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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenbatteriesystem und insbesondere
ein Brennstoffzellenbatteriesystem, das eine Brennstoffzellenbatterie
betreibt, während ein Kanal eines Brennstoffabgases geschlossen
ist.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Eine
Brennstoffzellenbatterie hat einen Brennstoffzellenstapel, in dem
eine Vielzahl von Zellen gestapelt ist. Jede Zelle ist durch beispielsweise Stapeln
einer Membranelektrodenbaugruppe (MEA) und Separatoren gebildet.
Die Membranelektrodenbaugruppe hat eine Elektrolytmembran, die aus
einem Ionenaustauschharz gemacht ist, eine Anode, die an einer der
zwei Flächen der Elektrolytmembran vorgesehen ist, und
eine Kathode, die an der anderen Fläche der Elektrolytmembran
vorgesehen ist. Darüber hinaus hat jede von der Anode und
der Kathode eine Katalysatorschicht, die in Kontakt mit der Elektrolytmembran
angeordnet ist. Wenn jede Elektrode mit einem Reaktantgas versorgt
wird, treten elektrochemische Reaktionen zwischen den Elektroden
auf und erzeugen eine elektromotorische Kraft. Im Speziellen treten
die Reaktionen auf, wenn Wasserstoff (Brennstoffgas) die Anode berührt
und Sauerstoff (Oxidationsmittelgas) die Kathode berührt.
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Im
Allgemeinen wird die Kathode mit Luft versorgt, die durch einen
Kompressor von der Außenseite eingebracht wird. Andererseits
wird die Anode mit Wasserstoff versorgt, der in einem Hochdruckwasserstofftank
gespeichert ist. Ein Verfahren des Zuführens von Wasserstoff
zu der Anode ist ein totes Ende-Verfahren (siehe beispielsweise
die veröffentlichte japanische Übersetzung der
PCT-Anmeldung Nummer
2004-536436 (
JP-A-2004-536436 )). In
diesem Verfahren wird das System betrieben, während ein
Wasserstoffkanal geschlossen ist, so dass die Anode mit einer Menge
von Wasserstoff versorgt wird, die zu der Menge von verbrauchtem
Sauerstoff korrespondiert.
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In
dem Fall des Brennstoffzellenbatteriesystems der Bauart mit totem
Ende, erhöht sich die Menge an Unreinheiten, die in dem
Kanal des Brennstoffgases verbleiben, wenn die Zeit verstreicht.
Beispielsweise geht Stickstoff, der in der zu der Kathode zugeführten
Luft enthalten ist, durch die Elektrolytmembran hindurch, und wird
in der Anodenseite angehäuft. Da der anodenseitige Druck
eingestellt ist, um gleich zu einem vorbestimmten Wert zu sein,
verringert eine Erhöhung der Stickstoffmenge den Partialdruck
von Wasserstoff relativ, was zu einer verringerten Spannung der
Brennstoffzellenbatterie führt. Deshalb ist in der veröffentlichten
japanischen Übersetzung der PCT-Anmeldung Nummer
2004-536436 (
JP-A-2004-536436 )
ein Entleerventil vorgesehen, das Unreinheiten von dem Wasserstoffkanal
abgibt, und das Entleerventil wird geöffnet, um die Spannung wieder
herzustellen.
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Im
Allgemeinen ist der Brennstoffzellenstapel mit einem Zufuhrverteiler,
der Wasserstoff zu einzelnen Zellen verteilt, und einem Abgabeverteiler versehen,
der Brennstoffabgas von den einzelnen Zellen gesammelt abgibt. Darüber
hinaus haben die Zellen Druckverluste, die aufgrund Abweichungen variieren,
die durch eine Herstellung verursacht sind. In einer Zelle mit einem
hohen Druckverlust wird Wasserstoff weniger leicht in die Zelle
von dem Zufuhrverteiler eingeleitet als in einer Zelle mit einem niedrigen
Druckverlust. Andererseits ist es wahrscheinlich, dass das Brennstoffabgas,
das von den Zellen zu dem Abgabeverteiler abgegeben wird, in die
Zellen gesaugt wird, deren Druckverlust hoch ist. Daher ist es wahrscheinlich,
dass sich Unreinheiten in Zellen ablagern, deren Druckverlust hoch
ist, und die Spannung nimmt beginnend bei derartigen Zellen ab.
Dies führt zu dem Problem, dass der Betrag einer Erzeugung
einer elektrischen Leistung unter den Zellen variiert.
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In
dem Brennstoffzellenbatteriesystem, das in der veröffentlichten
japanischen Übersetzung der PCT-Anmeldung Nummer
2004-536436 (
JP-A-2004-536436 )
beschrieben ist, wird die Spannung der Zellen gemessen, die an einem
gasauslassseitigem Anschlussende des Brennstoffzellenstapels angeordnet
sind. Durch Vergleichen des auf diese Weise gemessenen Werts mit
einem Schwellenwert wird die Zeitabstimmung des Öffnens
des Entleerventils bestimmt. Jedoch schenkt die veröffentlichte japanische Übersetzung
der PCT-Anmeldung Nummer
2004-536436 (
JP-A-2004-536436 )
den Unterschieden der Unreinheitenablagerungsmenge, die von einer
Abweichung von Druckverlusten der Zellen resultieren, keine Aufmerksamkeit,
und kann deshalb nicht die Schwankungen des Betrags einer Erzeugung
von elektrischer Leistung unter den Zellen beseitigen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schwankung des
Leistungserzeugungsbetrags unter den Zellen in einem Brennstoffzellenbatteriesystem
zu beschränken, das ein totes Ende-Verfahren verwendet.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellenbatteriesystem,
das eine Brennstoffzellenbatterie hat, die eine Vielzahl von Zellen,
die gestapelt und in Reihe geschaltet sind, einen Zufuhrverteiler,
der ein Brennstoffgas zu jeder der Zellen verteilt, und einen Abgabeverteiler
hat, in den ein Brennstoffabgas von jeder der Zellen abgegeben wird,
und das die Brennstoffzellenbatterie in einem Zustand betreibt,
in dem das Brennstoffabgas innerhalb der Brennstoffzellenbatterie
im Wesentlichen stagniert, wobei das Brennstoffzellenbatteriesystem
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vielzahl von Zellen eine erste
Zelle und wenigstens eine zweite Zelle hat, deren Gaskanalwiderstand
kleiner als der Gaskanalwiderstand der ersten Zelle ist, und dass
r < nR ist, wobei
r der Gaskanalwiderstand einer Zelle ist, deren Gaskanalwiderstand
der größte unter der wenigstens einen zweiten
Zelle ist, und R ein Wert ist, der durch Kombinieren der Gaskanalwiderstände
der ersten Zelle und der wenigstens einen zweiten Zelle erhalten
wird, und n die Gesamtanzahl der Vielzahl von Zelle ist (n ist eine
Ganzzahl von 2 oder größer).
