DE112006002270B4

DE112006002270B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006002270B4
Application number: DE112006002270T
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Nakanishi; Shigeaki Murata; Masahiro Imanishi; Yoshihisa Tamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: CN101253649B; DE112006002270T5; JP4945963B2; DE112006002270B8; WO2007026952A1; US8455148B2; US20090253009A1; JP2007066758A; CN101253649A

Abstract

Brennstoffzelle mit: einer Vielzahl parallel angeordneter rohrförmigen Zellen (1); und Wärmetauscher (10), die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind, wobei die Wärmetauscher (10) eine Mehrzahl von Plattenelementen (21) aufweisen, die konkave Seitenflächen (16) haben, und wobei zumindest ein Teil der äußeren Umfangsfläche jeder rohrförmigen Zelle (1) und eine Außenfläche jeder konkaven Seitenfläche (16) der Plattenelemente (21) der Wärmetauscher (10) miteinander in Flächenkontakt stehen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, welche rohrförmige Brennstoffelemente umfasst, insbesondere bezieht sie sich auf eine Brennstoffzelle, welche geeignet ist, die Wärmeaustauscheffizienz der röhrförmigen Brennstoffelemente zu verbessern.
Stand der Technik
Bei der herkömmlichen Festpolymer-Elektolyt-Brennstoffzelle (hiernach als „PEFC (Polymer-Elektolyt-Brennstoffzelle)” bezeichnet) wird eine elektrische Energie, die durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt wird, welche in einer Membran-Elektroden-Einheit (hiernach als „MEA” bezeichnet) erzeugt wird, die eine plattenförmige Elektrolytmembran umfasst und Elektroden (eine Kathode und eine Anode), welche auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordnet ist, über Separatoren, die an beiden Seiten der MEA angeordnet sind, aus der PEFC entnommen. Die PEFC kann in einem Niedrigtemperaturbereich betrieben werden. Wegen ihrer hohen Energieumwandlungseffizienz, ihrer kurzen Anlaufdauer und ihrem kleindimensionierten- und leichtgewichtigen System hat sie als Energiequelle für Autobatterien oder als tragbare Energiequelle Interesse geweckt.
Zwischenzeitlich enthält eine Elementarzelle der oben beschriebenen PEFC solche Bestandteile wie eine Elektrolytmembran, eine Kathode und eine Anode, welche aus mindestens einer Katalysatorschicht bestehen, und Separatoren, und ihre theoretische elektromotorische Kraft beträgt 1,23 Volt. Allerdings ist eine so geringe elektromotorische Kraft nicht ausreichend als eine Energiequelle einer Autobatterie oder ähnlichem. Aufgrund dessen wird ein PEFC-Stapel (hiernach einfach als „Brennstoffzelle” beschrieben), welcher konfiguriert wird, indem Endplatten oder ähnliches an beiden Enden des gestapelten Körpers, in welchem Elementarzellen in Reihe in Stapelrichtung aufgestapelt sind, angeordnet werden, normalerweise als Energiequelle eingesetzt. Um die elektrische Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle weiter zu steigern, ist es zusätzlich bevorzugt, die Elementarzellen zu verkleinern und einen Bereich der elektrischen Energieerzeugungsreaktion (Ausgabedichte) pro Einheitsbereich zu verbessern.
Um die Ausgabedichte der herkömmlichen plattenförmigen Brennstoffzelle (hiernach manchmal mit „plattenförmige FC” bezeichnet) pro Einheitsbereich zu verbessern und ihre elektrische Energieerzeugungseffizienz zu erhöhen, ist es notwendig, die oben genannten Bauelemente der plattenförmigen FC dünner auszuführen. Wenn jedoch die Dicke der Bauelemente der plattenförmigen FC so eingestellt wird, dass sie gleich oder kleiner als die vorher festgelegte Dicke ist, könnten Funktionen. Festigkeit und ähnliches, eines jeden Bauelementes möglicherweise verringert werden. Aus diesem Grund ist es strukturell schwierig, die Ausgabedichte pro Einheitsbereich einer Brennstoffzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau zu verbessern, um gleich oder größer der bestimmten Dichte zu sein.
Aus diesen Gesichtspunkten wurden in den letzten Jahren Studien über eine rohrförmigartige PEFC (hiernach manchmal als „rohrförmige PEFC” bezeichnet) durchgeführt. Eine Elementarzelle (hiernach manchmal als „rohrförmige Zelle” bezeichnet) der rohrförmigen PEFC umfasst eine hohlförmige MEA (hiernach ist diese einfach als „hohle MEA” beschrieben), welche eine hohlförmige Elektrolytschicht und hohlförmige Elektrodenschichten aufweist, die jeweils innerhalb und außerhalb der Elektrolytschicht angeordnet sind. Eine elektrochemische Reaktion wird ausgelöst, indem Reaktionsgase (ein Wasserstoff-basierendes Gas und ein Sauerstoff-basierendes Gas) der Innenseite und der Außenseite der hohlen MEA zugeführt werden, und die elektrische Energie, die durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, wird über Stromkollektoren, die innerhalb und außerhalb der hohlen MEA angeordnet sind, nach Außen abgenommen.
Und zwar erleichtert die rohrförmige PEFC das Abnehmen der elektrischen Energie, indem eines der Reaktionsgase (ein Wasserstoff-basierendes Gas oder ein Sauerstoff-basierendes Gas) dem Inneren der hohlen MEA, welche in jeder Elementarzelle enthalten ist, zugeführt wird, und das andere Reaktionsgas (ein Sauerstoff-basierendes Gas oder ein Wasserstoff-basierendes Gas) der außenseitigen hohlen MEA zugeführt wird. Mit anderen Worten ist es möglich, Separatoren, die eine Gasabschirmfunktion in den herkömmlichen plattenförmigen PEFC haben, wegzulassen, da die rohrförmigen PEFC der Außenseite zweier benachbarter Elementarzellen ermöglicht, das gleiche Reaktionsgas zu haben. Entsprechend ermöglicht die rohrförmige PEFC effektiv, die Elementarzelle zu verkleinern.
Verschiedene Techniken bezüglich der rohrförmigen Brennstoffzelle (hiernach kann sie einfach mit „rohrförmige FC” bezeichnet werden), wie zum Beispiel rohrförmige PEFC, wurden offenbart. Zum Beispiel offenbart die veröffentlichte japanische Übersetzung der PCT-Anmeldung JP 2004-505417 A ein Design, weiches aufgebaut ist, indem ein modularer elektrochemischer Zellaufbau ausgebildet wird, indem eine Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffelementen (Mikrozellen) gebündelt wird und zylindrische Wärmeübertragungsrohre in das Bündel eingesetzt werden. Demnach macht das Design es möglich, einen großen Anteil der Wärme abzuführen, die durch das Bündel der Mikrozellen erzeugt wird.
Da die Kühlrohre zylindrisch ausgebildet sind, berühren sich bei dem in der veröffentlichten japanischen Übersetzung der PCT-Anmeldung JP 2004-505417 A offenbarten Design eine der rohrförmigen Brennstoffelemente und eines der Kühlrohre jedoch nur auf einer Linie, wodurch es schwierig ist, die Kühleffizienz zu verbessern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche geeignet ist, die Wärmeaustauscheffizienz bei rohrförmigen Brennstoffzellen zu steigern.
