-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und insbesondere
auf ein System mit einer Brennstoffzelle, deren Brennstoff Wasserstoffgas
ist, dem ein Odoriermittel beigemengt ist.
-
Stand der Technik
-
Das
Brennstoffgas, das bei einem herkömmlich bekannten Brennstoffzellensystem
verwendet wird, wie es beispielsweise in der
JP 2004-134272 A offenbart
ist, ist ein Wasserstoffgas, dem ein Odoriermittel beigemengt ist.
Der in dem obigen herkömmlichen System enthaltene Brennstofftank
speichert ein Gemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel, sodass der
Wasserstoff sicher gehandhabt werden kann. Der Geruch des Odoriermittels
kann erfasst werden, um zu beurteilen, ob eine Wasserstoffleitung
hermetisch abgedichtet ist.
-
In
einer Brennstoffzelle ist eine katalytische Schicht vorgesehen,
um eine Stromerzeugungsreaktion herbeizuführen. Wenn der
Brennstoffzelle ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel
zugeführt wird, kann die katalytische Schicht aufgrund der
Vergiftung durch das Odoriermittel an Reaktionsfreudigkeit verlieren.
Daher enthält das obige herkömmliche System einen
Adsorptionsmechanismus, der sich zwischen dem Kraftstofftank und
der Brennstoffzelle befindet, um das Odoriermittel zu adsorbieren.
Dies gewährleistet, dass das Odoriermittel aus dem Gasgemisch
aus Wasserstoff und Odoriermittel entfernt wird, damit die Brennstoffzelle
ungehindert elektrischen Strom erzeugen kann.
-
Das
Adsorptionsvermögen eines Adsorptionsmittels nimmt mit
zunehmender Odoriermittel-Adsorptionsmenge ab. Um dieses Problem
anzugehen, stellt das herkömmliche System das Adsorptionsvermögen
des Adsorptionsmittels bei Bedarf wieder her, indem es von einer
reduzierenden Zerlegung durch Wasserstoff Verwendung macht. Auf
diese Weise ermöglicht die oben beschriebene herkömmliche
Technologie es, ein Brennstoffzellensystem zu bilden, das für
erhöhte Wasserstoffsicherheit sorgt, während kontinuierlich
verhindert wird, dass die Stromerzeugung der Brennstoffzelle durch
eine Katalysatorvergiftung behindert wird.
- Patentdokument
1: JP 2004-134272
A
- Patentdokument 2: JP
2005-203108 A
- Patentdokument 3: JP
2004-111167 A
-
Kurzdarstellung der Erfindung
-
Von der Erfindung zu lösendes
Problem
-
Allerdings
enthält der Adsorptionsmechanismus für das obige herkömmliche
System ein Adsorptionsmittel und einen Mechanismus zum Wiederherstellen
des Adsorptionsvermögens des Adsorptionsmittels. Der Mechanismus
zum Wiederherstellen des Adsorptionsvermögens umfasst einen
Katalysator zur Einleitung der Zerlegung des Odoriermittels, ein Gebläse
und verschiedene andere Mechanismen. Wie gerade beschrieben wurde,
enthält das oben beschriebene herkömmliche System
viele Elemente, die den Adsorptionsmechanismus bilden. Folglich kann
das System komplex und groß werden.
-
Die
Erfindung erfolgte, um das obige Problem zu lösen. Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung
zu stellen, das ein Odoriermittel mit Hilfe einer einfachen Gestaltung beseitigen
kann und erhöhte Wasserstoffsicherheit gewährleistet.
-
Mittel zur Lösung
des Problems
-
Um
den oben genannten Zweck zu erfüllen, sieht die erste Ausgestaltung
der Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, mit:
einer Brennstoffzelle,
die eine Membran-Elektroden-Einheit enthält, die durch
Anordnen einer katalytischen Schicht auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran
ausgebildet ist;
einem Gasströmungsweg, der mit der
katalytischen Schicht verbunden ist;
einem Brennstofftank,
der mit dem Gasströmungsweg verbunden ist, um der katalytischen
Schicht über den Gasströmungsweg ein Brennstoffgas
zuzuführen; und
einem Hydrierungskatalysator, der
in einem Gasverteilungsweg angeordnet ist, der von dem Brennstofftank
aus über den Gasströmungsweg zur katalytischen
Schicht verläuft, und der dazu verwendet wird, ein schwefelloses Odoriermittel
zu hydrieren.
-
Die
zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem
gemäß der ersten Ausgestaltung vor, mit außerdem:
einer
Wärmezufuhreinrichtung zum Zuführen von durch
die Brennstoffzelle erzeugter Wärme zu dem Hydrierungskatalysator.
-
Die
dritte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem
gemäß der ersten Ausgestaltung oder der zweiten
Ausgestaltung vor, wobei die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel
ist, der durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit
mit einem dazwischen eingefügten Separator ausgebildet
ist, und wobei der Gasströmungsweg einen Verteiler, der
innerhalb des Brennstoffzellenstapels verläuft und mit
den katalytischen Schichten der Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit
verbunden ist, und eine Leitung enthält, die außerhalb
des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist und den Verteiler mit
den Brennstofftank verbindet, wobei das Brennstoffzellensystem Folgendes umfasst:
eine
Hydrierungszelle, die den Hydrierungskatalysator enthält,
ist in den Brennstoffzellenstapel integriert und ist zwischen dem
Verteiler und der Leitung positioniert.
-
Die
vierte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem
gemäß einer der ersten bis dritten Ausgestaltungen
vor, wobei die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel ist, der
durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit
mit einem dazwischen eingefügten Separator ausgebildet
ist, wobei der Gasströmungsweg einen Verteiler enthält,
der innerhalb des Brennstoffzellenstapels verläuft und
mit den katalytischen Schichten der Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit verbunden
ist, und wobei der Hydrierungskatalysator in dem Verteiler angeordnet
ist.
-
Die
fünfte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem
gemäß einer der ersten bis vierten Ausgestaltungen
vor, mit außerdem:
einem Gasverteilungselement, das
eine Gasdiffusionsschicht und ein Plattenmaterial umfasst, das auf der
Gasdiffusionsschicht aufgestapelt ist und in der mit der Gasdiffusionsschicht
in Kontakt befindlichen Oberfläche mit einer Nut versehen
ist, und das die katalytische Schicht so überlagert, dass
die Gasdiffusionsschicht der katalytischen Schicht zugewandt ist, wobei
die
Nut mit dem Gasströmungsweg verbunden ist und zwischen
dem Gasströmungsweg und der katalytischen Schicht positioniert
ist; und
der Hydrierungskatalysator auf der Innenfläche
der Nut angeordnet ist.
-
Um
den oben genannten Zweck zu erfüllen, sieht die sechste
Ausgestaltung der Erfindung eine Brennstoffzelle vor, mit:
einer
Membran-Elektroden-Einheit, in der auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran
eine katalytische Schicht, die einen Katalysator und einen Träger
enthält, angeordnet ist; und
einem Gasverteilungselement,
das die katalytische Schicht überlagert und einen Gaseinlass
und einen Gasströmungsweg umfasst, der von dem Gaseinlass aus
innen verläuft und mit der katalytischen Schicht verbunden
ist, wobei
sich ein erster Teilbereich der katalytischen Schicht, der
nahe am Gaseinlass positioniert ist, beim Katalysatormaterial von
einem zweiten Teilbereich unterscheidet, der der übrige
Teilbereich der katalytischen Schicht ist; und
das Katalysatormaterial
für den ersten Teilbereich beim Erzeugen von Protonen aus
Wasserstoffatomen weniger aktiv als das Katalysatormaterial für
den zweiten Teilbereich ist und beim Hydrieren eines schwefellosen
Odoriermittels gleich aktiv wie oder aktiver als das Katalysatormaterial
für den zweiten Teilbereich ist.