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellenbatteriesystem,
das eine Brennstoffzellenbatterie hat, die eine Vielzahl von Zellen,
die gestapelt und in Reihe geschaltet sind, einen Zufuhrverteiler,
der ein Brennstoffgas zu jeder der Zellen verteilt, und einen Abgabeverteiler
hat, in den ein Brennstoffabgas von jeder der Zellen abgegeben wird,
und das die Brennstoffzellenbatterie in einem Zustand betreibt,
in dem ein Kanal des Brennstoffabgases geschlossen ist, wobei das
Brennstoffzellenbatteriesystem dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Vielzahl von Zellen eine erste Zelle und wenigstens eine zweite
Zelle hat, deren Gaskanalwiderstand kleiner als der Gaskanalwiderstand
der ersten Zelle ist, und dass r < nR
gilt, wobei r der Gaskanalwiderstand einer Zelle ist, deren Gaskanalwiderstand
der größte unter der wenigstens einen zweiten
Zelle ist, R ein Wert ist, der durch Kombinieren der Gaskanalwiderstände
der ersten Zelle und der wenigstens einen zweiten Zelle erhalten
wird, und n die Gesamtzahl der Vielzahl von Zellen ist (n ist eine
Ganzzahl von 2 oder größer).
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellenbatteriesystem,
das eine Brennstoffzellenbatterie hat, die eine Vielzahl von Zellen
hat, die gestapelt und in Reihe geschaltet sind, einen Zufuhrverteiler,
der ein Brennstoffgas zu jeder der Zellen verteil, und einen Abgabeverteiler
hat, in den ein Brennstoffabgas von jeder der Zellen abgegeben wird,
und das die Brennstoffzellenbatterie in einem Zustand betreibt,
in dem ein Kanal des Brennstoffabgases geschlossen ist, wobei das
Brennstoffzellenbatteriesystem dadurch gekennzeichnet ist, dass
jede der Zellen mit einem Zellenkanal versehen ist, der zwischen dem
Zufuhrverteiler und dem Abgabeverteiler angeordnet ist, und die
Vielzahl von Zellen eine erste Zelle, die einen Verbindungsabschnitt
hat, der den Zufuhrverteiler und den Zellenkanal verbindet und dessen
Volumen V1 ist, und wenigstens eine zweite
Zelle hat, die einen Verbindungsabschnitt hat, der den Zufuhrverteiler
und den Zellenkanal verbindet und dessen Volumen V2 ist
(V1 < V2), und dass das Volumen V1 so
bestimmt ist, dass eine Beziehung r < nR gilt, wobei r der Gaskanalwiderstand
einer Zelle ist, deren Gaskanalwiderstand unter der wenigstens einen zweiten
Zelle am größten ist, und R ein Wert ist, der durch
Kombinieren der Gaskanalwiderstände der ersten Zelle und
der wenigstens einen zweiten Zelle erhalten wird, und n die Gesamtzahl
der Vielzahl von Zellen ist (n ist eine Ganzzahl von 2 oder größer).
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Ein
vierter Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellenbatteriesystem,
das eine Brennstoffzellenbatterie hat, die eine Vielzahl von Zellen
hat, die gestapelt sind und in Reihe geschaltet sind, einen Zufuhrverteiler,
der ein Brennstoffgas zu jeder der Zellen verteilt, und einen Abgabeverteiler
hat, in den ein Brennstoffabgas von jeder der Zellen abgegeben wird,
und das die Brennstoffzellenbatterie in einem Zustand betreibt,
in dem das Brennstoffabgas innerhalb der Brennstoffzellenbatterie
im Wesentlichen stagniert, wobei das Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Vielzahl von Zellen eine erste Zelle und wenigstens
eine zweite Zelle hat, deren Gaskanalwiderstand kleiner als der
Gaskanalwiderstand der ersten Zelle ist; und dass eine Katalysatorschicht
einer Kathode einer Zelle, deren Gaskanalwiderstand am größten
unter der Vielzahl von Zellen ist, sich von den Katalysatorschichten
der Zellen unterscheidet, die anders als die Zelle sind, deren Gaskanalwiderstand
der größte ist.
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In
dem ersten bis vierten Aspekt der Erfindung ist es zulässig,
dass in der ersten Zelle eine Katalysatorschicht einer Kathode an
einem Metall gestützt sein kann. In diesem Fall kann die
Katalysatorschicht eine schwarze Platinschicht, eine Platinschicht
mit feinen Partikeln oder eine Platinlegierungsschicht mit feinen
Partikeln sein.
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In
dem ersten bis vierten Aspekt der Erfindung kann eine Entleereinrichtung
zum Entleeren des Brennstoffabgases mit der ersten Zelle verbunden
sein. Insbesondere in dem dritten Aspekt kann die Entleereinrichtung
mit dem Zellenkanal der ersten Zelle verbunden sein. Darüber
hinaus kann das Brennstoffzellenbatteriesystem des Weiteren eine Einrichtung
zum Schätzen oder Messen einer Menge einer Komponente haben,
die anders als das Brennstoffgas ist, das in dem Brennstoffabgas
innerhalb der ersten Zelle enthalten ist, und ein Arbeiten der Entleereinrichtung
kann bewirkt werden, wenn die Menge der Komponente gleich wie oder
größer als ein vorbestimmter Wert wird.
