat den Brennstoffzellenstack 40, der dem fünften Ausführungsbeispiel ähnlich ist, und einen Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus, der die Zirkulation des Oxidationsgases betrifft. 19 zeigt nur den Aufbau, der mit der Zirkulation des Oxidationsgases im Zusammenhang steht.
Das Oxidationsgas strömt durch eine Oxidationsgaszufuhrleitung 51 in den Brennstoffzellenstack 40 und wird an den Kathoden des Brennstoffzellenstacks 40 verbraucht. Der Oxidationsgasauslass wird als Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstack 40 zu einer Oxidationsgasauslassleitung 52 ausgestoßen. Ein Oxidationsgaszirkulationsdurchgangsweg 53 ist zum Verbinden der Oxidationsgasauslassleitung 52 mit der Oxidationsgaszufuhrleitung 51 vorgesehen. Zumindest ein Teil des Kathodenabgases strömt durch den Oxidationsgaszirkulationsdurchgangsweg 53, um mit der neuen Zufuhr des Oxidationsgases in den Brennstoffzellenstack 40 gemischt zu werden. Ein Wärmetauscher 50 ist in der Mitte des Oxidationsgaszirkulationsdurchgangswegs 53 vorgesehen, um das Kathodenabgas vor der Mischung mit der neuen Zufuhr des Oxidationsgases herunterzukühlen. Ein Richtungssteuerventil 54 ist an einer Verbindung des Oxidationsgaszirkulationsdurchgangswegs 53 mit der Oxidationsgaszufuhrleitung 51 vorgesehen. Die Steuerung dieses Richtungssteuerventils 54 reguliert die Menge des Kathodenabgases, das mit der neuen Zufuhr des Oxidationsgases gemischt wird, und stellt dadurch die Temperatur des Oxidationsgases ein, das zu dem Brennstoffzellenstack 40 zugeführt wird.
Bei der Brennstoffzellenvorrichtung des sechsten Ausführungsbeispiels wird die Temperatur des Oxidationsgases vor der Zufuhr zu dem Brennstoffzellenstack 40 abgesenkt. Diese Anordnung verhindert wirksam, dass die Temperatur übermäßig in irgendeinem spezifischen Bereich in dem Brennstoffzellenstack 40 ansteigt. Beispielsweise unter der Annahme der Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene, die in 5 gezeigt ist, wobei die Strömungsrichtung des Oxidationsgases entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Brennstoffgases und des Kühlmittels ist, verringert der Aufbau zum Absenken der Temperatur des Oxidationsgases, das in den Brennstoffzellenstack strömt, die Temperatur in der Umgebung des Einlasses des Oxidationsgases. Diese Anordnung verhindert wirksam, dass die Temperatur in irgendeinem spezifischen Bereich des Brennstoffzellenstacks 40 übermäßig ansteigt, was somit die Temperaturverteilung in dem Brennstoffzellenstack 40 ausgleicht. Diese Technologie zum Absenken der Temperatur des Oxidationsgases, das zu dem Brennstoffzellenstack 40 zugeführt wird, ist wirksam anwendbar auf verschiedenartige Zustände, die andere als der Zustand von 5 sind, bei dem die Innentemperatur des Brennstoffzellenstacks 40 aufgrund der Temperaturen und der Strömungsrichtungen der Fluide ungleichmäßig verteilt ist. In jedem Zustand wird die Temperaturverteilung ausgeglichen. Beispielsweise können die Umgebungen des Brennstoffzellenstacks 40 verursachen, dass die stromaufwärtige Seite der Strömung des Oxidationsgases von außen erwärmt wird und eine höhere Temperatur hat. Die abgesenkte Temperatur der Zufuhr des Oxidationsgases gleicht wirksam die Temperaturverteilung in dem Brennstoffzellenstack 40 aus.
Alle verschiedenen Kühlmittel können bei dem Wärmetauscher 50 verwendet werden, um die Temperatur des Kathodenabgases abzusenken. Wenn beispielsweise das reformierte Gas als Brennstoffgas ausgewählt ist, kann das Kühlmittel Wasser sein, das für die Dampfreformerreaktion verwendet wird. Bei diesem Aufbau wird das Wasser vor der Reformerreaktion erwärmt. Der Aufbau zur Verwendung des Wärmetauschers 50 zum Herunterkühlen des Kathodenabgases kann durch einen anderen Aufbau unter Einsatz des Kathodenabgases zum Erwärmen einer Reformereinheit und dadurch zum Herunterkühlen des Kathodenabgases ersetzt werden. Ein weiteres Beispiel ist ein Kühler zum Abführen von Wärme von dem Kathodenabgas. Alle anderen verschiedenartigen Strukturen sind anwendbar, um die Temperatur des Kathodenabgases abzusenken.