-
Die
siebte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Brennstoffzelle gemäß der
sechsten Ausgestaltung vor, wobei der Katalysator für den
ersten Teilbereich der katalytischen Schicht entweder einen Nickel-Molybdän-(NiMo-)Katalysator
oder einen Cobalt-Molybdän-(CoMo-)Katalysator beinhaltet.
-
Vorteile der Erfindung
-
Gemäß der
ersten Ausgestaltung der Erfindung speichert der Kraftstofftank
ein Gasgemisch aus Wasserstoff und schwefellosem Odoriermittel, sodass
das Odoriermittel in dem Gasgemisch hydriert und der Brennstoffzelle
zugeführt werden kann, wenn sie elektrischen Strom erzeugt.
Gemäß dem Verfahren zum Hydrieren des Odoriermittels
und Zuführen des hydrierten Odoriermittels zur Brennstoffzelle
kann mit Hilfe einer einfachen Gestaltung die Vergiftungswirkung
des Odoriermittels auf den Brennstoffzellen-Anodenkatalysator verringert
werden. Dies ermöglicht es, ein Brennstoffzellensystem zu
bilden, das mit Hilfe einer einfachen Gestaltung für erhöhte
Wasserstoffsicherheit sorgt.
-
Gemäß der
zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann die Wärme, die
während einer Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle erzeugt
wird, als die Reaktionswärme für einen Hydrierungskatalysator verwendet
werden.
-
Gemäß der
dritten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Hydrierungszelle,
die einen Hydrierungskatalysator enthält, mit einem Brennstoffzellenstapel
kombiniert werden, um den Platzbedarf zu verringern. Daher kann
mit Hilfe einer einfachen Gestaltung ein Brennstoffzellensystem
gebildet werden, das für erhöhte Wasserstoffsicherheit
sorgt, ohne dass eine dedizierte eigenständige Hydrierungsvorrichtung
erforderlich ist.
-
Gemäß der
vierten Ausgestaltung der Erfindung kann das Odoriermittel, das
in einem Gas enthalten ist, das in dem Brennstoffzellenstapel zu
jeder Elektrolytmembran strömt, wirksam hydriert werden.
-
Gemäß der
fünften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Nut, die als
Gasströmungsweg eines Gasverteilungselements dient, mit
einem Hydrierungskatalysator überzogen. Das bedeutet, dass
der Hydrierungskatalysator direkt innerhalb der Brennstoffzelle
vorgesehen ist. Folglich ist es mit Hilfe eines einfachen Systems
möglich, das Odoriermittel zu hydrieren, ohne dass eine
dedizierte eigenständige Hydrierungsvorrichtung erforderlich
ist.
-
Gemäß der
sechsten Ausgestaltung der Erfindung ist das Brennstoffzellensystem,
das als Brennstoff ein Gemisch aus Wasserstoff und schwefellosem
Odoriermittel verwendet, so gestaltet, dass der erste Teilbereich
nahe am Gaseinlass, in den das Odoriermittel strömt, zur
Odoriermittelhydrierung verwendet wird. Daher kann die katalytische
Schicht des zweiten Teilbereichs, die zur Stromerzeugungsreaktion
beitragen sollte, vor einer Vergiftung geschützt werden.
Dies stellt sicher, dass die Brennstoffzelle ungehindert elektrischen
Strom erzeugt. Da das Odoriermittel innerhalb der Brennstoffzelle
hydriert werden kann, kann außerdem mit Hilfe einer einfachen
Gestaltung ein Brennstoffzellensystem mit Odoriermittel-Hydrierungsfunktion
gebildet werden.
-
Gemäß der
siebten Ausgestaltung der Erfindung kann die Odoriermittel-Hydrierungsfunktion
des Katalysators im ersten Teilbereich verwirklicht werden, indem
ein Material verwendet wird, das weniger teuer als ein Edelmetall
ist.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
-
2A und 2B sind
Diagramme, die eine Hydrierungsvorrichtung gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel veranschaulichen.
-
3A und 3B veranschaulichen
Versuchsergebnisse, die die Grundidee und die Wirkungen gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel beschreiben sollen.
-
4 veranschaulicht
Versuchsergebnisse, die die Grundidee und Wirkungen gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel beschreiben sollen.
-
5 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel darstellt.
-
6 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel darstellt.
-
7 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle eines
Brennstoffzellensystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
-
8 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung einer Brennstoffzelle gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel darstellt.
-
9 zeigt
die Gestaltung einer Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels.
-
- 10
- Brennstoffzellensystem
- 12
- Brennstofftank
- 14
- Hydrierungsvorrichtung
- 16
- Brennstoffzelle
- 18
- Anodengaseinlass
- 20
- Anodengasauslass
- 22
- Spülventil
- 24
- Träger
- 26
- Katalysatorwirkstelle
- 28
- Hydrierungskatalysator
- 112
- Brennstofftank
- 116
- Brennstoffzellenstapel
- 130
- Hydrierungszelle
- 132,
232, 332, 432, 532
- Einheitsbrennstoffzelle
- 134
- anodenseitiger
Gasströmungsweg
- 140
- Verteiler
- 240
- Elektrolytmembran
- 242,
442
- katalytische
Elektrodenschicht
- 244
- Gasdiffusionsschicht
- 246
- Separator
- 248,
448
- Gasströmungsweg
- 250,
350, 450
- atalytische
Hydrierungsschicht
-
Beste Ausführungsart für
die Erfindung
-
Erstes Ausführungsbeispiel
-
– Gestaltung erstes
Ausführungsbeispiel –
-
1 ist
ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Das
in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 10 enthält
einen Brennstofftank 12. der Brennstofftank 12 speichert
ein Gasgemisch aus Wasserstoff und schwefellosem Odoriermittel.
Ein Verfahren zum Erfassen einer Wasserstoffleckage mit Hilfe eines
Odoriermittels hat zum Beispiel den Vorteil, dass kein besonderer
Wasserstoffleckagesensor verwendet werden muss. Das erste Ausführungsbeispiel
geht davon aus, dass als Odoriermittel Ethylacrylat verwendet wird.
-
Das
stromabwärtige Ende des Brennstofftanks 12 ist
mit einer Leitung 13 verbunden. Die Leitung 13 ist
mit verschiedenen Brennstoffzufuhrmechanismen (nicht gezeigt) wie
einem Absperrventil und einem Regler versehen. Die Leitung 13 ist
mit einer Hydrierungsvorrichtung 14 verbunden. Die Hydrierungsvorrichtung 14 hydriert
das Odoriermittel in dem Brennstofftank 12, wie später
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben
wird. Das stromabwärtige Ende der Hydrierungsvorrichtung 14 ist über
eine Leitung 15 mit einem Anodengaseinlass 18 einer
Brennstoffzelle 16 verbunden.
-
Die
Brennstoffzelle 16 ist ein Brennstoffzellenstapel, der
durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen
erzielt wird. Die Einheitsbrennstoffzellen, die nicht gezeigt sind,
sind jeweils so gestaltet, dass eine Membran-Elektroden-Einheit
zwischen einem Paar Stromsammelplatten eingefügt ist. Die
Membran-Elektroden-Einheit wird erzielt, indem ein Katalysator mit
beiden Seiten einer Festpolymer-Elektrolytmembran als Einheit verbunden
wird. Außerdem wird mit jeder Seite der Membran-Elektroden-Einheit
eine Gasdiffusionsschicht als Einheit verbunden, die beispielsweise
aus einer Kohlenstofflage besteht. Die Stromsammelplatten sind als
Separator doppelt zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten
vorhanden.