Offenbarung der Erfindung
Um die oben genannten Probleme zu lösen, unternimmt die Erfindung die folgenden Schritte. Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit: einer Vielzahl rohrförmiger Zellen, die parallel zueinander angeordnet sind; und mit Wärmetauschern, die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und die Außenfläche der Wärmetauscher Flächenkontakt miteinander haben.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung bedeutet die Bezeichnung „Wärmetauscher, welche an der Außenseite des rohrförmigen Brennstoffelements angeordnet ist”, dass die Wärmetauscher so angeordnet sind, dass sie Flächenkontakt mit mindestens einem Teil der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen haben. In der Erfindung (den ersten Aspekt der Erfindung und den unten beschriebenen zweiten Aspekt der Erfindung beinhaltend) bedeutet der Begriff „Wärmetauscher” ein Element, welches darin einen Wärmemediumsdurchgang aufweist. Wenn ein Kühlmedium durch den Durchgang fließt, arbeitet der Wärmetauscher als ein Kühlrohr, um die rohrförmigen Zellen zu kühlen. Wenn ein thermisches Medium durch den Durchgang fließt, wirkt der Wärmetauscher als Heizrohr, um die rohrförmigen Zellen zu erhitzen. Die Art des Wärmetauschers der Erfindung (den ersten Aspekt der Erfindung und den unten beschriebenen zweiten Aspekt der Erfindung beinhaltend) ist nicht beschränkt, solange er darin einen Wärmemediumsdurchgang aufweist. Es ist nicht nur ein Kühlrohr mit einem einzigen Hohlraum, sondern es kann auch, wie später beschrieben wird, eine Art Wärmetauscher enthalten, in welchem eine Vielzahl von Wärmemediumsdurchgängen vorgesehen sind, und welche ausgebildet ist, indem die dicken Wandabschnitte der Vielzahl rohrförmiger Wärmetauscher verbunden werden. Ferner ist in dem ersten Aspekt der Erfindung die Anzahl der rohrförmigen Zellen, die Flächenkontakt mit den Wärmetauschern haben sollen, nicht besonders beschränkt. Ein Wärmetauscher kann mit einem einzigen Brennstoffelement in Flächenkontakt sein oder mit einer Vielzahl (zum Beispiel vier oder mehr) der rohrförmigen Zellen in Flächenkontakt stehen.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle mit: einer Vielzahl von rohrförmigen Zellen, die parallel angeordnet sind; und Wärmetauschern, die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind, wobei Krümmungen, die die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen berühren sollen, an der Außenfläche der Wärmetauscher vorgesehen sind.
In dem zweiten Aspekt der Erfindung bedeutet die Bezeichnung „Wärmetauscher, die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind”, dass die Wärmetauscher so angeordnet sind, dass sie mit zumindest einem Teil der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen in Berührung sind. Genauer gesagt bedeutet dies, dass die Außenfläche eines der Wärmetauscher und die äußere Umfangsfläche einer der rohrförmigen Zellen in Lienenkontakt über mindestens zwei Linien sind oder Flächenkontakt miteinander haben. Zusätzlich dazu bedeutet die Bezeichnung „Krümmungen, die in direktem Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen sein sollen, sind an der Außenfläche der Wärmetauscher vorgesehen”, dass die Oberfläche, welche Krümmungen hat, auf welchen säulenartige, rohrförmige Zellen angeordnet werden können (hiernach als „Konkave” bezeichnet), an der Außenfläche der Wärmetauscher vorgesehen ist. Es bedeutet auch, dass die Konkave und die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen sich gegenseitig direkt berühren (siehe 8). Beispiele der Querschnittsform der Konkave, welche durch Schneiden in einer Ebene, welche eine Richtung normal zu einer axialen Richtung des Wärmetauschers enthält, erhalten wird, beinhalten ein gebogenes Profil (siehe 8(A)) und eine polygonale Linie (siehe 8(B)). Ferner ist in dem zweiten Aspekt der Erfindung, ähnlich zum ersten Aspekt der Erfindung, die Anzahl der rohrförmigen Zellen, die Flächenkontakt mit einem Wärmetauscher haben, nicht besonders begrenzt. Ein Wärmetauscher kann Flächenkontakt mit nur einer einzelnen rohrförmigen Brennstoffzellen haben, oder er kann mit einer Vielzahl (zum Beispiel vier oder mehr) der rohrförmigen Zellen Flächenkontakt haben.
Ferner kann in dem oben genannten zweiten Aspekt der Erfindung ein Querschnitt der Konkaven, die durch Schneiden in einer Ebene, welche eine Richtung normal zu einer axialen Richtung des Wärmetauschers enthält, erhalten wird, eine polygonale Linie sein, und eine der Konkaven und die äußeren Umfangsflächen einer der rohrförmigen Zellen sind miteinander über mindestens zwei Linien in Linienkontakt.
In dem oben genannten zweiten Aspekt der Erfindung (einschließlich der Variation) können sowohl die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zelle als auch die Konkave als gekrümmte Oberfläche ausgebildet sein.
In dem zweiten Aspekt der Erfindung, in dem die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen als auch die Konkave als gekrümmte Oberfläche ausgebildet sein können, kann, wenn ein Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zelle als R1 definiert ist und ein Krümmungsradius der Konkave zur Aufnahme der rohrförmigen Zellen als R2 definiert ist, ein Verhältnis R2 ≤ R1 gegeben sein.
Bei diesen Aspekten der Erfindung (den ersten und zweiten Aspekt und deren Variationen enthaltend: hiernach, gleich wie dies) kann ein Kontaktbereich der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und der Außenfläche des Wärmetauschers gebildet werden, um 2% oder mehr und 50% oder weniger des Umfangsflächenbereichs des Wärmetauschers zu werden.
In der Erfindung bedeutet die Bezeichnung „Kontaktbereich ist 2% oder mehr und 50% oder weniger der Umfangsfläche des Wärmetauschers”, dass ein Bereich der Umfangsfläche des Wärmetauschers, welcher Flächenkontakt mit der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen hat, 2% oder mehr und 50% oder weniger der gesamten Umfangsfläche des Wärmetauschers beträgt. Die Bezeichnung „der gesamte Umfangsfläche” bedeutet wie folgt: Wenn der Umfangsfläche des Wärmetauschers, ein Bereich, der mit der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen in Berührung ist, als „A” definiert wird; und wenn ein anderer Bereich, welcher nicht mit der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen in Kontakt ist, als „B” definiert wird, bedeutet „die gesamte Umfangsfläche” den gesamten Bereich, welcher durch „A + B” gezeigt ist. Mit anderen Worten wird durch Verwendung von A und B die Bedingung der oberen Aspekte der Erfindung durch „0,02 ≤ A/(A + B) ≤ 0,5” wiedergegeben.
In den Aspekten der oben genannten Erfindung können die Reaktionsgasdurchgänge an der Umfangsfläche des Wärmetauschers ausgebildet werden, um Flächenkontakt mit den rohrförmigen Zellen zu haben.
In den Aspekten der oben genannten Erfindung können ferner die Reaktionsgasdurchgänge in einer Richtung ausgebildet sein, die eine axiale Richtung der rohrförmigen Zellen kreuzt.
In den Aspekten der oben genannten Erfindung kann der Wärmetauscher in einer Öffnung angeordnet sein, die durch eine Vielzahl der rohrförmigen Zellen ausgebildet ist, welche parallel angeordnet sind.
In den Aspekten der oben genannten Erfindung kann auch eine Vielzahl der Wärmemediumdurchgänge innerhalb des Wärmetauschers vorgesehen sein.
In den Aspekten der oben genannten Erfindung können die Umfangsfläche des Wärmetauschers und die äußeren Umfangsflächen von vier oder mehr der rohrförmigen Zellen derart angeordnet sein, dass sie einander berühren.
Zusätzlich kann in den Aspekten der oben genannten Erfindung der Wärmetauscher elektrisch leitfähig sein.