Der Aufbau des sechsten Ausführungsbeispiels nimmt den Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus zum Zirkulieren des Oxidationsgases zum Absenken der Temperatur des Oxidationsgases an. Ein abgewandelter Aufbau kann das Brennstoffgas, nämlich das andere Reaktionsgas, das der elektrochemischen Reaktion unterzogen wird, zum Absenken der Temperatur des Brennstoffgases zirkulieren. Die abgesenkte Temperatur des Brennstoffgases, das zu dem Brennstoffzellenstack zugeführt wird, verhindert wirksam, dass die Temperatur in irgendeinem spezifischen Bereich in dem Brennstoffzellenstack ansteigt, und gleicht dadurch die Temperaturverteilung aus. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels ist sowohl auf reines Wasserstoffgas als auch reformiertes Gas anwendbar, das als Brennstoffgas verwendet wird.
E-3: Siebtes Ausführungsbeispiel
Das erste bis sechste Ausführungsbeispiel, die vorstehend diskutiert sind, führen das Wasserstoff enthaltende Brennstoffgas zu den Anoden der Brennstoffzellen zu. Bei einem anderen verfügbaren Aufbau wird ein Reformerkatalysator in Gasleitungen an der Anodenseite der Brennstoffzellen gestützt. Ein Kohlenwasserstoffkraftstoff und Dampf werden den Brennstoffzellen zugeführt, um einer Reformerreaktion unterzogen zu werden. Dieser Aufbau wird nachstehend als siebtes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels ist der Reformerkatalysator an der Fläche der Gasseparatoren, die die Brennstoffgasleitungen definieren, in den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen gestützt. Beispielsweise wird in einer konkreten Prozedur die Fläche der Gasseparatoren, die aus dünnen Metallplatten bestehen, mit Aluminiumoxid oder Cordierit beschichtet und die mit Keramik beschichteten Gasseparatoren gebrannt, um poröse Schichten an den Gasseparatoren auszubilden. Der Reformerkatalysator wird dann an den porösen Schichten gestützt. Wenn Platin als Reformerkatalysator ausgewählt wird, benetzt die Prozedur die Gasseparatoren mit den porösen Schichten in einer Lösung aus einem Platinbestandteil und lässt das Platin an den porösen Schichten durch irgendeine bekannte Technologie, beispielsweise Ionenaustausch, Imprägnierung oder Verdampfung, anlagern.
20 zeigt eine Veränderung des Gehalts des Reformerkatalysators, der an der Fläche des Gasseparators gestützt ist, der die Brennstoffgasleitungen bei jeder Einheitszelle bei dem Brennstoffzellenstack dieses Ausführungsbeispiels definiert. Wie in 4(A) ist die Grafik von 20 unter der Annahme der Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene, die in 3 gezeigt ist, in Abwesenheit des Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus angegeben, wobei das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel in die gleichen Richtungen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels strömen. Wie in 20 gezeigt ist, erhöht sich der Gehalt des Reformerkatalysators in einem Bereich mit potenziell höherer Temperatur und verringert sich in einem Bereich mit potenziell niedriger Temperatur gemäß der Temperaturverteilung von 3.
Bei diesem Aufbau wird der größere Gehalt des Reformerkatalysators in dem Bereich eingerichtet, bei dem erwartet wird, dass er die höhere Temperatur hat. Die endotherme Dampfreformerreaktion schreitet energisch in diesem Bereich mit potenziell höherer Temperatur voran, um einen Temperaturanstieg zu stören und dadurch die Temperaturverteilung auszugleichen.
Bei dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels wird der Gehalt des Reformerkatalysators, der an dem Gasseparator gestützt ist, graduell gemäß der erwarteten Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene in Abwesenheit des Temperaturverteilungsausgleichsmechanis verändert, wie in 20 gezeigt ist. Eine mögliche Abwandlung kann den Gehalt des Reformerkatalysators stufenweise verändern. Die abgewandelte Prozedur deckt ausgewählte Zonen an der Fläche der porösen Schicht des Gasseparators gemäß der erwarteten Temperaturverteilung ab, um den Gehalt des Reformerkatalysators in den jeweiligen Zonen zu verändern.