-
Die
Einheitsbrennstoffzelle ist derart gestaltet, dass eine Seite von
ihr als eine Anode fungiert, während die andere Seite als
eine Kathode fungiert. Wenn die Einheitsbrennstoffzelle elektrischen
Strom erzeugt, nimmt die Anode zugeführten Wasserstoff auf,
während die Kathode zugeführte Luft aufnimmt. Die
Stromerzeugung findet während einer elektrochemischen Reaktion
statt, die durch die Membran-Elektroden-Einheit herbeigeführt
wird.
-
Die
Vielzahl der Einheitsbrennstoffzellen enthält jeweils einen
anodenseitigen Gasströmungsweg. Das erste Ausführungsbeispiel
schneidet eine Nut (nicht gezeigt) in die Oberfläche der
Stromsammelplatte (Separator) und verwendet die Nut als anodenseitigen
Gasströmungsweg. Wasserstoff wird entlang der Nut verteilt
und über die Gasdiffusionsschicht zu einer katalytischen
Elektrodenschicht der Anode transportiert.
-
Innerhalb
der Brennstoffzelle 16 sind die Einheitsbrennstoffzellen
so aufeinander gestapelt, dass ihre anodenseitigen Gasströmungswege
so zusammenlaufen, dass sie einen anodenseitigen Verteiler (nicht
gezeigt) bilden. Die Gestaltung einer Brennstoffzelle, die wie im
Fall der Brennstoffzelle 16 eine Membran-Elektroden-Einheit,
eine Gasdiffusionsschicht, einen Separator und einen Verteiler enthält, ist öffentlich
bekannt und wird nicht ausführlich beschrieben.
-
Die
Brennstoffzelle 16 hat einen Anodengasauslass 20,
der mit dem stromabwärtigen Ende des oben genannten anodenseitigen
Verteilers in Verbindung steht. Das stromabwärtige Ende
des Anodengasauslasses 20 ist mit einem Spülventil 22 verbunden.
Das stromabwärtige Ende des Spülventils 22 ist mit
einem Auslasssystem (nicht gezeigt) verbunden.
-
Dieses
Ausführungsbeispiel führt der Brennstoffzelle 16 ein
Brennstoffgas zu und erzeugt elektrischen Strom, während
es das Brennstoffgas in dem anodenseitigen Gasströmungsweg
speichert. Außerdem öffnet dieses Ausführungsbeispiel
bei Bedarf das Spülventil 22, um das Innere des
anodenseitigen Gasströmungswegs auszuspülen. Diese
Art von System kann als System mit totem Anodenende bezeichnet werden.
-
Die 2A und 2B stellen
die Gestaltung der Hydrierungsvorrichtung 14 dar. Innerhalb der
Hydrierungsvorrichtung 14 befindet sich ein Hydrierungskatalysator 28,
der in 2A gezeigt ist. Der Hydrierungskatalysator 28 ist
so aufgebaut, dass ein Träger 24, der Katalysatorwirkstellen 26 trägt,
in Falten ausgebildet ist. 2A ist
eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Hydrierungskatalysators 28. 2B zeigt
die äußere Form der Hydrierungsvorrichtung 14.
Wie in 2B gezeigt ist, ist die äußere Form
der Hydrierungsvorrichtung zylinderförmig, und die Hydrierungsvorrichtung 14 enthält
den Hydrierungskatalysator 28.
-
Dieses
Ausführungsbeispiel verwendet als Träger
24 einen
keramischen Träger und bildet den Hydrierungskatalysator
aus, indem es den Träger mit Platin überzieht,
das als Katalysatorwirkstelle
26 dient. Die Materialien
und das Verfahren, um zum Beispiel die Hydrierungsvorrichtung
14 zu
bilden, können beispielsweise auf denen der
JP 2004-134272 A basieren.
-
Wie
in 1 gezeigt ist, ist das Brennstoffzellensystem 10 außerdem
so gestaltet, dass die von der Brennstoffzelle 16 erzeugte
Wärme der Hydrierungsvorrichtung 14 zugeführt
wird. Genauer gesagt enthält das erste Ausführungsbeispiel
einen Kühlfluidströmungsweg 19, der innerhalb
der Brennstoffzelle 16 verläuft und die Hydrierungsvorrichtung 14 erreicht.
Ein Kühlfluid, das in dem Kühlfluidströmungsweg 19 strömt,
zieht Wärme von der Brennstoffzelle 16 ab und
führt die Wärme der Hydrierungsvorrichtung 14 zu.
Auf diese Weise wird die Wärme der Brennstoffzelle 16 zum
Hydrierungskatalysator 28 übertragen. Eine Alternative
ist, als Begrenzungsflächen sowohl der Hydrierungsvorrichtung 14 als
auch der Brennstoffzelle 16 ein thermisch leitendes Material
zu verwenden und diese beiden Vorrichtungen nebeneinander anzuordnen,
sodass sie einander berühren, damit zwischen ihnen ein
Wärmeaustausch möglich ist.
-
– Betriebsweise und
Wirkung erstes Ausführungsbeispiel –
-
Es
werden nun die Betriebsweise und Wirkung des Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie zuvor beschrieben
wurde, speichert der Brennstofftank 12 im Interesse von
beispielsweise der Sicherheit ein Gasgemisch aus Wasserstoff und
schwefellosem Odoriermittel. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 elektrischen
Strom erzeugt, führt der Brennstofftank 12 das
Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel stromabwärts
zu.
-
Wenn
das Odoriermittel der Brennstoffzelle direkt zugeführt
wird, kann der Katalysator in der Brennstoffzelle durch das Odoriermittel
vergiftet werden, sodass die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle
behindert wird. Obwohl bestimmte bekannte Systeme einen Adsorptionsmechanismus
zum Durchführen eines Adsorptionsvorgangs für
das Odoriermittel aufweisen, um das obige Problem zu vermeiden,
setzt sich der Adsorptionsmechanismus aus vielen Elementen zusammen.
Folglich kann das System komplex und groß werden. Es ist
daher vorzuziehen, dass die miteinander in Konflikt stehenden Bedürfnisse,
und zwar das Bedürfnis, mit Hilfe des Odoriermittels für
erhöhte Wasserstoffsicherheit zu sorgen, und das Bedürfnis,
eine hervorragende Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle aufrecht zu
erhalten, gleichzeitig erfüllt werden, während
verhindert wird, dass das System komplex und groß wird.
-
Angesichts
dessen verwendet dieses Ausführungsbeispiel das folgende
Verfahren, um die obigen Bedürfnisse zu erfüllen.
Die 3A und 3B veranschaulichen
ein Odoriermittelverarbeitungsverfahren gemäß diesem
Ausführungsbeispiel oder genauer gesagt die Hydrierungswirkung
auf das Odoriermittel. Hydrierung ist eine Reduktionsreaktion, während
der Wasserstoff als Reduktionsmittel verwendet wird, um einer chemischen
Verbindung Wasserstoffatome beizumengen (auch als Wasserstoffbeimengung
oder Wasserstoffreduktion bezeichnet).
-
Genauer
gesagt zeigen die 3A und 3B die
Ergebnisse von experimentellen Messungen, die durch ein CV-Verfahren
(zyklische Voltammetrie) erfolgten, während eine Platinelektrode
verwendet wurde. Die Figuren zeigen Messungen, die vor und nach
einer Beimengung von Ethylacrylat zu einer Lösung erfolgten,
in der die Platinelektrode eingetaucht war. Die linke Seite von 3A (nahe
bei 0,2 auf der horizontalen Achse) zeigt, dass die elektrische
Stromdichte (vertikale Achse), die nach der Beimengung herrschte
(dicke Linie), geringer als die elektrische Stromdichte ist, die vor
der Beimengung herrschte (dünne Linie). Es kann daher darauf
geschlossen werden, dass die Platinelektrode durch die Beimengung
von Ethylacrylat vergiftet wurde.