In den Aspekten der oben genannten Erfindung kann der Wärmetauscher durch ein leitfähiges Material gebildet sein, dessen Außenfläche mit einem Edelmetall beschichtet ist.
Beispiele des Edelmetalls enthalten Platin und Gold.
Ferner kann bei den Aspekten der oben genannten Erfindung ein Kühlmedium innerhalb des Wärmetauschers fließen, wobei zumindest ein Teil der Innenfläche, welche mit dem Kühlmedium in Berührung kommen soll, durch ein elektrisch isolierendes Material gebildet sein kann.
Beispiele des Kühlmediums schließen Wasser aber auch Ethylenglykol und ähnliches ein.
Ferner kann in den Aspekten der oben genannten Erfindung das elektrisch isolierende Material ein Silikongummi sein.
Wirkungen der Erfindung
Da eine der rohrförmigen Zellen und einer der Wärmetauscher Flächenkontakt miteinander haben, ist es, verglichen mit dem herkömmlichen Design, in dem die Außenumfangsfläche dieser rohrförmigen Zeilen nur in einem Linienkontakt mit dem Wärmetauscher sind, in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich, die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen signifikant zu verbessern. Daher ist es gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die die Wärmetauscheffizienz rohrförmiger Zellen verbessert.
Da eine der rohrförmigen Zellen und einer der Wärmetauscher über mindestens zwei Linien in Linienkontakt miteinander sind oder Flächenkontakt haben, ist es gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, verglichen mit dem Stand der Technik, in dem die äußere Umfangsfläche dieser rohrförmigen Zellen nur in Linienkontakt mit dem Wärmetauscher sind, möglich, die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen signifikant zu verbessern. Daher ist es gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen verbessert.
Da ein Querschnitt der Konkaven, die durch Schneiden in einer Ebene, welche eine Richtung normal zu einer axialen Richtung des Wärmetauschers beinhaltet, eine polygonale Linie ist, und eine der Konkaven und die äußere Umfangsfläche einer der rohrförmigen Zellen über mindestens zwei Linien in Linienkontakt miteinander sind, ist es in dem zweiten Aspekt der Erfindung möglich, die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen zu verbessern.
In dem zweiten Aspekt der Erfindung ist es sogar für den Fall, dass die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und die Konkave gekrümmte Oberflächen sind, für die äußere Umfangsfläche von einer der rohrförmigen Zellen und die Umfangsfläche (Konkave) eines der Wärmetauscher möglich, über mindestens zwei Linien in Linienkontakt miteinander zu sein oder Flächenkontakt zu haben. Entsprechend wird es durch diesen Aufbau möglich, die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen zu verbessern.
In dem zweiten Aspekt der oben genannten Erfindung, in welchem Konkave mit der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und mit dem Wärmetauscher versehen werden sollen, wobei ein Verhältnis R2 ≤ R1 zwischen Krümmungsradius R1 und der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und dem Krümmungsradius R2 der Konkave gegeben ist, kann die äußere Umfangsfläche einer der rohrförmigen Zellen und die Umfangsfläche (Konkavabschnitt) eines der Wärmetauscher über mindestens zwei Linien in Linienkontakt miteinander sein oder Flächenkontakt haben.
In dem Aspekt der oben genannten Erfindung wird der Kontaktbereich der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und der Außenfläche des Wärmetauschers auf 2% oder mehr und 50% oder weniger des Außenflächenbereichs des Wärmetauschers festgesetzt. Dabei ist es möglich, die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen zu verbessern und die Zuführeffizienz der Gase, die den rohrförmigen Zellen zugeführt werden sollen, zu verbessern. Entsprechend ist der Aspekt der Erfindung geeignet, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die die Energieerzeugungseffizienz verbessert.
Wenn die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und die Außenfläche der Wärmetauscher Flächenkontakt miteinander haben, ist es zusätzlich in dem Aspekt der oben genannten Erfindung möglich, die Reaktionsgase der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen über diese Reaktionsgasdurchgänge zuzuführen, da die Reaktionsgasdurchgänge in der Außenfläche des Wärmetauschers gebildet sind. Daher ist es gemäß dem Aspekt der Erfindung möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die geeignet ist, den Diffusionsschwund des Reaktionsgases zu verhindern und die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen zu verbessern.
Da in einem Aspekt der oben genannten Erfindung die Gasdurchgänge in einer Richtung ausgebildet sind, die die axiale Richtung der rohrförmigen Zellen kreuzt, wird es ferner möglich, die Reaktionsgase mit einer hohen Fließgeschwindigkeit auszuschütten und den Druckverlust der Reaktionsgase zu vermindern.
In dem Aspekt der oben genannten Erfindung ist es möglich, die Wärmetauscheffizienz zu verbessern und die Brennstoffzelle zu verkleinern, indem die Wärmetauscher in Öffnungen angeordnet werden, die durch eine Vielzahl der parallel angeordneten rohrförmigen Zellen gebildet sind.
Durch einen Aufbau derart, dass eine Vielzahl der Reaktionsgasdurchgänge innerhalb der Wärmetauscher vorgesehen sind, ist es ferner in dem Aspekt der oben genannten Erfindung möglich, einen Aufbau zu haben, der durch Verbindung der dicken Wandabschnitte der Wärmetauscher mit den anderen Wärmetauschern gebildet wird. Wenn die Wärmetauscher einen solchen Aufbau haben, können die Reaktionsgasdurchgänge in der Außenfläche der Wärmetauscher kontinuierlich ausgebildet werden. Dadurch ist es möglich, die Reaktionsgase einfach mit einer hohen Fließgeschwindigkeit auszuschütten und einfach den Druckverlust der Reaktionsgase zu vermindern.
Da die Außenfläche der Wärmetauscher und die äußere Umfangsfläche von vier oder mehr der rohrförmigen Zellen in Kontakt zueinander angeordnet sind, ist es in dem Aspekt der oben genannten Erfindung möglich, die Wärmetauscheffizienz zu verbessern und die Brennstoffzelle zu verkleinern.
Da die Wärmetauscher, die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind, leitfähige Eigenschaften haben, ist es in dem Aspekt der oben genannten Erfindung möglich, dass die Wärmetauscher eine Funktion als Stromabnehmer aufweisen. Dadurch ist es gemäß dem Aspekt der Erfindung möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die die Stromabnahmeeffizienz verbessern kann.
Da die Oberfläche des Wärmetauschers, die mit dem Kühlmedium in Berührung kommt, durch ein elektrisch isolierendes Material gebildet ist, zusammen mit den oben genannten Effekten, ist es zusätzlich in dem Aspekt der oben genannten Erfindung möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die Stromverluste verhindert und die elektrische Energieerzeugungseffizienz verbessert.