Eine weitere mögliche Abwandlung kann Katalysatorschichten des Reformerkatalysators getrennt von den Einheitsbrennstoffzellen zur Energieerzeugung ausbilden, anstelle den Reformerkatalysator an der Fläche der Gasseparatoren zu erstellen, die die Brennstoffgasleitungen in den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen definieren. Die abgewandelte Prozedur setzt die Katalysatorschichten an Intervallen von einer voreingestellten Anzahl der Einheitsbrennstoffzellen bei dem Stackaufbau ein. Bei dem Stack der Brennstoffzellen, die diesen Aufbau haben, schreitet die Reformerreaktion an den Katalysatorschichten voran, während durch die Reformerreaktion erzeugter Wasserstoff zu den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen zugeführt wird, um der elektrochemischen Reaktion unterzogen zu werden. Der Gehalt des Katalysators wird an der Ebene jeder Katalysatorschicht verändert, wie in 20 gezeigt ist. Dieser abgewandelte Aufbau verursacht eine Wärmeübertragung zwischen den Einheitszellen und den Katalysatorschichten und zeigt dadurch die ähnlichen Wirkungen wie diejenigen des Aufbaus des siebten Ausführungsbeispiels.
Der Gehalt des Reformerkatalysators kann gemäß der Position der Schichtung in dem Stackaufbau der Brennstoffzellen zusätzlich oder anstelle von dem Aufbau zum Verändern des Gehalts des Reformerkatalysators an jeder Einheitszellenebene verändert werden. In dem Fall, dass die Temperatur an beiden Enden des Stackaufbaus abgesenkt wird, wird der Gehalt des Reformerkatalysators an den Gasseparatoren, die an den Enden des Stackaufbaus gelegen sind, verringert und an den Gasseparatoren, die an der Mitte des Stackaufbaus gelegen sind, erhöht.
E-4: Achtes Ausführungsbeispiel
Der Aufbau des siebten Ausführungsbeispiels richtet den größeren Gehalt des Reformerkatalysators in dem Bereich, bei dem die höhere Temperatur erwartet wird, für die energische endotherme Reaktion ein. Ein weiterer verfügbarer Aufbau verwendet zusätzlich einen Shift-Katalysator zum Beschleunigen der Shift-Reaktion zum Ausgleichen der Temperaturverteilung. Dieser Aufbau wird nachstehend als achtes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels verwendet sowohl einen Katalysator zum energischen Beschleunigen der Reformerreaktion als auch einen Katalysator zum energischen Beschleunigen der Shift-Reaktion, die Wasserstoff und Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid und Dampf erzeugt, nämlich unter den Temperaturbedingungen bei den Brennstoffzellen. Der Katalysator, der tatsächlich verwendet wird, hat die Aktivitäten von sowohl dem Reformerkatalysator als auch dem Shift-Katalysator. In der nachstehenden Beschreibung werden der Katalysator, der hauptsächlich die Reformerreaktion beschleunigt, und der Katalysator, der hauptsächlich die Shift-Reaktion beschleunigt, unter den Temperaturbedingungen in den Brennstoffzellen jeweils Reformerkatalysator und Shift-Katalysator genannt. Verfügbare Beispiele des Reformerkatalysators sind ein Kupfer-Zink-Katalysator (Cu-Zn) und ein Eisen-Chrom-Katalysator (Fe-Cr). Ein verfügbares Beispiel des Shift-Katalysators ist ein Nickel-Katalysator (Ni).
21 zeigt Katalysatoren, die an der Fläche des Gasseparators gestützt sind, der die Brennstoffgasleitungen in jeder Einheitszelle bei dem Brennstoffzellenstack dieses Ausführungsbeispiels definiert. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels wird unter der Annahme der Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene, wie in 3 gezeigt ist, in Abwesenheit des Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus bestimmt, wobei das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel in die gleichen Richtungen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels strömen. Der Reformerkatalysator ist demgemäß an einem Bereich mit potenziell höherer Temperatur gestützt, wohingegen der Shift-Katalysator an einem Bereich mit potenziell niedrigerer Temperatur gestützt ist.