-
3B zeigt
die Ergebnisse von experimentellen Messungen, die auf die gleiche
Weise erfolgten, wie unter Bezugnahme auf 3A beschrieben wurde,
ausgenommen dass das Ethylacrylat durch Ethylproprionat ersetzt
wurde, das hydriertes Ethylacrylat ist. Ein Vergleich zwischen der
dünnen Linie, die die elektrische Stromdichte angibt, die
vor der Beimengung herrschte, und der dicken Linie, die die elektrische
Stromdichte angibt, die nach der Beimengung herrschte, ergibt, dass
die elektrische Stromdichte in einem Bereich nahe bei 0,2 auf der
horizontalen Achse durch die Beimengung von Ethylproprionat im Wesentlichen
nicht abnahm. Aus den in den 3A und 3B gezeigten
Ergebnissen ergibt sich, dass Ethylproprionat für Platin
weniger giftig als Ethylacrylat ist.
-
Eine
ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindung mit Doppelbindung
wie Ethylacrylat enthält π-Elektronen. Die π-Elektronen
werden leicht an der Oberfläche eines Katalysators adsorbiert.
Diese Eigenschaft von π-Elektronen führt dazu,
dass das Odoriermittel den Katalysator vergiftet. Allerdings nimmt
diese Adsorptionseigenschaft ab, wenn das Odoriermittel hydriert
wird. Und zwar ist Ethylproprionat, das hydriertes Ethylacrylat
ist, weniger giftig als Ethylacrylat, wie in den 3A und 3B gezeigt ist.
Mit anderen Worten kann eine Hydrierungsreaktion verwendet werden,
um die Adsorptionsfähigkeit des Odoriermittels am Katalysator
zu verringern.
-
4 zeigt
das Beimengungsverhältnis für eine Ethylacrylat-Hydrierungsreaktion,
die stattfindet, wenn ein Platinkatalysator unter Brennstoffzellen-Reaktions bedingungen
verwendet wird. Und zwar zeigt 4, wie sich
die Konzentration von Ethylacrylat aufgrund der Hydrierungsreaktion ändert,
die durch einen Platinkatalysator bei einer Temperatur von 80°C
hervorgerufen wird. Wie in 4 gezeigt
ist, wandelten sich 100% Ethylacrylat zu einem Gemisch aus 20% Ethylacrylat
und 80% Ethylproprionat um. Wie oben beschrieben wurde, kann Ethylacrylat
hydriert werden, um Ethylproprionat zu erzielen, wenn der Katalysator
in einer Temperaturatmosphäre verwendet wird, die den Brennstoffzellen-Reaktionsbedingungen
entspricht.
-
Angesichts
der obigen Umstände haben die Erfinder ein wirksames Verfahren
erarbeitet, das mit Hilfe des Odoriermittels für erhöhte
Wasserstoffsicherheit sorgt, während das Odoriermittel
im Brennstoffgas hydriert wird, um zu verhindern, dass das Brennstoffgas
den Katalysator vergiftet. Und zwar positioniert das erste Ausführungsbeispiel
die Hydrierungsvorrichtung 14 stromabwärts vom
Brennstofftank 12 und stromaufwärts von der Brennstoffzelle 16.
Die Hydrierungsvorrichtung 14 enthält wie zuvor
beschrieben den Hydrierungskatalysator 28.
-
Die
Verwendung der obigen Gestaltung stellt sicher, dass das in dem
Gasgemisch enthaltene Odoriermittel aufgrund einer Reaktion an der
Katalysatorwirkstelle 26 hydriert wird, wenn es durch die
Hydrierungsvorrichtung 14 hindurchgeht. Das hydrierte Odoriermittel
strömt dann stromabwärts von der Hydrierungsvorrichtung 14,
sodass es der Brennstoffzelle 16 zusammen mit Wasserstoff
zugeführt wird. Wie vorher erwähnt wurde, ist
die Giftigkeit des hydrierten Odoriermittels geringer. Dadurch ist
es möglich, dass verhindert wird, dass die katalytische Schicht
der Brennstoffzelle 16 vergiftet wird, und dass die Brennstoffzelle
ungehindert elektrischen Strom erzeugt.
-
Des
Weiteren führt dieses Ausführungsbeispiel eine
katalytische Reaktion herbei, die die Hydrierung erleichtert, sodass
das hydrierte Odoriermittel stromabwärts von der Hydrierungsvorrichtung 14 strömt.
Im deutlichen Gegensatz zu der Verwendung eines Adsorptionsmechanismus
fängt dieses Ausführungsbeispiel das Odoriermittel
daher nicht für Odoriermittel-Verarbeitungszwecke ein oder
speichert es. Durch die Verwendung dieses Verfahrens kann verhindert
werden, dass die Gesamtgestaltung des Brennstoffzellensystems komplex
wird, ohne dass die Hydrierungsvorrichtung 14 regelmäßig
ausgetauscht werden muss oder ein spezieller Mechanismus (z. B.
ein Odoriermittel-Ablassrohrsystem) zum Verarbeiten des gespeicherten
Odoriermittels installiert werden muss.
-
Wenn
die Konzentration des hydrierten Odoriermittels innerhalb der Brennstoffzelle 16 zunimmt, öffnet
dieses Ausführungsbeispiel zu einem geeigneten Zeitpunkt
das Spülventil 22. Dies stellt sicher, dass das
hydrierte Odoriermittel zusammen mit anderen Verunreinigungen wie
Stickstoff ausgespült wird. Außerdem ist das Odoriermittel
in dem Brennstoffzellensystem 10, das in dem Abgas enthalten
ist, das stromabwärts von der Brennstoffzelle 16 strömt, bereits
hydriert. Wenn das Odoriermittel hydriert ist, ändert sich
die Qualität seines Geruchs, sodass es süß riecht,
was bedeutet, dass der gefährliche Geruch aus dem Odoriermittel
beseitigt ist. Folglich hat das System gemäß diesem
Ausführungsbeispiel den Vorteil, dass stromabwärts
von der Brennstoffzelle 16 kein Deodorierungsmechanismus
installiert werden muss.
-
Darüber
hinaus ist dieses Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass
die Wärme, die von der Hydrierungsvorrichtung 14 und
der Brennstoffzelle 16 erzeugt wird, der Hydrierungs vorrichtung 14 zugeführt
werden kann. Eine Doppelbindung-Hydrierungsreaktion erfordert bei
einer Kohlenwasserstoffverbindung Wärme. Daher stellt dieses
Ausführungsbeispiel sicher, dass die Wärme, die
während der Stromerzeugungsreaktion in der Brennstoffzelle 16 erzeugt
wird, für Hydrierungszwecke verwendet werden kann. Die
oben genannte Hydrierungsreaktion schreitet voran, solange die Temperatur
ungefähr 50°C beträgt. Die Temperatur
der Brennstoffzelle 16 kann während der Stromerzeugungsreaktion
bei ungefähr 80 und 100°C liegen. Wenn dem Hydrierungskatalysator
die während der Stromerzeugungsreaktion erzeugte Wärme
zugeführt wird, kann daher die Wärme für
die Hydrierungsreaktion ausreichend zugeführt werden. Dieser
Vorteil wird auch aus der Hydrierungswirkung deutlich, zu der es
kommt, wenn wie zuvor unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ein
Platinkatalysator unter Brennstoffzellen-Stromerzeugungsbedingungen
verwendet wird. Dies ermöglicht die Verwendung einer einfachen,
kompakten, dedizierten Heizvorrichtung, wodurch die Systemgestaltung
weiter vereinfacht wird.