Ferner ist es in dem Aspekt der oben genannten Erfindung, in welchem die Oberfläche des Wärmetauschers, welcher das Kühlmedium berühren soll, aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist, möglich, einen Stromverlust zu verhindern und auf einfache Weise die elektrische Energieerzeugungseffizienz zu verbessern, indem Silikongummi als elektrisch isolierendes Material eingesetzt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1(A) ist eine schematische Darstellung, welche die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1(B) ist eine schematische Darstellung, die die Brennstoffzelle der herkömmlichen Erfindung zum Vergleich zeigt;
2 ist eine perspektivische Darstellung, welche rohrförmige Zellen und ein Kühlrohr zeigt, die in einer Brennstoffzelle eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung angeordnet werden sollen;
3 ist eine perspektivische Darstellung, welche das Kühlrohr des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt;
4 ist eine perspektivische Darstellung, welche rohrförmige Zellen und das Kühlrohr zeigt, welche in der Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung angeordnet werden sollen;
5 ist eine perspektivische Darstellung, welche die rohrförmigen Zellen und das Kühlrohr zeigt, welche in die Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung angeordnet werden sollen;
6 ist eine Draufsicht, welche einen Aufbau eines Kühlrohrs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
7(A)–7(E) sind schematische Darstellungen, die Elemente zeigen, welche das Kühlrohr gemäß der Erfindung bilden; und
8(A) und 8(B) sind im Maßstab vergrößerte Querschnittsdarstellungen, die eine der Konkaven zeigt, die an dem Wärmetauscher und einer der rohrförmigen Zellen angeordnet sind. 8(A) ist eine schematische Darstellung, die einen Aufbau einer Konkave mit einer gekrümmten Oberfläche zeigt; 8(B) ist eine schematische Darstellung, die einen Aufbau einer Konkave mit einer polygonalen Linie zeigt.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt Bezugszeichen 1 eine rohrförmige Brennstoffzelle an, 10a und 10b zeigen Kühlrohre (Wärmetauscher) an, 11 und 12 zeigen Reaktionsgasdurchgänge an, 13 zeigt ein Loch an, 15a und 15b zeigen Öffnungen an, 16 und 17 zeigen Konkaven an, welche in den Wärmetauschern angeordnet werden sollen, 20 zeigt ein Rohrelement an, 21a und 21b zeigen Plattenelemente an.
Beste Art, die Erfindung auszuführen
Um die Ausgabedichte pro Einheitsvolumen zu verbessern, wurden Studien über rohrförmige FC durchgeführt. Bei der rohrförmigen FC, genauso wie bei einer plattenförmigen FC, wird der optimale Temperaturbereich für elektrochemische Reaktion abhängig von den Arten des Elektrolyts (zum Beispiel ungefähr 100°C für PEFC) bestimmt. Um die elektrische Energieerzeugungseffizienz zu verbessern, ist es daher notwendig, die Zellen der rohrförmigen FC zu kühlen und die Temperatur der Zellen innerhalb eines vorher festgelegten Bereichs zu steuern. Daneben ist, zur Verbesserung der Kaltstartfunktion der Brennstoffzellen, zum Zeitpunkt des Startes der Brennstoffzelle manchmal ein Aufwärmen der rohrförmigen Zellen notwendig. Daher weist die rohrförmige FC einen Wärmetauscher (hiernach manchmal mit „Kühlrohr” bezeichnet) auf, um die Zellen der rohrförmigen FC abzukühlen/aufzuwärmen. Das herkömmliche Kühlrohr weist jedoch eine zylindrische Form auf, wodurch das Kühlrohr mit den rohrförmigen Zellen nur über eine Linie in Kontakt kommt. Somit ist der Kontaktbereich der äußeren Umfangsfläche des Kühlrohrs und der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen klein; dadurch neigt die Wärmetauscheffizienz dazu, sich zu verschlechtern. Um die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen zu verbessern, insbesondere deren Kühleffizienz zu verbessern, muß der Kontaktbereich zwischen den Zellen und dem Kühlrohr vergrößert werden.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche geeignet ist, die rohrförmigen Zellen zu kühlen/aufzuheizen und die Wärmetauscheffizienz über die zusammengestellten Wärmetauscher zu verbessern, indem sie in Flächenkontakt oder über mindestens zwei oder mehr Linien in Linienkontakt mit den rohrförmigen Zellen sind. Wenn dabei die rohrförmigen Zellen und die Wärmetauscher in der oben genannten Zusammenstellung miteinander in Berührung gebracht werden, besteht die Befürchtung, dass die Diffusion der Reaktionsgase zu der äußeren Umfangsfläche unterbrochen sein kann. Durch Ausbildung von Reaktionsgasdurchgängen an der Außenfläche der Wärmetauscher wird daher in der vorliegenden Erfindung die Diffusion der Reaktionsgase gesichert und die Wärmetauscheffizienz verbessert. Durch Anordnung der Wärmetauscher mit solch einer Zusammenstellung von Öffnungen, die durch benachbarte rohrförmige Zellen gebildet sind, die parallel zueinander sind, ist es ferner möglich, die Wärmetauscheffizienz zu erhöhen und die Brennstoffzelle zu verkleinern. Wenn die Wärmetauscher durch ein elektrisch leitendes Material gebildet sind, wird es zusätzlich möglich, die Wärmetauscher mit einer Funktion als Stromabnehmer zu versehen. Entsprechend ist es möglich, die Stromabnahmeeffizienz zu verbessern und die Brennstoffzelle zu verkleinern.
Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten im Detail mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung wird der Wärmetauscher als ein Kühlrohr durch Umlaufen des Kühlmediums innerhalb des Wärmetauschers eingesetzt; trotzdem kann der Wärmetauscher auch benutzt werden, um die rohrförmigen Zellen zu erhitzen, indem das Heizmedium in dem Wärmetauscher umläuft.
Um das Verständnis der Erfindung einfacher zu machen, sind die Unterschiede zwischen einer herkömmlichen Brennstoffzelle und der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die 1(A) und 1(B) beschrieben.
Die 1(A) ist eine schematische Darstellung, welche die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung zeigt, und die 1(B) ist eine schematische Darstellung, die die herkömmliche Brennstoffzelle zum Vergleich zeigt. Die 1(A) ist eine Darstellung von vorne, die eine Anordnung der rohrförmigen Zellen und des Kühlrohrs in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 1(B) ist eine Darstellung von vorne, die schematisch eine Anordnung der rohrförmigen Brennstoffelemente und dem Kühlrohr in einer herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt. Wie aus der 1(A) zu entnehmen, ist die Außenfläche dies Kühlrohrs 10a der Erfindung in einer Konfiguration ausgebildet, welche geeignet ist, Flächenkontakt mit der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 zu haben. Jede rohrförmige Zellen 1, 1, 1, 1 und das Kühlrohr 10a haben Flächenkontakt miteinander. Andererseits sind, wie in der 1(B) gezeigt, selbst wenn die zylindrische Form des herkömmlichen Kühlrohrs 90 in einer Öffnung angeordnet ist, die durch eine Vielzahl der parallel angeordneten rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 gebildet ist, diese nur auf Linien (Linienkontakt) benachbart, da das Kühlrohr 90 und die rohrförmige Zelle 1 beide in einer zylindrischen Form (rohrförmige Form) ausgebildet sind. Daher ist in der herkömmlichen Brennstoffzelle der Kontaktbereich des Kühlrohrs und der rohrförmigen Zellen merklich kleiner als der der vorliegenden Erfindung; daher ist es schwierig, die Kühleffizienz zu verbessern.