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Gemäß dem
ersten und zweiten Aspekt der Erfindung haben die Zellen, die die
Brennstoffzellenbatterie bilden, die erste Zelle und die eine oder
mehrere zweite Zellen, deren Gaskanalwiderstand kleiner als der
der ersten Zelle ist, und die Beziehung r < nR gilt, wobei r der Gaskanalwiderstand
der Zelle ist, deren Gaskanalwiderstand der größte
unter den zweiten Zellen ist, und R ein Wert ist, der durch Kombinieren
der Gaskanalwiderstände der ersten Zellen und der zweiten
Zellen erhalten wird, und n die Gesamtzahl der Vielzahl von Zellen
ist (n ist eine Ganzzahl von 2 oder größer). Deshalb
kann aktiv bewirkt werden, dass das Brennstoffabgas in die erste
Zelle strömt, so dass Unreinheiten in der ersten Zelle
konzentriert werden können. Da dies eine Anhäufung von
Unreinheiten in den zweiten Zellen verhindert, wird es möglich,
Schwankungen des Betrags einer Erzeugung von elektrischer Leistung
unter den Zellen zu beschränken.
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Gemäß dem
dritten Aspekt der Erfindung haben die Zellen, die die Brennstoffzellenbatterie
bilden, die erste Zelle, die einen Verbindungsabschnitt hat, der
den Zufuhrverteiler und den Zellenkanal verbindet und dessen Volumen
V1 ist, und die eine oder mehrere zweite
Zelle(n), die einen Verbindungsabschnitt hat/haben, der den Zufuhrverteiler
und den Zellenkanal verbindet und dessen Volumen V2 ist
(V1 < V2), und das Volumen V1 ist
so bestimmt, dass die Beziehung r < nR
gilt, wobei r der Gaskanalwiderstand der Zelle ist, deren Gaskanalwiderstand
der größte unter den zweiten Zellen ist, und R
ein Wert ist, der durch Kombinieren der Gaskanalwiderstände der
ersten Zelle und der zweiten Zellen erhalten wird, und n die Gesamtzahl
der Vielzahl von Zellen ist (n ist eine Ganzzahl von 2 oder größer).
Deshalb kann aktiv bewirkt werden, dass das Brennstoffabgas in die erste
Zelle strömt, so dass Unreinheiten in der ersten Zelle
konzentriert werden können. Da dies eine Anhäufung
von Unreinheiten in den zweiten Zellen verhindert, wird es möglich,
Schwankungen des Betrags einer Erzeugung von elektrischer Leistung
unter den Zellen zu beschränken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Das
Vorstehende und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
offensichtlich von der folgenden Beschreibung von beispielhaften
Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen,
wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente
darzustellen, und wobei:
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1 ein
Aufbaudiagramm eines Brennstoffzellenbatteriesystems gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist;
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2 ein
schematisches Diagramm ist, das die Strömung eines Gases
in einer Brennstoffzellenbatterie darstellt, die in 1 gezeigt
ist;
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3A eine
schematische Schnittansicht entlang einer Linie 3A-3A' von 2 ist,
und 3B eine schematische Schnittansicht entlang einer
Linie 3B-3B' von 2 ist;
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4 ein
Beispiel von zeitabhängigen Änderungen der Zellenspannung
in dieser Ausführungsform zeigt;
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5A und 5B weitere
Bespiele der Strömung eines Gases in der Brennstoffzellenbatterie
in dieser Ausführungsform zeigen; und
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6 ein
Diagramm ist, das ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Betrag
einer Gasströmung und dem Druckverlust in dieser Ausführungsform zeigt.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG VON
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
Brennstoffzellenbatteriesystem gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 6 beschrieben.
In 1 bis 3 und 5A und 5B stellen
dieselben Bezugszeichen die gleichen Abschnitte dar.
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1 ist
ein Bespiel eines Aufbaudiagramms des Brennstoffzellenbatteriesystems
gemäß dieser Ausführungsform. Dieses
Brennstoffzellenbatteriesystem ist auf verschiedene Verwendungen
anwendbar, wie auf Verwendungen als ein System, das in einem Fahrzeug
montiert ist, ein System, das in einem Boden montiert ist, etc.
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Wie
in 1 gezeigt ist, hat das Brennstoffzellenbatteriesystem 1 eine
Brennstoffzellenbatterie 2, einen Kompressor 3,
der komprimierte Luft zu der Brennstoffzellenbatterie 2 zuführt,
einen Befeuchter 4, der Feuchtigkeit rückgewinnt,
die in einem Oxidationsmittelabgas enthalten ist, das von der Brennstoffzellenbatterie 2 abgegeben
wird, und der die zu der Brennstoffzellenbatterie 2 zuzuführende
Luft befeuchtet, ein Luftdruckregulierventil 5, das den
Druck der Luft einstellt, die von dem Kompressor 3 zu der Brennstoffzellenbatterie 2 zugeführt
wird, einen Wasserstofftank 6, der trockenen Wasserstoff
in einem Hochdruckzustand speichert, ein Wasserstoffdruckregulierventil 7,
das den Druck von Wasserstoff einstellt, der von dem Wasserstofftank 6 zu
der Brennstoffzellenbatterie 2 zugeführt wird,
und ein Entleerventil 8, das an einem Kanal 10 eines
Brennstoffabgases vorgesehen ist, das von der Brennstoffzellenbatterie 2 abgegeben
wird. Durch Öffnen des Entleerventils 8 kann das
Brennstoffabgas entleert bzw. abgeführt werden.