-
Wenn
der Hydrierungskatalysator eingebunden wird, wie in Verbindung mit
diesem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, können
CO, H2S und andere Verunreinigungen, die
in dem Brennstoffgas vorkommen, adsorbiert werden. Wenn Moleküle
mit einer Carboxylgruppe oder einer Estergruppe zunehmend hydrogecracked
werden, wird als giftiges Nebenprodukt CO erzeugt. Es ist thermodynamisch schwierig,
diese Nebenreaktion zu vermeiden. Ein übliches Adsorptionsmittel
(z. B. Aktivkohle) adsorbiert kein CO und lässt zu, dass
CO in die Brennstoffzelle strömt. Dieses Ausführungsbeispiel
kann die Giftigkeit des Odoriermittels, wie vorher beschrieben wurde,
verringern und die oben genannten Nebenprodukte daran hindern, in
die Brennstoffzelle 16 zu strömen, wodurch eine
Abnahme der Haltbarkeit der Brennstoffzelle 16 verhindert
wird.
-
Wenn
der Träger 24, wie in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde, zudem in Falten ausgebildet ist, kann der Druckverlust verringert
werden, wenn der Brennstoffzelle 16 über die Hydrierungsvorrichtung 14 ein
Brennstoffgas zugeführt wird. Dieses Ausführungsbeispiel
ist so gestaltet, dass sich die Hydrierungsvorrichtung 14 stromaufwärts
von und nahe an der Brennstoffzelle 16 befindet. Es gibt
den Gesichtspunkt, dass die Funktion des Odoriermittels außerhalb
der Brennstoffzelle 16 voll genutzt werden sollte, um mit
höherer Gewissheit eine Wasserstoffleckage zu erfassen. Angesichts
dieses Gesichtspunkts kann eine gesteigerte Wirkung erzielt werden,
wenn die Odoriermittel-Hydrierungsposition (die Position der Hydrierungsvorrichtung 14)
nahe an die Brennstoffzelle 16 gesetzt wird oder wenn zwischen
der Brennstoffzelle 16 und der Hydrierungsvorrichtung 14 keine
andere Steuerungsvorrichtung (kein anderes Rohrleitungssystem, Ventil
usw.) platziert wird, wie in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde.
-
In
dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispielentspricht
die Brennstoffzelle 16 der „Brennstoffzelle” gemäß der
ersten Ausgestaltung der Erfindung; der Brennstofftank 12 entspricht
dem „Brennstofftank” gemäß der
ersten Ausgestaltung der Erfindung; und die Leitungen 13, 15,
der Verteiler und die separate Nut in der Brennstoffzelle 16 wie
auch andere Gaskanäle, die den Brennstofftank 12 mit
der katalytischen Elektrodenschicht in der Brennstoffzelle 16 verbinden,
entsprechen dem „Gasströmungsweg” gemäß der
ersten Ausgestaltung der Erfindung. Des Weiteren entspricht der
Hydrierungskatalysator 28 in der Hydrierungsvorrichtung 14 dem „Hydrierungskatalysator” gemäß der
ersten Ausgestaltung der Erfindung.
-
Darüber
hinaus entspricht der Wärmeaustausch durch das in dem Kühlfluidströmungsweg 19 strömende
Kühlfluid in dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
der Tätigkeit, die durch die „Wärmezufuhreinrichtung” gemäß der
zweiten Ausgestaltung der Erfindung ausgeübt wird.
-
– Abwandlungen des
ersten Ausführungsbeispiels –
-
– Erste Abwandlung –
-
In
dem ersten Ausführungsbeispiel wird als schwefelloses Odoriermittel
Ethylacrylat verwendet, um dem Wasserstoff beigemengt zu werden.
Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Wie vorher
beschrieben wurde, vergiftet das Odoriermittel den Katalysator,
da die π-Elektronen in dem Odoriermittel leicht an der
Katalysatoroberfläche anhaften. Die Adsorptionsfähigkeit
des Odoriermittels an dem Katalysator kann verringert werden, indem
das Odoriermittel hydriert wird. In dieser Hinsicht ist das bei der
Erfindung einsetzbare Odoriermittel nicht auf Ethylacrylat beschränkt.
-
Zum
Beispiel kann bei der Erfindung ein Odoriermittel verwendet werden,
das verschiedene ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen
enthält, etwa das in der
JP 2004-134272 A offenbarte Odoriermittel.
Ein schwefelloses Odoriermittel ist dadurch gekennzeichnet, dass
es weniger adsorptiv als ein Schwefelodoriermittel ist. In dem erfindungsgemäßen
System oder einem vergleichbaren System, in dem ein hydriertes Odoriermittel
in eine Brennstoffzelle strömt, ist es daher vorzuziehen,
dass ein schwefelloses Odoriermittel verwendet wird.
-
– Zweite Abwandlung –
-
Das
System, von dem die zweite Abwandlung ausgeht, ist ein Brennstoffzellensystem
mit totem Anodenende, das der Brennstoffzelle 16 ein Brennstoffgas
zuführt und elektrischen Strom erzeugt, während
es das Brennstoffgas im Inneren speichert. Allerdings ist die Erfindung
nicht auf ein solches Brennstoffzellensystem beschränkt.
Die Erfindung kann auch bei einem System Anwendung finden, das eine
Umwälzleitung mit einem Gasströmungsweg für
die Anodenseite der Brennstoffzelle aufweist und in der Umwälzleitung
Wasserstoff umwälzt.
-
– Dritte Abwandlung –
-
Das
erste Ausführungsbeispiel ist so gestaltet, dass die Hydrierungsvorrichtung 14 den
Träger 24 aufnimmt, der die Katalysatorwirkstellen 26 trägt und
in Falten ausgebildet ist. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf
beschränkt. Zum Beispiel kann ein wabenförmiges
Grundmaterial verwendet werden, um die Katalysatorwirkstellen zu
tragen. Das wabenförmige Grundmaterial kann aus verschiedenen
Materialien wie Metall, Keramik oder anderen nicht leitenden Materialien
bestehen.
-
– Vierte Abwandlung –
-
In
dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Wärme,
die während eines Stromerzeugungsvorgangs der Brennstoffzelle 16 erzeugt
wird, der Hydrierungsvorrichtung 14 zugeführt.
Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Alternativ
kann auch eine Heizung oder ein vergleichbarer Heizmechanismus verwendet
werden. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 beispielsweise
in einem Fahrzeug eingebaut wird, ist eine andere Alternative, die
von einer Bremse erzeugte Reibungswärme, rückgewonnene
Bremsenergie oder während der Fahrt erzeugte Wärme
zu nutzen. Dieses alternative Verfahren ist insofern vorteilhaft,
als es den Heizmechanismus vereinfachen kann oder auf ihn verzichten
kann, wie es beim ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist,
und die Größe eines Kühlers verringern
kann.
-
– Fünfte
Abwandlung –
-
Dieses
Ausführungsbeispiel verwendet als den Träger 24 einen
keramischen Träger und bildet den Hydrierungskatalysator
aus, indem der Träger mit Platin überzogen wird,
das als die Katalysatorwirkstellen 26 dient. Allerdings
kann als die Katalysatorwirkstellen in Anbetracht der geringeren
Kosten und anderer Vorteile alternativ ein anderes Material als
ein Edelmetall verwendet werden.
-
Die
Katalysatorwirkstellen 26 können beispielsweise
aus einem Nickel-Molybdän-(NiMo-)Katalysator, einem Cobalt-Molybdän-(CoMo-)Katalysator,
einem Platinlegierungskatalysator, einem Metalloxidkatalysator (WO3, MO3 oder V2O5), einem Pd-Katalysator
oder einem Au-Nanocluster-Katalysator bestehen. Der Träger 24 kann
beispielsweise aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid oder verschiedenen
anderen metallischen Materialien bestehen. Des Weiteren kann beispielsweise
Platin, eine Platinlegierung, Metalloxid oder sein Carbid, Nitrid
oder Sulfid verwendet werden. Darüber hinaus können
Palladium, eine Palladiumlegierung oder Gold-Nanopartikel verwendet
werden. Diese Materialien können beispielsweise von einem
Aluminiumoxid- oder Titanoxidträger getragen werden.