Die 2 ist eine perspektivische Darstellung, welche rohrförmige Zellen und ein Kühlrohr zeigt, die in die Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung eingesetzt werden sollen. Die 3 ist eine perspektivische Darstellung, welche das in der 2 gezeigte Kühlrohr zeigt. In den 2 und 3 haben Elemente, die den gleichen Aufbau haben wie die in der 1 gezeigte Brennstoffzelle, die gleichen Bezugsziffern wie in der 1 und die Beschreibung jedes Elementes ist weggelassen. Hiernach wird die Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
Wie in der 2 gezeigt, ist das Kühlrohr 10a, welches in der Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung angeordnet ist, in einer Öffnung angeordnet, die durch benachbarte parallel angeordnete rohrförmige Zellen ausgebildet ist. Das Kühlrohr 10a ist beispielsweise so ausgebildet, dass eine Vielzahl von Plattenelementen, die aus einem elektrisch leitenden Material (zum Beispiel Ti und Ähnliches) bestehen und deren Außenfläche mit einem Edelmetall beschichtet ist (zum Beispiel Au-Beschichtung), an einem rohrförmigen Element, welches aus einem elektrisch leitenden Material (zum Beispiel Ti und Ähnliches) werden besteht, und deren Außenfläche mit einem Edelmetall beschichtet ist (zum Beispiel Au-Beschichtung) fixiert (oder Ähnliches), indem ein vorher festgelegter Abstand zwischen den Plattenelementen eingestellt wird. Innerhalb der Öffnung 13, welche in dem Kühlrohr 10a ausgebildet ist, das eine ähnliche Länge wie die Länge der rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 in axialer Richtung aufweist, ist ein elektrisch isolierendes rohrförmiges Element (zum Beispiel ein aus Silikongummi hergestelltes Rohr oder Ähnliches) angeordnet, und ein Kühlmedium wie beispielsweise Wasser läuft innerhalb des Elements. Durch den Flächenkontakt zwischen der Außenfläche des Kühlrohrs 10a, welches durch das Kühlmedium gekühlt wird, und der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 ist es möglich, die vier rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 effektiv herunterzukühlen.
Wie in der 3 gezeigt, sind in der Außenfläche des Kühlrohrs 10a des ersten Ausführungsbeispiels sowohl in einer Richtung quer zu der Axialrichtung des Rohrs als auch in einer parallelen Richtung zu der Axialrichtung des Rohrs Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... und 12, 12, ... ausgebildet. Durch diese Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... und 12, 12, ..., wird der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, ... Reaktionsgas zugeführt. Wenn die Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... und 12, 12, ... in der Außenfläche des Kühlrohrs 10a ausgebildet sind, kann auf diese Weise nicht nur zu der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1, welche zu den Öffnungen 15a, 15a, 15b, 15b gerichtet sind, sondern auch zu der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1, welche zu der Außenfläche des Kühlrohrs 10a gerichtet sind, Reaktionsgas zugeführt werden. Dadurch ist es möglich, die Verringerung der elektrischen Energieerzeugungseffizienz aufgrund Unterversorgung mit Reaktionsgasen zu verhindern. Mit anderen Worten wird es durch Anordnung des Kühlrohrs 10a mit der besonderen Konfiguration in die Öffnung zwischen den rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, ..., die parallel benachbart sind, möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche die Diffusion der Reaktionsgase beibehalten kann und die Kühleffizienz verbessert. Ferner sind zu dem Kühlrohr 10a des ersten Ausführungsbeispiels Reaktionsgasdurchgänge nicht nur in einer Richtung quer zu der axialen Richtung, sondern auch in einer Richtung parallel zu der axialen Richtung ausgebildet. Dadurch wird zum Beispiel das Tropfwasser, welches dadurch erzeugt wird, dass der in jeder rohrförmigen Zelle 1, 1, ... erzeugte Wasserdampf das Kühlrohr 10a berührt, entlang der Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... bewegt, um das Tropfwasser in den Reaktionsgasdurchgängen 12, 12, ... zu sammeln; dann ist eine Abführung des Tropfwassers, welches in den Reaktionsgasdurchgängen 12, 12, ... gesammelt wird, nach außen möglich.
Wie oben beschrieben, besteht das Kühlrohr 10a aus einem elektrisch leitenden Material, wobei das Kühlrohr 10a Flächenkontakt mit jeder rohrförmigen Zelle 1, 1, 1, 1 hat. Deswegen ist es mit diesem Kühlrohr 10a möglich, den elektrischen Strom in der Umfangsrichtung und der axialen Richtung der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 zu sammeln. Wenn das Kühlrohr 10a als ein Stromabnehmer arbeiten kann, kann der Aufbau der Brennstoffzelle vereinfacht werden. Abhängig von dem Kühlrohr 10a, welches Flächenkontakt mit den rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 hat, ist es ferner möglich, die Stromabnahmeeffizienz zu verbessern.
Bei dem in der 3 gezeigten Aufbau kann sich, als ein Ergebnis der Ausbildung der Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... und der Reaktionsgasdurchgänge 12, 12, ... zu der Außenfläche des Kühlrohrs 10a, die Struktur, durch welche die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, ..., und die Außenfläche des Kühlrohrs 10a Flächenkontakt zueinander haben, als eine Struktur herausstellen, die durch die Vielzahl der Konkaven (hiernach in der Beschreibung der 3 einfach als „Konkave” bezeichnet) gebildet ist, welche auf der Oberseite einer Vielzahl von konvexen Abschnitten ausgebildet sind, die zwischen den Reaktionsgasdurchgängen 11, 11, ... angeordnet werden und die äußeren Umfangsflächen der rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 einander berühren. In der Erfindung bedeutet nämlich der Begriff „haben Flächenkontakt” ein Konzept, welches einen Aufbau enthält, bei dem eine Vielzahl von Konkaven so angeordnet ist, dass die Außenfläche des Kühlrohrs 10a und die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, ... einander berühren. Durch der Flächenkontakt der Außenfläche des Kühlrohrs 10a in solch einem Aufbau mit der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, ... ist es möglich, die Kühleffizienz zu verbessern. Nebenbei bemerkt ist in der 3 ein Aufbau gezeigt, in dem die Vielzahl der Konkaven, die zwischen den Gasdurchgängen 11, 11, ... liegen, die in der Richtung ausgebildet sind, die die axiale Richtung des Rohres kreuzt, wobei die äußeren Umfangsfläche des rohrförmigen Brennstoffelementes 1, 1, ... Flächenkontakt miteinander haben. Natürlich kann die vorliegende Erfindung einen Aufbau haben, in welchem eine Vielzahl von Konkaven, die an der Oberseite einer Vielzahl von konvexen Abschnitten ausgebildet ist, welche zwischen den Reaktionsgasdurchgängen in einer Richtung parallel zu der axialen Richtung des Rohres liegen, und die äußeren Umfangsflächen der rohrförmigen Zellen Flächenkontakt miteinander haben. Ferner kann die Erfindung auch einen anderen Aufbau haben, in welchem eine Vielzahl von Konkaven, die an der Oberseite einer Vielzahl von konvexen Inselabschnitten ausgebildet sind, welche von den Reaktionsgasdurchgängen umgeben sind, die in einer Richtung quer zu der axialen Richtung des Rohres gebildet sind, und die Reaktionsgasdurchgänge, die in der Richtung parallel zu der axialen Richtung des Rohres gebildet sind, und die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen Flächenkontakt miteinander haben.
4 ist eine perspektivische Darstellung, welche die rohrförmigen Zellen und das Kühlrohr zeigt, die in der Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung angeordnet sind. Wie in der 4 gezeigt, sind in der Brennstoffzelle des ersten Ausführungsbeispiels die rohrförmigen Zellen 1, 1, ... und das Kühlrohr 10a angeordnet, um einen Aufbau aufzuweisen, bei dem die Kühlrohre 10a in all den Öffnungen angeordnet sind, die durch jede Einheit gebildet sind, welche aus vier rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 besteht. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, die Diffusion der Reaktionsgase zu sichern und effektiv alle rohrförmigen Zellen 1, 1, ... zu kühlen. Wenn die rohrförmigen Zellen 1, 1, ... in einer Auf- und Abrichtung der Zeichnung, genauso wie oben, gestapelt sind, können die rohrförmigen Zellen und die Kühlrohre so angeordnet sein, dass sie einen Aufbau aufweisen, in dem die Kühlrohre 10a in all den Öffnungen angeordnet sind, die durch jede Einheit gebildet sind, welche aus vier rohrförmigen Zellen 1, 1, 1, 1 bestehen.