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In
dem Brennstoffzellenbatteriesystem 1 wird die Zufuhr von
Wasserstoff zu Anoden (nicht gezeigt) durch das tote Ende-Verfahren
durchgeführt. Das heißt, wenn das Entleerventil 8 geschlossen
ist, ist der Kanal 10 des Brennstoffabgases abgesperrt, so
dass die Zufuhr von Wasserstoff nur als die Zufuhr von dem Wasserstofftank 6 ausgeführt
wird. Gemäß diesem tote Ende-Verfahren wird der
Wasserstoff vollständig durch die Reaktionen verbraucht,
die in der Brennstoffzellenbatterie 2 auftreten. Dann wird nur
die selbe Menge von Wasserstoff wie die verbrauchte Menge erneut
zu den Anoden zugeführt.
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Im Übrigen
ist das Brennstoffgas, das zu den Anoden zugeführt wird,
nicht auf Wasserstoff begrenzt. Beispielsweise ist es möglich
als eine Wasserstoffquelle, die zu den Anoden zuzuführen
ist, ein reformiertes Gas zu verwenden, das durch die Reformierungsreaktion
einer kohlenwasserstoffbasierten Verbindung erzeugt wird. Die kohlenwasserstoffbasierte
Verbindung, die in diesem Fall verwendet wird, kann ein natürliches
Gas, das Methan als eine Hauptkomponente enthält, ein Alkohol,
wie Methanol oder dergleichen, Benzin oder dergleichen sein. Dann werden
gemäß der Art der verwendeten kohlenwasserstoffbasierten
Verbindung ein Katalysator und eine Temperatur ausgewählt,
die für die Reformierungsreaktion geeignet sind. Auf diese
Weise wird ein wasserstoffreiches reformiertes Gas erzeugt, das Wasserstoff,
Kohlendioxid und Wasser enthält.
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2 ist
eine schematische Darstellung der Gasströmung in der Brennstoffzellenbatterie 2,
die in 1 gezeigt ist. Pfeile zeigen die Richtungen einer Gasströmung.
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In 2 hat
die Brennstoffzellenbatterie 2 einen Stapelaufbau, in dem
eine Vielzahl von Zellen gestapelt und in Reihe geschaltet sind.
Die Vielzahl von Zellen beinhaltet eine Zelle 15 und einen
Zellenstapel 11. Die Zelle 15 kann als eine erste
Zelle in der Erfindung betrachtet werden und ist eine Zelle in dieser
Ausführungsform. Andererseits ist der Zellenstapel 11 durch
Stapeln einer Vielzahl von Zellen 16 derselben Art gebildet.
Hier sind die Zellen derselben Art Zellen derselben Form und beinhalten
Zellen, die Druckverlustunterschiede haben, die durch die Druckverlustschwankungen
verursacht werden, die von deren Herstellung herrühren.
Darüber hinaus kann jede der Zellen 16 als eine
zweite Zelle in der Erfindung betrachtet werden. Die Gesamtzahl
der Zellen 16 muss lediglich eins oder mehr sein, und ist nicht
durch das Beispiel von 2 begrenzt.
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Der
Wasserstoff, der in die Brennstoffzellenbatterie 2 von
einem Kanal 12 eingetreten ist, wird durch einen Zufuhrverteiler 13 zu
jeder Zelle zugeführt. Nachdem die Wasserstoffmenge verbraucht worden
ist, die zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt
wird, wird das resultierende Gas als ein Brennstoffabgas von den
Zellen in einen Abgabeverteiler 14 abgegeben.
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In
der Ausführungsform wird aktiv bewirkt, dass Brennstoffabgas,
das in den Abgabeverteiler abgegeben wird, in eine bestimmte Zelle
strömt. Das in 2 gezeigte Beispiel ist so aufgebaut,
dass das Brennstoffabgas, das von den Zellen 16 abgegeben wird,
in die Zelle 15 strömt, die an dem brennstoffabgasauslassseitigen
Ende angeordnet ist. Dieser Aufbau kann verhindern, dass Unreinheiten,
wie Stickstoff und dergleichen, die in dem Brennstoffabgas enthalten
sind, in den Zellen 16 angehäuft werden, und kann
bewirken, dass die Unreinheiten in der Zelle 15 angehäuft
werden.
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3A ist
eine schematische Schnittansicht entlang 3A-3A' von 2 und
zeigt eine beliebige der Zellen 16.
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In 3A geht
Wasserstoff, der von dem Zufuhrverteiler 13 eingeleitet
wird, durch einen Verbindungsabschnitt 17 hindurch, dessen
Volumen V2 ist, und wird über einen
Zellenkanal 18 zu einer Anode 19 zugeführt.
Nachdem eine notwendige Wasserstoffmenge an der Anode 19 verbraucht
worden ist, geht Wasserstoff zusammen mit Unreinheiten, wie Stickstoff
und dergleichen, durch einen Verbindungsabschnitt 20 hindurch
und wird in den Abgabeverteiler 14 abgegeben.
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In 3A stellt
Bezugszeichen 21 einen Luftzufuhrverteiler dar und Bezugszeichen 22 stellt einen
Kühlwasserzufuhrverteiler dar, Bezugszeichen 23 stellt
einen Luftabgabeverteiler dar und Bezugszeichen 24 stellt
einen Kühlwasserabgabeverteiler dar. Jedoch sind in dieser
Ausführungsform die Positionen der Verteiler zum Zuführen
oder Abgeben von Wasserstoff, Luft und Kühlwasser nicht
auf diejenigen begrenzt, die in dieser Zeichnung gezeigt sind.
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3B ist
eine schematische Schnittansicht der Zelle 15 entlang Linie
3B-3B von 2. Dieselben Bezugszeichen wie
in 3A stellen die gleichen Abschnitte dar.
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In 3B geht
Wasserstoff, der von dem Zufuhrverteiler 13 eingeleitet
wird, durch einen Verbindungsabschnitt 25 hindurch und
wird über den Zellenkanal 18 zu der Anode 19 zugeführt.
Es sei hier angemerkt, dass der Verbindungsabschnitt 25 ein Volumen
V1 (V1 < V2)
hat, das heißt sein Aufbau hat ein kleineres Volumen, und
genauer gesagt hat sein Aufbau eine kleinere Schnittfläche
als der Aufbau des in 3A gezeigten Verbindungsabschnitts 17.