-
Die
Form und Gestaltung der Gasströmungswege in den Einheitsbrennstoffzellen
unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Eine Alternative
ist, eine poröse Schicht auszubilden, die aus einem leitenden
Material besteht und zwischen der Stromsammelplatte und der Membran-Elektroden-Einheit
gelegen ist, und zusammenhängende Poren in der porösen
Schicht zu nutzen, um die Gasströmungswege auszubilden.
-
Zweites Ausführungsbeispiel
-
5 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Wie
im Fall des Systems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
enthält das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
einen Brennstofftank 112, der ein Gemisch aus Wasserstoff
und Odoriermittel speichert. Der Brennstofftank 112 ist über
eine Leitung 114 mit einem Brennstoffzellenstapel 116 verbunden. Der
Brennstoffzellenstapel 116 enthält eine Vielzahl von
Einheitsbrennstoffzellen 132 und eine Hydrierungszelle 130.
Das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrierungszelle 130 das
Odoriermittel hydriert.
-
Der
Brennstoffzellenstapel 116 wird durch Aufeinanderstapeln
der Vielzahl der Einheitsbrennstoffzellen 132 erzielt.
Die Einheitsbrennstoffzellen 132 enthalten eine Membran-Elektroden-Einheit, eine
Gasdiffusionsschicht und einen Separator, wie es bei den Einheitsbrennstoffzellen
der Fall ist, die in der Brennstoffzelle 16 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel enthalten sind. Daher ist der
Aufbau dieser Bestandteile nicht in 5 gezeigt.
-
Die
Einheitsbrennstoffzellen 132 enthalten jeweils einen anodenseitigen
Gasströmungsweg 134. Der anodenseitige Gasströmungsweg 134 ist eine
Nut, die in dem Separator einer Einheitsbrennstoffzelle 132 ausgebildet
ist. Der Brennstoffzellenstapel 116 enthält einen
Verteiler 140, der die anodenseitigen Gasströmungswege 134 der
Einheitsbrennstoffzellen 132 zusammenbringt. Der Verteiler 140 durchdringt
die Einheitsbrennstoffzellen 132 und verläuft
in ihrer Aufschichtungsrichtung.
-
Die
Hydrierungszelle 130 ist an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 116 angeordnet.
Die Hydrierungszelle 130 enthält einen Hydrierungskatalysator.
Das Innere der Hydrierungszelle 130 kann so gestaltet sein,
dass sie nur den anodenseitigen Gasströmungsweg und eine
katalytische Schicht einer Einheitsbrennstoffzelle 132 enthält.
Die Katalysatorwirkstelle und der Träger der katalytischen
Schicht können aus verschiedenen Materialien bestehen,
wie es im ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
-
Wenn
das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
elektrischen Strom erzeugt, strömt ein Gasgemisch aus Wasserstoff
und Odoriermittel, das von dem in 5 Brennstofftank 112 zugeführt wird,
in die Hydrierungszelle 130. Das Odoriermittel wird hydriert,
wenn es durch die Hydrierungszelle 130 geht. Dadurch strömen
der Wasserstoff und das hydrierte Odoriermittel in den Verteiler 140 und
werden den Anoden der Einheitsbrennstoffzellen 132 zugeführt.
-
In
dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in dem Brennstoffzellenstapel 116 die
Hydrierungszelle 130 eingebaut. Deswegen kann die Systemgestaltung
kompakt sein, und der Platzbedarf kann verglichen mit dem ersten
Ausführungsbeispiel, in dem eine separate Hydrierungsvorrichtung
verwendet wird, verringert werden. Darüber hinaus kann
der Brennstoffzellenstapel mit dem Hydrierungskatalysator effizient
Wärme austauschen, da die Hydrierungszelle in dem Brennstoffzellenstapel
eingebaut ist.
-
Das
oben beschriebene zweite Ausführungsbeispiel ist so gestaltet,
dass die Hydrierungszelle 130 nur den anodenseitigen Gasströmungsweg
und die katalytische Schicht einer Einheitsbrennstoffzelle 132 enthält.
Wenn die Gestaltung der Hydrierungszelle 130 mit der der
Einheitsbrennstoffzelle 132 vergleichbar (gemeinsam) ist,
können gemeinsame Bauteile verwendet werden, um für
Fertigungsvorteile und Vorteile wie beispielsweise die Kompaktheit des
gesamten Brennstoffzellenstapels zu sorgen. Allerdings ist die Erfindung
nicht darauf beschränkt. Der Hydrierungskatalysator kann
auch innerhalb der Hydrierungszelle 130 positioniert sein,
sofern der Hydrierungskatalysator das Odoriermittel während
des Vorgangs, in dem innerhalb der Hydrierungszelle 130 ein
Gas verteilt wird, hydriert. Zum Beispiel können die Formen,
Positionen, Materialien und andere Gestaltungselemente der Gasströmungswege
und der katalytischen Schicht bei Bedarf geändert werden.
-
Unter
dem Gesichtspunkt, mit höherer Gewissheit eine Wasserstoffleckage
erfassen zu können, kann eine deutliche Wirkung erzielt
werden, indem die Odoriermittel-Hydrierungsposition nahe an einen
Teilbereich gesetzt wird, wo eine Wasserstoffreaktion auftritt,
d. h. nahe an die katalytische Elektrodenschicht in der Brennstoffzelle.
In dieser Hinsicht kann das zweite Ausführungsbeispiel,
bei dem die Hydrierungszelle 130 im Brennstoffzellenstapel 116 integriert
ist, verhindern, dass der Katalysator in der Brennstoffzelle vergiftet
wird, während es mit Hilfe des Odoriermittels für
erhöhte Wasserstoffsicherheit sorgt.
-
In
dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel entspricht
der Brennstoffzellenstapel 116 dem „Brennstoffzellenstapel” gemäß der
dritten Ausgestaltung der Erfindung; der Verteiler 140 entspricht
dem „Verteiler” gemäß der dritten
Ausgestaltung der Erfindung; und die Hydrierungszelle 130 entspricht
der „Hydrierungszelle” gemäß der
dritten Ausgestaltung der Erfindung.
-
Als
Alternative, um die Hydrierungszelle 130 gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel anzuordnen, kann an einem Einlass
des Verteilers 140 ein Hydrierungskatalysator angeordnet
werden. Die obige Gestaltung ermöglicht es, das Odoriermittel
innerhalb der Brennstoffzelle zu hydrieren, und verhindert, dass
der Katalysator in der Brennstoffzelle vergiftet wird, während
durch die Verwendung des Odoriermittels für maximale Wasserstoffsicherheit
gesorgt wird. Die obige Gestaltung wird beispielsweise erreicht, wenn
innerhalb des Verteilers 140 die gleiche Gestaltung wie
die des Hydrierungskatalysators 28 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel positioniert wird.
-
In
dem obigen Fall entspricht der Brennstoffzellenstapel 116 dem „Brennstoffzellenstapel” gemäß der
vierten Ausgestaltung der Erfindung; der Verteiler 140 entspricht
dem „Verteiler” gemäß der vierten
Ausgestaltung der Erfindung; und der im Verteiler 140 angeordnete
Hydrierungskatalysator entspricht dem Aufbau, bei dem „der
Hydrierungskatalysator in dem Verteiler angeordnet ist”.
-
Drittes Ausführungsbeispiel
-
6 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Dieses Diagramm
zeigt die Innengestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel. Wie es bei dem System gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, enthält
das System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
beispielsweise einen Brennstofftank, der Wasserstoff und schwefelloses
Odorier mittel enthält, eine Brennstoffzelle, die durch
Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen erzielt
wird, und ein Spülventil.
-
Das
dritte Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Odoriermittel nicht durch die Hydrierungsvorrichtung gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel hydriert wird, sondern durch
einen später beschriebenen Hydrierungskatalysator, der
in der Brennstoffzelle angeordnet ist. Die folgende Beschreibung
befasst sich nur mit der Innengestaltung der Brennstoffzelle, die
das charakteristische Merkmal des dritten Ausführungsbeispiels
ist, und lässt die Merkmale weg, die die gleichen wie im
ersten Ausführungsbeispiel sind.