In der obigen Beschreibung ist ein Kühlrohr 10a beschrieben, welches deart aufgebaut ist, dass indem Reaktionsgasdurchgänge 12, 12, ... in einer Richtung parallel zur axialen Richtung der Endflächen ausgebildet werden, welche den Öffnungen 15a, 15a, 15b, 15b gegenüberliegen. Die Bereiche, in denen die Reaktionsgasdurchgänge 12, 12, ... ausgebildet sind, sind nicht auf die oben genannten Bereiche begrenzt; diese können an Flächen ausgebildet sein, die den äußeren Umfangsflächen der rohrförmigen Zellen 1, 1, ... gegenüberliegen. In der obigen Beschreibung ist der Aufbau gezeigt, in dem die Kühlrohre in all den Öffnungen angeordnet sind, die durch die rohrförmigen Zellen gebildet sind, wobei die Brennstoffzelle gemäß der Erfindung zusätzlich nicht auf den Aufbau beschränkt ist, sondern aufgebaut werden kann, indem die Kühlrohre in einem besonderen Teil der Öffnungen angeordnet werden.
Die 5 ist eine perspektivische Darstellung, welche die rohrförmigen Zellen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und das in der Brennstoffzelle anzuordnende Kühlrohr zeigt. Die 6 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Aufbau des Kühlrohrs des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. In den 5 und 6 erhalten Elemente, die den gleichen Aufbau wie die der Brennstoffzelle der in der 2 gezeigten Erfindung haben, die gleichen Bezugsziffern, wie die in der 2, und deren Beschreibung wird weggelassen.
Hiernach wird die Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben, Das in den Zeichnungen gezeigte Kühlrohr wird beispielsweise ausgebildet, indem die Oberfläche des elektrisch leitenden Materials (zum Beispiel Kupfer und Ähnliches) mit einem Edelmetall (zum Beispiel Au-Beschichtung) beschichtet wird.
Wie in 5 gezeigt, hat das Kühlrohr 10b, welches in die Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung eingesetzt wird, einen wellenartigen Aufbau, so dass eine Vielzahl der in der 3 gezeigten Kühlrohre 10a einteilig in der Richtung der Zeichnung von rechts nach links miteinander verbunden sind, wobei Reaktionsgasdurchgänge an der Oberfläche ausgebildet sind. Dann werden innerhalb der Vielzahl von Löchern 13, 13, ... elektrisch isolierende rohrförmige Elemente (zum Beispiel Rohre aus Silikongummi und Ähnliches) ausgebildet, und ein Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, läuft innerhalb der Elemente. Selbst wenn das Kühlrohr 10b der Erfindung solch einen Aufbau hat, ist es entsprechend möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche die Kühleffizienz der rohrförmigen Zellen 1, 1, ... verbessert, da das Kühlrohr 10b und die Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffelementen 1, 1, ... Flächenkontakt miteinander haben.
Da die Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... kontinuierlich in einer Richtung parallel zu der axialen Richtung in der Außenfläche des Kühlrohrs 10b des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet sind, ist es auch wie in der 6 gezeigt gemäß der Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels möglich, Reaktionsgase in hoher Fließgeschwindigkeit in der Richtung, die die axiale Richtung kreuzt, auszubreiten und den Druckverlust der Reaktionsgase zu vermindern. Wenn die Reaktionsgase in einer hohen Fließgeschwindigkeit ausgeschüttet werden, kann Tropfwasser, welches sich möglicherweise in den Reaktionsgasdurchgängen befindet, einfach durch das Reaktionsgas entfernt werden; dadurch kann das Auftreten von Flutungen effektiv verhindert werden.
Ferner ist genauso wie das Kühlrohr 10a des ersten Ausführungsbeispiels, das Kühlrohr 10b des zweiten Ausführungsbeispiels aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet; das Kühlrohr 10b hat Flächenkontakt mit einer Vielzahl rohrförmiger Zellen 1, 1, ... Dadurch kann die Stromabnahme in der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen 1, 1, ... durch das Kühlrohr 10b erfolgen. Dadurch kann die Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels auch den Aufbau der Brennstoffzelle einfach machen und die Stromabnahmeeffizienz verbessern.
In der Beschreibung der oben genannten Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels ist das Kühlrohr 10b beschrieben, welches nur die Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... aufweist, die in einer Richtung ausgebildet sind, welche die axiale Richtung kreuzt, wobei der Aufbau des Kühlrohrs der Erfindung nicht darauf beschränkt ist, die Reaktionsgasdurchgänge können in einer Richtung parallel zu der axialen Richtung ausgebildet sein. Wenn die Reaktionsgasdurchgänge in der Richtung parallel zur axialen Richtung in der Außenfläche des einteilig ausgebildeten Kühlrohrs 10b des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet sind, ist jedoch der Fluß des Reaktionsgases an den Kreuzungspunkte der Reaktionsgasdurchgänge gestört und andere Reaktionsgasdurchgänge sind in einer Richtung ausgebildet, die die axiale Richtung des Wärmetauschers kreuzen. Dadurch wird der Druckverlust vergrößert und die Fließgeschwindigkeit der Reaktionsgase kann verringert werden. Im Hinblick auf den Wunsch nach einer hohen Fließgeschwindigkeit und einem Druckverlustreduktionseffekt der Reaktionsgase hat die Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels daher vorzugsweise einen Aufbau, der aus einem Kühlrohr 10b besteht, wobei die Reaktionsgasdurchgänge 11, 11, ... nur in der Richtung quer zur axialen Richtung ausgebildet sind.
In der Beschreibung der Brennstoffzelle des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sind Aufbauten, in welchen elektrisch isolierende rohrförmige Elemente zu den Löchern 13, 13, ... des Kühlrohrs 10a, 10b beschrieben sind, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Aufbauten beschränkt. Wenn beispielsweise ein elektrisch isolierendes Element in jedem der Löcher 13, 13, ... angeordnet ist, kann nur ein Teil der Oberfläche der Löcher 13, 13, ... mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sein. Wenn das elektrisch isolierende Material in den Löchern 13, 13, ... vorgesehen ist, können die elektrischen Leiteigenschaften und die thermische Leiteigenschaft des Kühlrohrs 10a, 10b gesenkt werden. Wenn elektrisch isolierendes Material nicht vorgesehen ist, kann möglicherweise Stromverlust auftreten. Daher ist es zu bevorzugen, festzulegen, die elektrisch isolierenden Elemente in den Löchern 13, 13, ... anzuordnen oder nicht anzuordnen, abhängig von einer umfangreichen Abschätzung dieser Eigenschaften. Nebenbei bemerkt, wenn wie oben beschrieben, das elektrisch isolierende Material in den Löchern 13, 13, ... vorgesehen ist, besteht die Gefahr, die thermische Leitfähigkeit der Kühlrohre 10a, 10b zu vermindern. Wenn die Löcher 13, 13, ... mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet werden, ist es vorzuziehen, ein Material auszuwählen, welches elektrische Isolierung und vorzugsweise thermische Leitfähigkeit hat (beispielsweise ein Rohr oder Ähnliches, welches durch hochtemperaturleitfähigen Silikongummi gebildet ist). Andererseits, wenn die Sicherung der elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften und der thermischen Leitfähigkeit des Kühlrohrs als wichtiger betrachtet werden, ist es möglich, einen Aufbau zu haben, in dem das elektrisch isolierende Material nicht in den Löchern 13, 13, ... des Kühlrohrs vorgesehen ist.