In diesem Aufbau ist der Reformerkatalysator an dem Bereich gestützt, bei dem die höhere Temperatur erwartet wird. Die endotherme Dampf-Reformerreaktion schreitet demgemäß voran, um einen Temperaturanstieg in diesem Bereich mit potenziell höherer Temperatur zu stören. Der Shift-Katalysator ist an dem Bereich gestützt, bei dem die niedrigere Temperatur erwartet wird. Die endotherme Shift-Reaktion schreitet demgemäß voran, um einen Temperaturanstieg in diesem Bereich mit potenziell niedrigerer Temperatur zu beschleunigen. Diese Anordnung gleicht wirksam die Temperaturverteilung an jeder Einheitszellenebene aus.
Bei dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels ist einer von dem Reformerkatalysator oder dem Shift-Katalysator wahlweise an jeder Zone des Gasseparators gestützt, wie in 21 gezeigt ist. Eine mögliche Abwandlung kann sowohl den Reformerkatalysator, als auch den Shift-Katalysator an dem gesamten Bereich des Gasseparators stützen lassen und die Gehalte dieser Katalysatoren in den jeweiligen Zonen des Gasseparators verändern. Die ähnlichen Wirkungen wie diejenigen des Aufbaus des achten Ausführungsbeispiels werden durch Vergrößern des Gehalts des Reformerkatalysators in dem Bereich mit potenziell höherer Temperatur und Erhöhen des Gehalts des Shift-Katalysators in dem Bereich mit potenziell niedrigerer Temperatur erhalten. Eine andere mögliche Abwandlung kann Katalysatorschichten mit veränderlichen Gehalten des Reformerkatalysators und des Shift-Katalysators in jeweiligen Zonen getrennt von den Einheitsbrennstoffzellen vorsehen und die Katalysatorschichten an Intervallen von jeder voreingestellten Anzahl von Einheitszellen bei dem Brennstoffzellenstack einsetzen. An den Katalysatorschichten erzeugter Wasserstoff wird zu den Einheitszellen zugeführt, um der elektrochemischen Reaktion unterzogen zu werden. Bei dem Vorfall einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung gemäß der Position der Schichtung bei dem Stackaufbau wird der Gehalt des Reformerkatalysators an den Gasseparatoren vergrößert, die an der Position mit höherer Temperatur gelegen sind, während der Gehalt des Shift-Katalysators an den Gasseparatoren erhöht wird, die an der Position mit niedrigerer Temperatur gelegen sind.
E-5: Neuntes Ausführungsbeispiel
Bei noch einem weiteren verfügbaren Aufbau ist der Shift-Katalysator an der Fläche der Gasseparatoren gestützt, die die Brennstoffgasleitungen bei den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen definieren, und wird das reformierte Gas zu den jeweiligen Einheitsbrennstoffzellen bei dem Brennstoffzellenstack zugeführt. Dieser Aufbau wird als neuntes Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Shift-Katalysator, der in dem achten Ausführungsbeispiel verwendet wird, kann ebenso als Shift-Katalysator des neunten Ausführungsbeispiels verwendet werden. Dieses Ausführungsbeispiel erfordert jedoch nicht das Gleichgewicht der Dampf-Reformerreaktion mit der Shift-Reaktion. Jeder Katalysator mit einer ausreichenden Aktivität zum Beschleunigen der Shift-Reaktion ist somit als Shift-Katalysator dieses Ausführungsbeispiels anwendbar.
22 zeigt eine Veränderung des Gehalts des Shift-Katalysators, der an der Fläche des Gasseparators gestützt ist, der die Brennstoffgasleitungen bei jeder Einheitszelle bei dem Brennstoffzellenstack dieses Ausführungsbeispiels definiert. Wie in 4(A) ist die Grafik von 22 unter der Annahme der Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene, die in 3 gezeigt ist, in Abwesenheit des Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus angegeben, wobei das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel in die gleichen Richtungen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels strömen. Wie in 22 gezeigt ist, verringert sich der Gehalt des Shift-Katalysators in einem Bereich mit potenziell höherer Temperatur und vergrößert sich in einem Bereich mit potenziell niedrigerer Temperatur gemäß der Temperaturverteilung, die in 3 gezeigt ist.