Deshalb ist die Wasserstoffmenge, die in den Zellenkanal 18 strömt,
in der in 3B gezeigten Zelle 15 kleiner als
in der in 3A gezeigten Zelle 16.
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Nachdem
eine notwendige Wasserstoffmenge an der Anode 19 verbraucht
worden ist, wird das Brennstoffabgas durch den Verbindungsabschnitt 20 in
den Abgabeverteiler 14 abgegeben. Es sei hier angemerkt,
dass in der Zelle 15, da das Volumen des Verbindungsabschnitts 25 relativ
klein ist, der Betrag einer Strömung von Wasserstoff in
den Zellenkanal 18 auch relativ klein ist, so dass die
Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffabgases, das in
den Abgabeverteiler 14 abgegeben wird, in der Zelle 15 langsamer
als die in der Zelle 16 wird. Deshalb strömt das
Brennstoffabgas, das von der Zelle 16 in den Abgabeverteiler 14 abgegeben
wird, durch den Verbindungsabschnitt 20 der Zelle 15 in
den Zellenkanal 18 der Zelle 15. Deshalb wird
es möglich zu verhindern, dass Unreinheiten, wie Stickstoff
und dergleichen, die in dem Brennstoffabgas enthalten sind, in den Zellen 16 angehäuft
werden, und möglich zu bewirken, dass die Unreinheiten
in der Zelle 15 angehäuft werden. Dies wird nachstehend
weiter beschrieben.
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Der
Druckverlust einer Zelle kann durch Messen der Druckdifferenz zwischen
dem Zufuhrverteiler und dem Abgabeverteiler herausgefunden werden.
Dann, da der Druckverlust proportional zur Stromdichte ist, wird
angenommen, dass die Zufuhr von Wasserstoff zu der Anode nicht durch
eine Diffusion bewirkt wird, sondern durch die Ausbildung eines
Strömungsfeldes.
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Die
Druckverluste der Zellen schwanken aufgrund der Abweichungen, die
von der Herstellung herrühren. In Zellen, deren Druckverlust
hoch ist, wird Wasserstoff weniger wahrscheinlich in die Zellen von
dem Zufuhrverteiler eingeleitet als in Zellen, deren Druckverlust
niedrig ist. Andererseits ist es wahrscheinlich, dass Brennstoffabgas,
das in den Abgabeverteiler abgegeben wird, in Zellen gesaugt wird, deren
Druckverlust hoch ist. Deshalb ist es in Brennstoffzellenbatterien
des Stands der Technik wahrscheinlich, dass sich Unreinheiten in
Zellen ablagern, deren Druckverlust hoch ist. In dieser Ausführungsform
ist jedoch eine Zelle, die einen höheren Druckverlust als
andere Zellen hat, absichtlich vorgesehen, und ein Aufbau ist vorgesehen,
der bewirkt, dass das Brennstoffabgas, das von den anderen Zellen
abgegeben wird, in die Zelle strömt, deren Druckverlust hoch
ist.
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In
dem Beispiel von 3B ist der Druckverlust der
Zelle 15 höher gemacht als der Druckverlust der
Zelle 16, in dem das Volumen des Verbindungsabschnitts 25 kleiner
gemacht ist. In der Zelle 15, da die Strömungsmenge
von Wasserstoff von dem Zufuhrverteiler 13 klein ist, wird
auch Gas von dem Abgabeverteiler 14 eingesaugt. Im Speziellen,
da das Brennstoffabgas, das von der Zelle 16 abgegeben wird,
in die Zellen 15 strömt, ist es möglich
zu verhindern, dass Unreinheiten in den Zellen 16 angehäuft werden,
und möglich zu bewirken, dass Unreinheiten in der Zelle 15 angehäuft
werden.
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Der
Druckverlust der Zelle 15 muss höher als der höchste
Wert der Druckverluste der Zellen 16 sein. Das heißt
ein Merkmal dieser Ausführungsform ist das absichtliche
Vorsehen einer Zelle, deren Druckverlust nicht innerhalb des Bereichs
von den Druckverlustschwankungen liegt, die von den mit der Herstellung
zusammenhängenden Ursachen herrühren, sondern
ist ein hoher Druckverlust oberhalb des Bereichs. Deshalb, da Unreinheiten
aktiv in Zellen angehäuft werden können, deren
Druckverlust hoch ist, ermöglicht es diese Ausführungsform,
die Anhäufung von Unreinheiten in Zellen zu verhindern
und die Abnahme der Zellenspannung zu verhindern, selbst falls die
Zellen, wenn sie in Brennstoffzellenbatterien des Stands der Technik
verwendet werden, wahrscheinlich Unreinheiten anhäufen.
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4 zeigt
Ergebnisse einer Messung von zeitabhängigen Änderungen
der Zellenspannung in einer Brennstoffzellenbatterie, die in 5A und 5B gezeigt
ist. Diese Brennstoffzellenbatterie hat im Wesentlichen den gleichen
Aufbau wie die Brennstoffzellenbatterie, die in 2 gezeigt
ist, aber unterscheidet sich von dieser in der Weise der Verbindung
der Leitungen mit der Brennstoffzellenbatterie. Im Übrigen
stellt in 5A und 5B Bezugszeichen 26 ein
Entleerventil zum Abführen des Brennstoffabgases dar.
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Zuerst,
wie in 5A gezeigt ist, wurde das Ventil 27 geöffnet,
um Wasserstoff über sowohl den Zufuhrverteiler 13 als
auch den Abgabeverteiler 14 in die Zellen strömen
zu lassen (Messung a). Dann wurden Abnahmen der Spannung jeder Zelle
gemäß dem Verstreichen der Zeit beobachtet, wie
in 4 gezeigt ist. Als Grund dafür wird erachtet,
dass das Einströmen von Wasserstoff über den Abgabeverteiler 14 verhindert
hat, dass Unreinheiten abgegeben werden, aber bewirkt hat, dass
Unreinheiten in jeder Zelle angehäuft werden. In 4 haben
Zellen (1) bis (4) im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie in 3A gezeigt
ist, und eine Zelle (5) hat im Wesentlichen den gleichen
Aufbau wie in 3B gezeigt ist.