In der obigen Beschreibung ist ein Kühlrohr beschrieben, dessen Oberfläche ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, welches mit einem Edelmetall beschichtet ist; das Kühlrohr der Erfindung ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Solange das Kühlrohr eine gewisse Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit zu dem Arbeitsumfeld der Brennstoffzelle aufweist, kann das Material geeignet ausgewählt werden. Beispiele für das Material, welches die bevorzugte Korrosionsbeständigkeit hat, sind Gold, Platin, Titan, Edelstahl und Ähnliches. Wenn die Korrosionsbeständigkeit bei Titan oder Edelstahl unzureichend ist, ist die Oberfläche des Kühlrohrs, welches durch die oben genannten Materialien gebildet ist, vorzugsweise durch Materialien beschichtet (plated), um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern (zum Beispiel Gold, Platin usw.).
Wenn das Kühlrohr ausgelegt ist, um eine Funktion als Stromabnehmer zusammen mit den oben genannten Funktionen zu haben, besteht das Kühlrohr vorzugsweise aus einem zu bevorzugenden elektrisch leitenden Material. Beispiele des zu bevorzugenden elektrisch leitenden Materials sind Gold, Platin, Kupfer und Ähnliches. Da Kupfer bei den Betriebsumgebungen der Brennstoffzelle nicht korrosionsbeständig ist, ist es für den Fall, dass das Kühlrohr aus Kupfer gebildet ist, schwierig, es wie es ist als Kühlrohr der Erfindung wie es ist einzusetzen. Daher muß in einem solchen Fall die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden, beispielsweise durch Beschichtung (plating) der Oberfläche des Kühlrohrs aus Kupfer mit einem Material (zum Beispiel Edelmetalle wie Gold, Platin, usw.), welches bevorzugte Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit hat. Ein spezifisches Beispiel der Verfahren zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften des Kühlrohrs, welches aus den obigen Materialien gebildet ist, das bevorzugte Korrosionsbeständigkeiten aufweist, kann zusätzlich zu dem oben beschriebenen Beschichtungsverfahren ein Verfahren zur Anordnung von Materialien, die die bevorzugten elektrischen Leiteigenschaften aufweisen, in Dickwandabschnitten des Kühlrohrs (zum Beispiel indem das Zentrum als Vielschichtstruktur mit dem gleichen Material des Kühlrohrs ausgebildet wird, um Leitungsgestänge aufzufüllen, die aus dem gleichen Material bestehen).
Das Verfahren zur Herstellung des Kühlrohrs 10a der oben genannten ersten und zweiten Ausführungsbeispiele ist nicht besonders beschränkt; beispielsweise kann das Kühlrohr 10a hergestellt werden, indem ein Material im geschmolzenen Stadium in ein Gußwerkzeug gegossen wird, welches geeignet ist, den spezifischen Aufbau des Kühlrohrs 10a auszubilden. Jedoch ist es durch dieses Verfahren ersichtlich schwierig, die Reaktionsgasdurchgänge mit einem hohen Präzisionsgrad zu bilden. Daher wird ein anderes Herstellungsverfahren des Kühlrohrs der vorliegenden Erfindung im folgenden beschrieben.
Die 7(A) bis 7(E) sind schematische Darstellungen, die Elemente zeigen, die das Kühlrohr der Erfindung bilden. 7(A) ist eine Vorderansicht eines Elementes, das das Kühlrohr 10a des ersten Ausführungsbeispiels bildet. 7(B) ist eine Seitenansicht des in der 7(A) gezeigten Elementes von den Pfeilen VIIB, VIIB gesehen, 7(C) ist eine perspektivische Darstellung eines Rohrelements mit einem Loch, um die ersten und zweiten Ausführungsbeispiele zu bilden. 7(D) ist eine Vorderansicht eines Elementes, um das Kühlrohr 10b des zweiten Ausführungsbeispiels zu bilden. 7(E) ist eine Seitendarstellung des in der 7(D) gezeigten Elements, von den Pfeilen VIIE, VIIE gesehen.
Indem eine Vielzahl von in den 7(A) und 7(B) gezeigten Plattenelementen 21a, 21a, ... in regelmäßigen Abständen in einer Richtung auf die Außenfläche des in 7(C) gezeigten Rohrelementes fixiert wird, ist es möglich, das Kühlrohr 10a des ersten Ausführungsbeispiels herzustellen. Wenn die Rohrelemente 20 und die Plattenelemente 21a, 21a, ... beide aus Metall hergestellt werden, kann ein spezifisches Beispiel des oben genannten Befestigungsverfahrens Schweißen sein.
Durch Anordnung einer Vielzahl der in den 7(D) und 7(E) gezeigten Plattenelemente 21b, 21b, ... in regelmäßigen Abständen in einer Richtung und anschließende Befestigung des in der 7(C) gezeigten Rohrelementes 20 in den Öffnungen, die in jedem Plattenelement 21b geöffnet sind, ist es möglich, das Kühlrohr 10b des zweiten Ausführungsbeispiels herzustellen. Wenn dass Rohrelement 20 und die Plattenelemente 21b, 21b, ... beide aus Metall hergestellt sind, kann ein spezifisches Beispiel des oben genannten Befestigungsverfahrens Schweißen sein.
In der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist ein Beispiel einer Brennstoffzelle beschrieben, in der rohrförmige Zellen 1, 1, ... in der Form eines Gitters angeordnet sind und ein Kühlrohr in den Öffnungen angeordnet ist, die durch diese rohrförmigen Zellen 1, 1, ... gebildet sind. In der Erfindung ist die Anordnung der rohrförmigen Zellen nicht auf die oben genannten Aufbauten beschränkt, sie können auch wabenförmig angeordnet sein. Wenn die rohrförmigen Zellen wabenförmig angeordnet sind, ist die Anordnung der durch die rohrförmigen Zellen gebildeten Öffnungen von der in den Zeichnungen gezeigten abweichend. In solch einem Fall können Kühlrohre, die in einer Form gebildet sind, die geeignet ist, in die modifizierten Öffnungen eingesetzt zu werden, vorgesehen sein, um eine Brennstoffzelle herzustellen. Wenn die rohrförmigen Zellen in einer Wabenform angeordnet sind, steigt jedoch der Druckverlust der Reaktionsgase, die Fließgeschwindigkeit der Reaktionsgase vermindert sich und der Flutungsverhinderungseffekt vermindert sich, ferner werden die oben genannten individuellen Öffnungen kleiner, der Raum für den Durchtritt des Kühlmediums, welches durch die Kühlrohre läuft, wird kleiner; es besteht die Gefahr, den Kühleffizienzverbesserungseffekt zu vermindern. Um solche Effekte zu verhindern, ist im Hinblick auf die Verminderung des Druckverlustes des Reaktionsgases, den Erhalt des zufriedenstellenden Flutungsvermeidungseffekts und der einfachen Verbesserung des Kühleffektes eine Brennstoffzelle mit rohrförmigen Brennstoffelementen, die in der Form eines Gitters angeordnet sind, zu bevorzugen. Das Kühlmedium, welches durch die Kühlrohre der Erfindung läuft, ist nicht auf Wasser beschränkt: Es können auch andere Kühlmedia wie beispielsweise Ethylenglykol eingesetzt werden.