Bei dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels wird der Gehalt des Shift-Katalysators in dem Bereich mit potenziell niedrigerer Temperatur erhöht. Das treibt die exotherme Shift-Reaktion an, um einen Temperaturanstieg in dem Bereich mit niedrigerer Temperatur zu beschleunigen, und gleicht somit in vorteilhafter Art und Weise die Temperaturverteilung an der Einheitszellenebene aus. Der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus mit einer Veränderung des Gehalts des Shift-Katalysators kann auf verschiedene Arten abgewandelt werden. Beispielsweise kann der Gehalt des Shift-Katalysators, der an dem Gasseparator gestützt ist, stufenweise verändert werden. In einem anderen Beispiel kann der Shift-Katalysator, der an den Gasseparatoren gestützt ist, durch Katalysatorschichten des Shift-Katalysators ersetzt werden, die getrennt von den Einheitszellen vorgesehen sind. Der Gehalt des Shift-Katalysators kann gemäß der Position der Schichtung bei dem Stackaufbau der Brennstoffzellen verändert werden.
F: Abwandlungen
Die Ausführungsbeispiele und verschiedenartigen Beispiele, die vorstehend diskutiert sind, sollen in jeder Hinsicht darstellend und nicht beschränkend sein. Es kann viele Abwandlungen, Änderungen und Umformungen ohne Abweichung von dem Grundgedanken oder Anwendungsbereich der Hauptcharakteristik der vorliegenden Erfindung geben. Einige Beispiele von möglichen Abwandlungen sind nachstehend angegeben.
(1) Bei den Strukturen der vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele ist die Elektrolytschicht 21 direkt an der wasserstoffpermeablen Metallschicht ausgebildet. Bei einem abgewandelten Aufbau kann eine andere Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung zwischen der wasserstoffpermeablen Metallschicht und der Elektrolytschicht 21 anforderungsgemäß ausgebildet werden. Ein gaspermeables Element mit elektrischer Leitfähigkeit kann ferner zwischen der wasserstoffpermeablen Metallschicht und dem Gasseparator 27 ausgebildet werden. Beispielsweise kann die wasserstoffpermeable Metallschicht an einem keramischen Basiselement ausgebildet werden. In diesem abgewandelten Aufbau ist das keramische Basiselement zwischen der wasserstoffpermeablen Metallschicht und dem Gasseparator 27 gelegen.
(2) Bei der Einheitsbrennstoffzelle 20 des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels funktioniert die wasserstoffpermeable Metallschicht 22, die an der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, als Anodenstruktur. Die Anodenstruktur und die Kathodenstruktur können ausgetauscht werden. Eine wasserstoffpermeable Metallschicht ist an einer Wand der Elektrolytschicht 21 ausgebildet, um als Kathodenstruktur zu funktionieren, wohingegen eine Anode und eine Katalysatorschicht, die ähnlich der Kathode 25 und der Katalysatorschicht 24 sind, an der anderen Wand der Elektrolytschicht 21 ausgebildet sind. Die Katalysatorschicht kann ferner zwischen der Elektrolytschicht 21 und der wasserstoffpermeablen Metallschicht der Kathodenstruktur ausgebildet werden. Wenn der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels auf diese abgewandelte Brennstoffzelle angewendet wird, wird der Gehalt des Katalysators an zumindest einer von der Katalysatorschicht an der Kathodenstruktur und von der Katalysatorschicht an der Anodenstruktur gemäß der Position an der Katalysatorschicht verändert. Die Struktur zum Verändern des Flächeninhalts der Elektrode und die Struktur zum Verändern der Dicke der wasserstoffpermeablen Metallschicht sind ebenso auf diese abgewandelte Brennstoffzelle anwendbar.
In einem weiteren abgewandelten Beispiel kann die Brennstoffzelle mehrere Elektrolytschichten und/oder mehrere wasserstoffpermeable Metallschichten aufweisen. Ähnliche Wirkungen werden bei allen solchen Brennstoffzellen erzielt, die mehrere wasserstoffpermeable Metallschichten haben, die an jeweiligen Ebenen der mehreren Elektrolytschichten ausgebildet werden, indem der Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus, beispielsweise die Katalysatorschicht mit dem veränderlichen Gehalt des Katalysators, die Elektrode mit einem veränderlichen Flächeninhalt und die wasserstoffpermeable Metallschicht mit einer veränderlichen Dicke vorgesehen werden.