-
6 zeigt
die Anodengestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 232 des
Brennstoffzellensystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
Die Einheitsbrennstoffzelle 232 enthält eine Elektrolytmembran 240.
Auf einer Seite der Elektrolytmembran 240 sind eine katalytische
Elektrodenschicht 242, eine Gasdiffusionsschicht 244 und
ein Separator 246 aufgestapelt. Der Separator 246 ist
mit einem Gasströmungsweg 248 versehen.
-
Wie
dies beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Fall
ist, ist der Gasströmungsweg 248 in dem Separator 246 als
eine Nut vorgesehen. Wie sich aus 6 ergibt,
wird Wasserstoff entlang des Gasströmungswegs 248 in
der Richtung der Papierdicke verteilt und über die Gasdiffusionsschicht 244 zur
katalytischen Elektrodenschicht 242 transportiert (siehe
hierzu die Pfeile in 6). Wie in Verbindung mit dem
ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde,
ist ein Ende des Gasströmungswegs 248 über
den Verteiler, die Leitung, den Regler, das Absperrventil und dergleichen
mit dem Brennstofftank verbunden.
-
Der
Gasströmungsweg 248 in dem Separator 246 ist
mit einer katalytischen Hydrierungsschicht 250 überzogen.
Die katalytische Hydrierungsschicht 250 kann ausgebildet
werden, indem man einen leitenden Träger (z. B. Kohlenstoff)
Platin tragen lässt, die sich ergebende Kombination in
eine Paste umwandelt und die Oberfläche des Separators 246 mit der
Paste überzieht.
-
Gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel kommt mit der katalytischen
Hydrierungsschicht 250 ein von dem Brennstofftank zugeführtes
Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel in Kontakt, wenn es
in den Gasströmungsweg 248 strömt. Die
katalytische Hydrierungsschicht 250 hydriert das Odoriermittel,
sodass seine Giftigkeit abnimmt. Dadurch wird verhindert, dass die
katalytische Elektrodenschicht 242 vergiftet wird, und
die Brennstoffzelle kann ungehindert elektrischen Strom erzeugen.
-
Als
eine Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels kann nur
die Innenfläche des Gasströmungswegs 248 mit
der katalytischen Hydrierungsschicht 250 überzogen
werden. Dies erzeugt eine Gestaltung, bei der der Kontakt zwischen
dem Separator 246 in der Gasdiffusionsschicht 244 nicht
mit der katalytischen Hydrierungsschicht 250 versehen werden
kann. Bei diesem Aufbau muss die katalytische Hydrierungsschicht 250 nicht
elektrisch leitend sein, da der Separator 246 und die Gasdiffusionsschicht 244 für
direktes elektrisches Leitvermögen sorgen können.
-
Folglich
kann das Material für den Träger aus einer großen
Anzahl von Optionen gewählt werden, was Metalloxide und
Keramiken wie Titanoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid einschließt,
ohne dass beispielsweise ein Kohlenstoffträger verwendet
werden muss, wie er in Verbindung mit dem dritten Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde. Somit kann der Hydrierungskatalysator ausgebildet
werden, indem die Materialien für die Katalysatorwirkstelle
je nach Bedarf unter Berücksichtigung beispielsweise geringer
Kosten, einer hohen Festigkeit und einer hohen Haltbarkeit aus verschiedenen
Optionen, die Materialien mit geringer Leitfähigkeit und
nicht leitende Materialien einschließen, ausgewählt
werden.
-
Wie
zuvor beschrieben wurde, kann unter dem Gesichtspunkt, mit höherer
Gewissheit eine Wasserstoffleckage zu erfassen, eine deutliche Wirkung
erzielt werden, indem die Odoriermittel-Hydrierungsposition nahe
an einen Teilbereich gesetzt wird, an dem eine Wasserstoffreaktion
stattfindet, d. h. nahe an die katalytische Elektrodenschicht in
der Brennstoffzelle. In dieser Hinsicht kann das dritte Ausführungsbeispiel,
bei dem das Odoriermittel innerhalb der Brennstoffzelle hydriert
wird, verhindern, dass der Katalysator in der Brennstoffzelle vergiftet wird,
während es durch die Verwendung des Odoriermittels für
Wasserstoffsicherheit sorgt.
-
In
dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht die Gasdiffusionsschicht 244 der „Gasdiffusionsschicht” gemäß der
fünften Ausgestaltung der Erfindung; der Separator 246 entspricht
dem „Plattenmaterial” gemäß der
fünften Ausgestaltung der Erfindung; und der Gasströmungsweg 248 entspricht
der „Nut” gemäß der fünften
Ausgestaltung der Erfindung.
-
Des
Weiteren wird in dem dritten Ausführungsbeispiel der Aufbau,
bei dem „die Innenfläche der Nut mit einer Schicht
des Hydrierungskatalysators überzogen ist” durch
die katalytische Hydrierungsschicht 250 realisiert.
-
Viertes Ausführungsbeispiel
-
7 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 332 des
Brennstoffzellensystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt. Wie dies bei dem System gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel der Fall ist, enthält
das System gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
beispielsweise einen Brennstofftank, der Wasserstoff und schwefelloses
Odoriermittel enthält, eine Brennstoffzelle, die durch
Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen erzielt
wird, und ein Spülventil. Die folgende Beschreibung befasst
sich nur mit der anodenseitigen Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 332,
die das charakteristische Merkmal des vierten Ausführungsbeispiels
ist, und lässt die Merkmale weg, die die gleichen wie beim
dritten Ausführungsbeispiel sind.
-
Die
in 7 gezeigte Gestaltung entspricht einem Teilbereich
der Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 232 gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel, die in 6 gezeigt
ist. Die in 7 gezeigte Einheitsbrennstoffzelle 332 enthält
nicht die katalytische Hydrierungsschicht 250, sondern
eine katalytische Hydrierungsschicht 350, die zwischen
dem Separator 246 und einer Gasdiffusionsschicht 244 eingefügt
ist. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
in dieser Hinsicht vom dritten Ausführungsbeispiel. Die
katalytische Hydrierungsschicht 350 kann ausgebildet werden,
indem man einen leitenden Träger (z. B. Kohlenstoff) Platin
tragen lässt, die sich ergebende Kombination in eine Paste
umwandelt und die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 244 mit
der Paste überzieht.
-
Wenn
die obige Gestaltung eingesetzt wird, wird der Wasserstoff über
die katalytische Hydrierungsschicht 350 und die Gasdiffusionsschicht 244 zur
katalytischen Elektrodenschicht 242 transportiert, während
das Odoriermittel durch die katalytische Hydrierungsschicht 350 hydriert
wird, bevor es zur katalytischen Elektrodenschicht 242 transportiert
wird. Sie stellt sicher, dass ein unhydriertes Odoriermittel, das
den Katalysator vergiften würde, die katalytische Elektrodenschicht 242 nicht
erreicht.
-
Wenn
die katalytische Hydrierungsschicht auf der Gasdiffusionsschicht
ausgebildet wird, ist die sich ergebende Oberfläche glatter
als die Oberfläche einer frei liegenden Gasdiffusionsschicht.
Dies ergibt den Vorteil, dass der Kontaktwiderstand zum Separator
abnimmt, sodass der elektrische Widerstand verringert wird. Die
katalytische Hydrierungsschicht kann auch in der Gasdiffusionsschicht
positioniert werden. Und zwar ist es, wenn die Gasdiffusionsschicht
unter Verwendung von Kohlenstofflagen ausgebildet werden soll, möglich,
eine Membran-Elektroden-Einheit, eine Kohlenstofflage, eine katalytische Hydrierungsschicht,
eine zweite Kohlenstofflage und einen Separator in dieser Reihenfolge
aufeinander zu stapeln.