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Als
nächstes wurde, wie in 5B gezeigt ist,
das Ventil 27 geschlossen, um zu bewirken, dass Wasserstoff
nur über den Zufuhrverteiler 13 in die Zellen
strömt (Messung b). Als Folge wurde eine Abnahme der Spannung
in der Zelle (5) beobachtet, deren Verbindungsabschnittsvolumen
klein war aber eine Abnahme der Spannung wurde in den anderen Zellen
(1) bis (4) kaum beobachtet, wie in 4 gezeigt ist.
Dies machte klar, dass Unreinheiten in der Zelle (5) angehäuft
wurden, während die Anhäufung von Unreinheiten
in den anderen Zellen (1) bis (4) beschränkt war.
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Als
nächstes wird das Volumen des Verbindungsabschnitts 25 der
Zelle 15 auf der Basis der Gaskanalwiderstände
der Zelle 15 und der Zellen 16 berücksichtigt.
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In
dieser Ausführungsform ist das Volumen des Verbindungsabschnitts 25 der
Zelle 15 so bestimmt, dass die Beziehung r < nR gilt, wobei
r der Gaskanalwiderstand der Zelle ist, deren Gaskanalwiderstand
der größte unter all den Zellen ausgenommen der
Zelle 15 ist, das heißt unter der wenigstens einen
Zelle 16, die den Brennstoffzellestapel 11 bildet,
und R ist der Wert, der durch Kombinieren der Gaskanalwiderstände
all der Zellen einschließlich der Zelle 15 erhalten
wird, und n ist die Gesamtzahl der Zellen (n ist eine Ganzzahl von
2 oder größer). In dieser Ungleichung ist R =
1/(1/r1 + 1/r2 +
1/r3 + ... + 1/rn).
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6 zeigt
ein Beispiel der Beziehung zwischen der Gasströmungsmenge
und dem Druckverlust in Zellen. In dieser Zeichnung haben Zellen
(6) bis (10) im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie in 3A gezeigt
ist, und eine Zelle (11) hat im Wesentlichen den gleichen Aufbau
wie in 3B gezeigt ist. Darüber
hinaus kann die Neigung der geraden Linie der gestapelten Zelle
durch Multiplizieren eines Werts R, der durch Kombinieren der Gaskanalwiderstände
der Zellen (6) bis (11) erhalten wird, mit der Gesamtzahl von Zellen
n erhalten werden. In diesem Fall, der in 6 gezeigt
ist, ist n = 6. In diesem Fall ist R = 1/(1/r6 +
1/r7 + 1/r8 + 1/r9 + 1/r10 + 1/r11), wobei r6, r7, r8, r9, r10 und r11 die jeweiligen
Gaskanalwiderstände der Zellen (6) bis (11) sind.
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Von 6 sieht
man, das r8 < r6 < r7 < r9 < r10 < r11 ist,
so dass von diesen Zellen (6) bis (10) die Zelle (10) den größten
Gaskanalwiderstand hat. Deshalb entspricht der Gaskanalwiderstand
r10 der Zelle (10) dem vorstehend genannten
Wert r. Deshalb ist das Volumen des Verbindungsabschnitts der Zelle (11)
so bestimmt, dass die Beziehung r < nR
gilt.
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In
dieser Ausführungsform ist es zulässig, dass die
Kathode der Zelle 15 eine Katalysatorschicht verwendet,
die gegenüber der Verschlechterung widerstandsfähig
ist, die durch den Mangel an Wasserstoff oder das abnormale elektrische
Potential verursacht wird, konkret gesagt, eine Katalysatorschicht,
die nicht von der Kohlenstoffstützbauart ist. Ein Grund
dafür ist wie folgt.
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In
dieser Ausführungsform wird bewirkt, dass Brennstoffabgas
in die Zelle 15 strömt, um zu bewirken, dass Unreinheiten
in der Zelle 15 angehäuft werden. Deshalb erreicht
die Zelle 15 einen Zustand einer niedrigen Wasserstoffkonzentration
und einer hohen Stickstoffkonzentration. In dem Fall, in dem Kohlenstoff
in der Katalysatorschicht verwendet wird, falls die Anode einen
Wasserstoffdefizitzustand bei einer normalen Temperatur erreicht,
schreitet die Reaktion zwischen Kohlenstoff und Wasser (C + 2H2O → CO2 +
4H+ + 4e–)
voran, so dass eine Oxidation von Kohlenstoff an der Kathode auftritt.
Darüber hinaus, falls die Stickstoffkonzentration hoch
wird, erhöht sich das elektrische Potential an der Kathodenseite und
der Anodenseite, so dass die Oxidation von Kohlenstoff wahrscheinlich
auftritt, wie in dem vorstehenden Fall. Solche Reaktionen können
durch die Verwendung einer Katalysatorschicht verhindert werden, die
nicht von der Kohlenstoffstützbauart ist, so dass die Verschlechterung
der Zelle 15 beschränkt werden kann. Beispiele
der Katalysatorschicht, die nicht von der Kohlenstoffstützbauart
ist, beinhalten eine schwarze Platinschicht, eine Platinschicht
mit feinen Partikeln, eine Platinlegierungsschicht mit feinen Partikeln,
etc.
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Im Übrigen,
falls eine Kathodenkatalysatorschicht, die nicht von der Kohlenstoffstützbauart
ist, in all den Zellen verwendet wird, wird sich eine verringerte
Erzeugungseffizienz von elektrischer Leistung der Brennstoffzellenbatterie
ergeben, da die Leistung als ein Katalysator abnimmt. Falls eine
Katalysatorschicht, die nicht von der Kohlenstoffstützbauart
ist, nur in den Zellen verwendet wird, die aktiv dazu gebracht werden,
Unreinheiten anzuhäufen, und eine Katalysatorschicht, die
von der Kohlenstoffstützbauart ist, in den anderen Zellen
verwendet wird, kann eine Abnahme der Energieerzeugungsleistung
der anderen Zellen verhindert werden, und die Erzeugungsleistung
von elektrischer Energie der gesamten Brennstoffzellenbatterie kann
verbessert werden.