(3) Die Technologie der Erfindung ist nicht auf die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen beschränkt, sondern sie kann auf alle Brennstoffzellen, einschließlich einer protonenleitfähigen Elektrolytschicht und einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die in Kontakt an der Ebene der Elektrolytschicht ausgebildet ist, beispielsweise auf Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen angewendet werden. Bei den Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen sind dichte wasserstoffpermeable Metallschichten an beiden Wänden einer Feststoffpolymermembran ausgebildet, um den Wassergehalt der Feststoffpolymermembran zu halten, Dieser Aufbau erzielt eine höhere Betriebstemperatur im Vergleich mit dem herkömmlichen Aufbau der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen. Die Feststoff-Polymermembran kann durch eine Elektrolytschicht aus hydrierter Keramik, Glas oder eine Aluminiumoxidmembran, beispielsweise eine Heteropolysäure- oder β-Aluminiumoxidmembran ersetzt werden. Die Technologie der Erfindung ist ebenso auf die Brennstoffzelle dieses Aufbaus anwendbar, um einen Temperaturverteilungsausgleichsmechanismus bereitzustellen, und erzielt demgemäß die ähnlichen Wirkungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Brennstoffzelle der Erfindung hat eine wasserstoffpermeable Metallschicht, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat und ein wasserstoffpermeables Metall aufweist. Die Menge eines Katalysators, der an einer Katalysatorschicht bei der Brennstoffzelle gestützt ist, wird gemäß einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle reguliert, die durch Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle einschließlich Temperaturen und Strömungsrichtungen von Fluiden verursacht wird, die zu der Brennstoffzelle zugeführt werden. Eine derartige Regulierung gleicht wirksam eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle aus und verhindert somit in vorteilhafter Art und Weise die Verringerung der Haltbarkeit und die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle, die die wasserstoffpermeable Metallschicht aufweist.

Claims

Brennstoffzelle mit einer wasserstoffpermeablen Metallschicht, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat und die ein wasserstoffpermeables Metall aufweist, wobei die Brennstoffzelle Folgendes aufweist: einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Ausgleichen einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle, wobei die ungleichmäßige Temperaturverteilung durch Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und/oder Umgebungen der Brennstoffzelle verursacht wird.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt einen Shift-Katalysatorabschnitt aufweist, der in Kontakt mit einer Anode innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet ist und einen Shift-Katalysator zum Beschleunigen einer Shift-Reaktion zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid und Dampf enthält, und wobei der Shift-Katalysatorabschnitt eine Zufuhr eines reformierten Gases aufnimmt, das Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Dampf enthält, und einen größeren Gehalt des Shift-Katalysators in einer spezifischen Region hat, die einem Bereich mit niedrigerer Temperatur entspricht, die eine niedrigere Temperatur als ein übriger Bereich aufgrund der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und/oder der Umgebungen der Brennstoffzelle hat, als ein Gehalt des Shift-Katalysators in einer verbleibenden Region entsprechend dem übrigen Bereich.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle eine Temperatur und eine Strömungsrichtung eines zu der Brennstoffzelle zugeführten Fluids umfassen.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 und 3, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine Wärmeerzeugung in einem Bereich mit höherer Temperatur steuert, der eine höhere Temperatur als ein verbleibender Bereich aufgrund der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und/oder der Umgebungen der Brennstoffzelle hat.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine elektrochemische Reaktion in dem Bereich mit höherer Temperatur unterdrückt.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine Katalysatorschicht aufweist, die einen Katalysator zum Beschleunigen der elektrochemischen Reaktion enthält und an einer Elektrode der Brennstoffzelle ausgebildet ist, so dass sie einen geringeren Gehalt des Katalysators in einer spezifischen Region entsprechend dem Bereich mit höherer Temperatur als ein Gehalt des Katalysators in einer verbleibenden Region entsprechend dem übrigen Bereich hat.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt eine Elektrode aufweist, die eine dünne Metallmembran ist, die eine elektrochemische Reaktion hat und ausgelegt ist, so dass sie einen geringeren Flächeninhalt in einer spezifischen Region entsprechend dem Bereich mit höherer Temperatur hat.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 7, wobei die Elektrode die wasserstoffpermeable Metallschicht ist.