Von dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Kühleffizienz der rohrförmigen Zellen ist es in der Erfindung bevorzugt, den Kontaktbereich (hiernach manchmal als „Kontaktbereich A” bezeichnet) zwischen der Außenfläche des Kühlrohrs und der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen zu vergrößern. Von dem Gesichtspunkt einer einfachen Diffusion des Reaktionsgases zu der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zelle ist es andererseits zu bevorzugen, den KontaktbereichKontaktbereich A zwischen der Außenfläche des Kühlrohrs und der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen zu vermindern und den Nicht-Kontaktbereich (ein Bereich der äußeren Umfangsfläche des Kühlrohrs, welcher den äußeren Umfangsbereich der rohrförmigen Zellen nicht berührt; hiernach manchmal als „Nicht-Kontaktbereich B” bezeichnet) zu vergrößern. Dennoch ist es nicht möglich, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wie beispielsweise die Verbesserung der Kühleffizienz der rohrförmigen Brennstoffelemente, wenn der Nicht-Kontaktbereich B zu sehr vergrößert wird. Entsprechend wird in der vorliegenden Erfindung dass Verhältnis des Kontaktbereichs A und des Nicht-Kontaktbereichs B auf ein Verhältnis eingestellt, das geeignet ist, die elektrische Energieerzeugungseffizienz der gesamten Brennstoffzellen zu verbessern. Im Hinblick auf die Verbesserung der Kühleffizienz der rohrförmigen Zellen ist der Kontaktbereich A vorzugsweise auf 2% oder mehr des Gesamtbereichs der Außenfläche des Kühlrohrs (A + B) eingestellt. Auch im Hinblick der Sicherung der Diffusionseffizienz des Gases ist der Kontaktbereich A vorzugsweise auf 50% oder weniger des Gesamtbereichs der Außenfläche des Kühlrohrs (A + B) eingestellt. Folglich ist es in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise 0,02 ≤ A/(A + B) ≤ 0,5, noch bevorzugter 0,2 ≤ A/(A + B) ≤ 0,4.
Ferner ist in der obigen Beschreibung (1(A), 1(B), 2–6, 7(A)–7(E) und deren Beschreibung) der Erfindung die Konkave des Wärmetauschers in der Form einer gekrümmten Oberfläche mit einem Krümmungsradius gezeigt, der im wesentlichen gleich der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen ist; jedoch ist der Wärmetauscher gemäß der Erfindung nicht auf den Aufbau beschränkt. In den 8(A) und 8(B) sind andere mögliche Aufbauten gezeigt, die die Konkave des Wärmetauschers haben kann. Die 8(A) und 8(B) sind vergrößerte Schnittdarstellungen, die eine der Konkaven zeigt, die an dem Wärmetauscher angeordnet sind, und eine der rohrförmigen Zellen, wobei die Querschnittsdarstellung der Konkaven erhalten wird, indem in einer Ebene geschnitten wird, die eine Richtung normal zu der axialen Richtung des Wärmetauschers beinhaltet. 8(A) zeigt einen schematischen Aufbau der Konkave 16 mit einer gekrümmten Oberfläche; die 8(B) zeigt einen schematischen Aufbau einer Konkave 17 mit einer polygonalen Linie. In den 8(A) und 8(B) sind Elemente, die den gleichen Aufbau der in der 1 gezeigten Brennstoffzelle haben, die gleiche Bezugsziffern wie die in den 1 genutzten und die Beschreibung zu jedem Element ist weggelassen. Wenn ein Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche der in der 8(A) gezeigten rohrförmigen Zelle als R1 definiert ist und der Krümmungsradius der Konkave 16 als R2 definiert ist, kann die Konkave 16 des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung als R2 ≤ R1 ausgedrückt werden. Wie in der 8(A) gezeigt, kann die Konkave 16 und die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zelle 1 in Linienkontakt über mindestens zwei Linien miteinander sein; und wenn R2 = R1, können die Konkaven 16 und die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zelle 1 in Flächenkontakt miteinander sein. Wie in der Querschnittsdarstellung in der 8(B) zu sehen, kann andererseits, selbst wenn die Querschnittsform der Konkave 17 eine polygonale Linie ist, die Konkave 17 und die äußere Umfangsfläche der rohrförmigen Zelle 1 über mindestens zwei oder mehr Linien in Linienkontakt miteinander sein. Daher ist es, selbst wenn die Brennstoffzelle einen Aufbau hat, in welchem der Wärmetauscher eine Konkave 17 hat, deren Querschnittsansicht in der 8(B) gezeigt ist, möglich, die Wärmetauscheffizienz der rohrförmigen Zellen signifikant zu verbessern.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben zu sehen ist die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung beispielsweise als Energiequelle einer Autobatterie oder als tragbare Energiezuführung geeignet.

Claims

Brennstoffzelle mit: einer Vielzahl parallel angeordneter rohrförmigen Zellen (1); und Wärmetauscher (10), die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind, wobei die Wärmetauscher (10) eine Mehrzahl von Plattenelementen (21) aufweisen, die konkave Seitenflächen (16) haben, und wobei zumindest ein Teil der äußeren Umfangsfläche jeder rohrförmigen Zelle (1) und eine Außenfläche jeder konkaven Seitenfläche (16) der Plattenelemente (21) der Wärmetauscher (10) miteinander in Flächenkontakt stehen.
Brennstoffzelle mit: einer Vielzahl parallel angeordneter rohrförmigen Zellen (1); und Wärmetauschern (10), die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind, wobei die Wärmetauscher (10) eine Mehrzahl von Plattenelementen (21) aufweisen, die zurückgesetzte Seitenflächen (17) haben, wobei ein Querschnitt der zurückgesetzten Seitenfläche (17), der erhalten wird, indem in einer Ebene geschnitten wird, die eine Richtung normal zu einer axialen Richtung des Wärmetauschers (10) beinhaltet, eine polygonale Linie ist, und wobei jede zurückgesetzte Seitenfläche (17) der Plattenelemente (21) und eine äußere Umfangsfläche einer jeden rohrförmigen Zelle (1) über mindestens zwei Linien in Linienkontakt miteinander sind.
Brennstoffzelle mit: einer Vielzahl parallel angeordneter rohrförmigen Zellen (1); und Wärmetauschern (10), die an der Außenseite der rohrförmigen Zellen angeordnet sind, wobei die Wärmetauscher (10) eine Mehrzahl von Plattenelementen (21) aufweisen, die zurückgesetzte Seitenflächen (17) haben, wobei zumindest ein Teil der äußeren Umfangsfläche jeder rohrförmigen Zelle (1) und eine Außenfläche jeder konkaven Seitenfläche (16) der Plattenelemente (21) der Wärmetauscher (10) miteinander in direktem Kontakt stehen, und wobei, wenn ein Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen als R1 definiert ist und ein Krümmungsradius der Konkave zur Aufnahme der rohrförmigen Zellen als R2 definiert ist, ein Verhältnis von R1 ≤ R2 gegeben ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Kontaktbereich zwischen der äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Zellen und der Außenfläche des Wärmetauschers 2% bis 50% des Außenflächenbereichs des Wärmetauschers ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Reaktionsgasdurchgänge an der Außenfläche des Wärmetauschers gebildet sind, um Flächenkontakt mit den rohrförmigen Zellen zu haben.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die Reaktionsgasdurchgänge in eine Richtung ausgebildet sind, die eine axiale Richtung der rohrförmigen Zelle kreuzen.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wärmetauscher in einer Öffnung angeordnet ist, die durch eine Vielzahl der parallel angeordneten rohrförmigen Zellen gebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Vielzahl von Wärmemediumdurchgängen innerhalb des Wärmetauschers enthalten ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Außenfläche des Wärmetauschers und die äußere Umfangsfläche von vier oder mehr der rohrförmigen Zellen derart angeordnet sind, dass sie einander berühren.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Wärmetauscher elektrische Leiteigenschaften aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei der Wärmetauscher durch ein elektrisch leitfähiges Material gebildet ist, dessen Außenfläche mit einem Edelmetall beschichtet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Kühlmedium innerhalb des Wärmetauschers verläuft, und mindestens ein Teil der Innenfläche des Wärmetauschers, der das Kühlmedium berührt, aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei das elektrisch isolierende Material ein Silikongummi ist.