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Des
Weiteren kann in dieser Ausführungsform eine Entleereinrichtung
zum Ableiten des Brennstoffabgases mit einer Zelle verbunden sein, die
Unreinheiten anhäuft. Beispielsweise kann, wie in 2 und 3B gezeigt
ist, der Kanal 10 zum Ableiten des Brennstoffabgases mit
dem Zellenkanal 18 der Zelle 15 verbunden sein,
und das Entleerventil 8 kann an dem Kanal 10 vorgesehen
sein. Da das Brennstoffabgas, das von den Zellen 16 abgegeben wird,
in die Zelle 15 strömt, konzentrieren sich die
Unreinheiten, die in dem Brennstoffabgas enthalten sind, allmählich
in der Zelle 15. Falls das Brennstoffabgas von der Zelle 15 durch Öffnen
des Entleerventils 8 abgeleitet werden kann, können
die Unreinheiten effizient zu der Außenseite abgegeben
werden. Im Übrigen wird in der Zelle 15, da ein
Gas von dem Verbindungsabschnitt 20 einströmt,
der mit dem Abgabeverteiler 14 verbunden ist, ein Ableiten
selbst dann nicht behindert, falls das Volumen des Verbindungsabschnitts 25,
der mit dem Zufuhrverteiler 13 verbunden ist, klein ist.
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Des
Weiteren kann in dieser Ausführungsform eine Einrichtung
zum Schätzen oder Messen der Menge von Unreinheiten in
der Zelle 15 vorgesehen sein, und die Entleereinrichtung
kann zu einem Arbeiten veranlasst werden, wenn die Menge von Unreinheiten
gleich wie oder größer als ein vorbestimmter Wert
wird. In der Ausführungsform, da sich Unreinheiten in der
Zelle 15 konzentrieren, gestattet die Verwendung der Menge
von Unreinheiten in der Zelle 15 als ein Referenzwert,
dass das Ableiten bei einer geeigneten Zeitabstimmung durchgeführt
wird. Die Unreinheiten können als Komponenten definiert sein,
die anders als das Brennstoffgas ist, das in dem Brennstoffabgas
enthalten ist. Konkret gesagt sind die Unreinheiten Stickstoff,
Wasser, Kohlendioxid, etc. und die Menge von wenigstens einer dieser Komponenten
wird geschätzt oder gemessen.
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Des
Weiteren kann die zeitabhängige Änderung der Ablagerungsmenge
von Unreinheiten im Voraus erfasst werden, und das Entleerventil 8 kann
bei jedem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit geöffnet
werden, um die Entleerung durchzuführen. Des Weiteren kann
die Spannung der Zelle 15 gemessen werden, und das Entleerventil 8 kann
geöffnet werden, wenn der gemessene Wert gleich wie oder
geringer als ein vorbestimmter Wert wird. Des Weiteren können
die Spannung der Zelle 15 und die Spannung der Zellen 16 gemessen
werden, und das Entleerventil 8 kann geöffnet
werden, wenn der Spannungsunterschied zwischen diesen gleich zu
oder größer als ein vorbestimmter Wert wird.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, wird in dieser Ausführungsform
das Brennstoffgas aktiv dazu gebracht, von dem Abgabeverteiler in
eine bestimmte Zelle zu strömen, so dass sich die Unreinheiten
in dieser Zelle konzentrieren. Dies kann eine Anhäufung
der Unreinheiten in den anderen Zellen verhindern und kann deshalb
Schwankungen des Betrags einer Energieerzeugung von einer Zelle
zu einer anderen verhindern. Im Speziellen ist es möglich, Schwankungen
der Ablagerungsmenge der Unreinheiten unter den Zellen aufgrund
der unterschiedlichen Druckverluste zu beschränken, die
aus Ursachen der Herstellung herrühren, und deshalb Schwankungen
des Betrags einer Erzeugung von elektrischer zu Energie beschränken.
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In
dieser Ausführungsform nimmt die Spannung der Zelle mit
der Zeit ab, in die das Brennstoffabgas strömt. Da jedoch
die Abnahme der Spannung der anderen Zellen beschränkt
ist, kann die Charakteristik der Erzeugung von elektrischer Energie
im Hinblick auf die Brennstoffzellenbatterie als ein Ganzes verbessert
werden.
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In
dieser Ausführungsform, falls die Zeitabstimmung des Entleerens
bestimmt wird, während die Zelle als eine Referenz betrachtet
wird, in die das Brennstoffabgas strömt, ist es möglich
das Entleeren bei der geeigneten Zeitabstimmung in der gesamten Brennstoffzellenbatterie
durchzuführen. Im Speziellen unterscheidet sich in den
Brennstoffzellenbatterien des Stands der Technik, da sich die Zellenspannungsabnahmetendenz
aufgrund unterschiedlicher Druckverluste unterscheidet, die optimale
Entleerzeitabstimmung für jede Zelle. Deshalb ist es schwierig,
das Entleeren zu einer geeigneten Zeitabstimmung in der gesamten
Brennstoffzellenbatterie durchzuführen. Jedoch ist es gemäß der
vorliegenden Ausführungsform, da die Abnahme der Zellenspannung
hauptsächlich in der Zelle auftritt, in die das Brennstoffabgas
strömt, ausreichend, dass die Zelle als eine Referenz betrachtet
wird, in die das Brennstoffabgas strömt.
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Es
ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform
begrenzt ist, sondern auf verschiedene Arten modifiziert werden kann
ohne von dem Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise
wird in der vorstehenden Ausführungsform bewirkt, dass
die Zelle, die an dem brennstoffabgasauslassseitigem Anschlussende
angeordnet ist, die Unreinheiten anhäuft. Jedoch begrenzt
dies die Erfindung nicht, und es kann bewirkt werden, dass eine
Zelle die Unreinheiten anhäuft, die an einer Position angeordnet
ist, die anders als das auslassseitige Anschlussende ist. Jedoch
ist in dem Fall, in dem eine Entleereinrichtung vorgesehen ist, falls
bewirkt wird, dass die Zelle die Unreinheiten anhäuft,
die an dem auslassseitigem Anschlussende angeordnet ist, die Verbindung
der Leitungen erleichtert, und das Entleeren kann effizient durchgeführt werden.