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt die wasserstoffpermeable Metallschicht aufweist, die ausgelegt ist, so dass sie eine größere Dicke in einer spezifischen Region entsprechend dem Bereich mit höherer Temperatur hat.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 und 3 bis 9, wobei ein reformiertes Gas, das durch Reformieren eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs vorbereitet wird, als Brennstoffgas verwendet wird, das zu einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt einen Reformerkatalysatorabschnitt aufweist, der in Kontakt mit einer Anode innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet ist und einen Reformerkatalysator zum Beschleunigen einer Reformerreaktion zum Erzeugen von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoffkraftstoff enthält, und wobei der Reformerkatalysator Zufuhren des Kohlenwasserstoffkraftstoffs und von Dampf empfängt und einen größeren Gehalt des Reformerkatalysators in einer spezifischen Region, die dem Bereich mit höherer Temperatur entspricht, als ein Gehalt des Reformerkatalysators in einer verbleibenden Region hat, die dem verbleibenden Bereich entspricht.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Bewältigen einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung an einer identischen Ebene der Brennstoffzelle als Einheitszelle eines Brennstoffzellenstacks vorgesehen ist, die durch die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und/oder die Umgebungen der Brennstoffzelle verursacht wird.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Anzahl der Brennstoffzellen als Einheitszellen zum Ausbilden eines Brennstoffzellenstacks geschichtet sind, und wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Bewältigen einer gesamten ungleichmäßigen Temperaturverteilung in dem gesamten Brennstoffzellenstack vorgesehen ist, die durch die Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen und/oder die Umgebungen der Brennstoffzellen verursacht wird.
Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, die eine wasserstoffpermeable Metallschicht hat, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat und ein wasserstoffpermeables Metall aufweist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung Folgendes aufweist: einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Steuern einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen aufgrund der Temperatur und der Strömungsrichtung eines Reaktionsgases, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, um einer elektrochemischen Reaktion unterzogen zu werden, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt Folgendes aufweist: einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad zum Zuführen und Ausstoßen des Reaktionsgases in die und aus den Brennstoffzellen; ein erstes Umschaltelement, das in dem ersten Strömungspfad vorgesehen ist, um eine Umschaltung zwischen einem Gaseinlasszustand zur Gestattung, dass das Reaktionsgas von einer Leitung, die sich mit dem ersten Strömungspfad verbindet, gefördert wird und in die Brennstoffzellen eingeführt wird, und einem Gasausstoßzustand zum Verbinden des ersten Strömungspfads mit der Außenseite zum Ausstoßen des Reaktionsgases vorzunehmen, das durch die Brennstoffzellen nach außen strömt; und ein zweites Umschaltelement, das in dem zweiten Strömungspfad vorgesehen ist, um eine Umschaltung zwischen dem Gaseinlasszustand zur Gestattung, dass das Reaktionsgas von einer Leitung, die mit dem zweiten Strömungspfad verbunden ist, gefördert wird und in die Brennstoffzellen eingeführt wird, und dem Gasausstoßzustand zum Verbinden des zweiten Strömungspfads mit der Außenseite vorzunehmen, um das Reaktionsgas, das durch die Brennstoffzellen strömt, nach außen auszustoßen, wobei das erste Umschaltelement und das zweite Umschaltelement gesteuert werden, um die Strömungsrichtung des Reaktionsgases zu regulieren, das durch die Brennstoffzellen strömt.
Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, die eine wasserstoffpermeable Metallschicht hat, die an einer Ebene einer Elektrolytschicht ausgebildet ist, die eine Protonenleitfähigkeit hat und ein wasserstoffpermeables Metall aufweist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung Folgendes aufweist: einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt zum Steuern einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen aufgrund einer Temperatur und einer Strömungsrichtung eines Reaktionsgases, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, um einer elektrochemischen Reaktion unterzogen zu werden, und/oder von Umgebungen der Brennstoffzellen, wobei der Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt Folgendes aufweist: ein Reaktionsgas-Zirkulationsmodul, das zumindest einen Teil eines Reaktionsgases, das das Reaktionsgas ist, das durch die Brennstoffzellen strömt und von diesen ausgestoßen wird, zu der Strömung des Reaktionsgases rezirkuliert; und ein Reaktionsgas-Temperaturverringerungsmodul, das eine Temperatur des Reaktionsgasauslasses vor der Rezirkulation des Reaktionsgasauslasses zu der Strömung des Reaktionsgases verringert.