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Des
Weiteren, obwohl in der Ausführungsform eine Zelle, deren
Druckverlust hoch ist, durch Kleinmachen des Volumens des Verbindungsabschnitts
geschaffen ist, begrenzt dies nicht die Erfindung. Beispielsweise
kann eine Zelle, deren Druckverlust hoch ist, auch durch Erhöhen
der Kanallänge des Brennstoffgases in der Zelle geschaffen
werden. Im Speziellen erreicht die Erfindung im Wesentlichen die
gleichen Effekte wie diejenigen, die durch die vorstehenden Ausführungsformen
erreicht werden, falls das Brennstoffzellenbatteriesystem, das eine
Brennstoffzellenbatterie hat, die eine Vielzahl von Zellen hat,
die gestapelt und in Reihe geschaltet sind, einen Zufuhrverteiler,
der das Brennstoffgas zu jeder der Zellen verteilt, und einen Abgabeverteiler
hat, in den das Brennstoffabgas von jeder der Zellen abgegeben wird,
und das die Brennstoffzellenbatterie in einem Zustand betreibt,
in dem ein Kanal des Brennstoffzellenabgases geschlossen ist, die
vorliegenden Merkmale hat: die Vielzahl von Zellen beinhaltet eine
erste Zelle und wenigstens eine zweite Zelle, deren Gaskanalwiderstand
kleiner als der Gaskanalwiderstand der ersten Zelle ist; und eine
Beziehung r < nR
gilt, wobei r der Gaskanalwiderstand der Zelle ist, deren Gaskanalwiderstand
der größte unter der wenigsten einen zweiten Zelle
ist, R ein Wert ist, der durch Kombinieren der Gaskanalwiderstände
der ersten Zelle und der wenigstens einen zweiten Zelle erhalten wird,
und n die Gesamtzahl der Zellen ist (n ist eine Ganzzahl von 2 oder
größer).
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Des
Weiteren kann der Zellenkanal in der Erfindung ein poröser
Körperkanal sein oder kann auch ein Nutkanal sein. Beispielsweise
können in einer Zelle, die durch Stapeln einer Membranelektrodenbaugruppe,
Diffusionsschichten, porösen Körperkanälen
und Separatoren gebildet ist, die porösen Körperkanäle
zwischen den Separatoren und den Diffusionsschichten vorgesehen
sein, und das Brennstoffgas kann von dem porösen Körperkanal
zu den Katalysatorschichten zugeführt werden. Darüber
hinaus kann ein Separator mit einer Nut versehen sein, und das Brennstoffgas
kann durch die Nut zugeführt werden. Des Weiteren ist es
auch zulässig, dass nur die Zelle, deren Druckverlust hoch
ist, mit einem porösen Körperkanal versehen ist,
und dass die anderen Zellen mit einem Nutkanal versehen sind.
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Obwohl
in der vorstehenden Ausführungsform der Betrieb mit totem
Ende mit dem vollständig geschlossenen Abgabeventil ein
grundlegender Betrieb des Brennstoffzellenbatteriesystems ist, kann stattdessen
ein Betrieb mit einer kontinuierlichen kleinen Mengenabgabe mit
einer geringfügigen Öffnung des Abgabeventils
als ein grundlegender Betrieb festgelegt sein. Der Betrieb mit einer
kontinuierlichen kleinen Mengenabgabe ist ein Betrieb, in dem das Brennstoffgas
innerhalb der Brennstoffzellenbatterie im Wesentlichen in der gleichen
Weise wie in dem Betrieb mit totem Ende stagniert, und die Öffnung des
Abgabeventils ist so eingestellt, dass die Strömungsmenge
des Brennstoffabgases, das aus dem System abgegeben wird, gleich
zu einem Wert ist, der im Vergleich zu der Menge des Brennstoffgases klein
ist, das in der Brennstoffzellenbatterie verbraucht wird. Gemäß diesem
Betrieb mit einer kontinuierlichen kleinen Mengenabgabe, da die
Unreinheiten, die in dem Brennstoffabgasabgabeverteiler verweilen,
allmählich abgegeben werden können und der Transport
der Unreinheiten von dem Anodengaskanal zu dem Brennstoffabgasabgabeverteiler
aufrechterhalten werden kann, wird es möglich, die Konzentration
der Unreinheiten in dem Anodengaskanal niedrig zu halten.
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Zusammenfassung
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Eine
Brennstoffzellenbatterie (2) hat einen Aufbau, in dem eine
Vielzahl von Zellen gestapelt und in Reihe geschaltet sind. Die
Zellen beinhalten eine Zelle (15) und eine oder mehrere
Zellen (16) eines Zellenstapels (11). Wasserstoff,
der von einem Kanal (12) in die Brennstoffzellenbatterie
(2) eingeleitet worden ist, wird durch einen Zufuhrverteiler
(13) zu jeder Brennstoffzelle zugeführt. Nachdem
die Wasserstoffmenge verbraucht worden ist, die für eine Energieerzeugung
benötigt wird, wird ein Gas als ein Brennstoffabgas in
einen Abgabeverteiler (14) abgegeben und strömt
dann in die Zelle (15). Dies verhindert, dass Unreinheiten,
die in dem Brennstoffabgas enthalten sind, in den Zellen (16)
angehäuft werden, und bewirkt, dass die Unreinheiten in
der Zelle (15) angehäuft werden. Somit können
Schwankungen des Betrags einer Energieerzeugung unter den Zellen
in einem Brennstoffzellenbatteriesystem beschränkt werden,
das ein Verfahren mit totem Ende verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-536436 [0003, 0004, 0006, 0006]
- - JP 2004-536436 A [0003, 0004, 0006, 0006]