-
In
dem vierten Ausführungsbeispiel entspricht ein Gasverteilungsweg,
der die Gasdiffusionsschicht 244 und den Gasströmungsweg 248 umfasst und
zum (nicht gezeigten) Brennstofftank verläuft, dem „Gasströmungsweg” gemäß der
ersten Ausgestaltung der Erfindung; und die katalytische Hydrierungsschicht 350 entspricht
dem „Hydrierungskatalysator” gemäß der
ersten Ausgestaltung der Erfindung.
-
Auch
dann, wenn die eingesetzte Brennstoffzelle einen anderen Aufbau
als die Brennstoffzelle gemäß dem ersten bis vierten
Ausführungsbeispiel hat, können die Wirkungen
und Vorteile der Erfindung erzielt werden, wenn der Hydrierungskatalysator
innerhalb des Gasverteilungswegs zwischen dem Brennstofftank und
der katalytischen Schicht in der Brennstoffzelle angeordnet wird.
-
Und
zwar kann die Gestaltung, bei der der Hydrierungskatalysator innerhalb
des Gasverteilungswegs positioniert ist, erreicht werden, indem
ein Verfahren verwendet wird, bei dem der Hydrierungskatalysator
als Teil des Gasströmungswegs angeordnet wird oder bei
dem die Innenfläche des Gasströmungswegs mit dem
Hydrierungskatalysator überzogen wird. Daher kann auch
dann, wenn der Gasströmungsweg des eingesetzten Brennstoffzellensystems
beispielsweise Leitungen, Verteiler, Separatoren oder Gasdiffusionsschichten
enthält, die eine andere Form haben, als in den vorstehenden
Ausführungsbeispielen verwendet wurde, die Gestaltung zum
Erzielen der Wirkungen und Vorteile der Erfindung erreicht werden,
wenn der Hydrierungskatalysator in dem Gasströmungsweg
angeordnet wird.
-
Fünftes Ausführungsbeispiel
-
8 ist
ein Diagramm, das die Gestaltung einer Brennstoffzelle 432 gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Die Brennstoffzelle 432 ist so gestaltet, dass wie in dem
Fall der Einheitsbrennstoffzellen gemäß den zuvor
beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsbeispielen
eine Membran-Elektroden-Einheit, eine Gasdiffusionsschicht und eine
mit Nut versehene Stromsammelplatte aufeinander gestapelt sind.
Die folgende Beschreibung befasst sich nur mit der anodenseitigen Gestaltung
der Brennstoffzelle 432, die ein charakteristisches Merkmal
des fünften Ausführungsbeispiels ist.
-
Des
Weiteren wird die Brennstoffzelle gemäß dem fünften
Ausführungsbeispiel in dem gleichen Brennstoffzellensystem
wie dem des dritten Ausführungsbeispiels verwendet. Und
zwar kann ein Brennstoffzellenstapel ausgebildet werden, indem eine
Vielzahl von Brennstoffzellen 432 aufeinander gestapelt
wird, um ein System zu bilden, das wie im Fall des dritten Ausführungsbeispiels
beispielsweise einen Brennstofftank, der ein schwefelloses Odoriermittel
und Wasserstoff enthält, und ein Spülventil enthält.
-
8 zeigt
eine katalytische Elektrodenschicht 442 für die
Anode einer Brennstoffzelle 432. In Wirklichkeit befindet
sich jedoch auf der Papierrückseite der in 8 gezeigten
katalytischen Elektrodenschicht 442 eine (nicht gezeigte)
Elektrolytmembran. Darüber hinaus ist auf der Papiervorderseite
in 8 eine (nicht gezeigte) Gasdiffusionsschicht positioniert
und überlagert die katalytische Elektrodenschicht 442.
Des Weiteren ist auf der Papiervorderseite der Gasdiffusionsschicht
ein Separator mit einer Nut angeordnet, die als Gasströmungsweg
dient.
-
Aus
Erläuterungsgründen zeigt 8 eine den
Gasströmungsweg des Separators darstellende Linie, die
mit der Bezugszahl 448 bezeichnet ist. In der Realität
ist in dem Separator entlang dieser Linie eine Nut mit vorbestimmter
Breite und Tiefe ausgebildet. Zu Beschreibungszwecken wird die mit
der Bezugszahl 448 bezeichnete Linie als Gasströmungsweg 448 beschrieben.
Wie in 8 gezeigt ist, schlängelt sich der Gasströmungsweg 448 gemäß dem
fünften Ausführungsbeispiel in der Ebene der Brennstoffzelle 432.
-
Die
Bezugszahl 440 bezeichnet einen Teil des Verteilers, der
in der Brennstoffzelle gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
angeordnet ist. Der Verteiler 440 ist mit einer Vielzahl
von Einheitsbrennstoffzellen verbunden, die die Brennstoffzelle 432 einschließt. 8 zeigt
nur einen Teilbereich, der mit der Einheitsbrennstoffzelle 432 verbunden
ist. Das stromaufwärtige Ende des Verteilers 440 ist über
eine (nicht gezeigte) Leitung mit dem (nicht gezeigten) Brennstofftank
verbunden. Wenn das System elektrischen Strom erzeugt, führt
es dem Gasströmungsweg 448 über den Verteiler 440 Wasserstoff
von dem (nicht gezeigten) Brennstofftank zu. Der Wasserstoff wird
dann in Richtung der Pfeile auf der den Gasströmungsweg 448 darstellenden
Linie verteilt und in Richtung der katalytischen Elektrodenschicht
zugeführt.
-
In
dem fünften Ausführungsbeispiel ist nahe an der
Verbindung zwischen dem Gasströmungsweg 448 und
dem Verteiler 440 eine katalytische Hydrierungsschicht 450 positioniert.
Das fünfte Ausführungsbeispiel verwendet die katalytische
Hydrierungsschicht 450 anstelle der verschiedenen Hydrierungsmechanismen
gemäß dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel
als Odoriermittel-Hydrierungsmechanismus. Und zwar ist die katalytische
Elektrodenschicht 442, wie in 8 gezeigt
ist, über der gesamten Fläche der (nicht gezeigten)
Elektrolytmembran ausgebildet, die auf der Papierrückseite
positioniert ist, um die katalytische Hydrierungsschicht 450 lokal
am Einlass des Gasströmungswegs 448 auszubilden.
Wenn der Gasverteilungsweg entlang des Gasströmungswegs 448 betrachtet
wird, ist die katalytische Elektrodenschicht 442 stromabwärts
von der katalytischen Hydrierungsschicht 450 positioniert.
-
Die
katalytische Hydrierungsschicht 450 kann ausgebildet werden,
indem als Katalysatorwirkstellenmaterial ein NiMo-Katalysator eingesetzt
wird, Aluminiumoxid als Träger verwendet wird, die Kombination
dieser Substanzen in eine Paste umgewandelt wird und die Oberfläche
der Elektrolytmembran mit der Paste überzogen wird. Dieses
Verfahren kann auf die gleiche Weise wie bei einem herkömmlichen
Verfahren Anwendung finden, bei dem eine katalytische Elektrodenschicht
für eine Brennstoffzelle angefertigt wird, d. h. wie bei
einem Verfahren, bei dem die katalytische Elektrodenschicht 442 durch
Aufbringen von Platin auf Kohlenstoff angefertigt wird.
-
Die
katalytische Hydrierungsschicht 450 ist so angeordnet,
dass sie das Odoriermittel hydriert, um zu verhindern, dass die
katalytische Elektrodenschicht 442 vergiftet wird. Die
katalytische Hydrierungsschicht 450 unterscheidet sich
daher von der katalytischen Elektrodenschicht 442 insofern,
als dass sie keine elektrische Leitfähigkeit haben muss. Folglich
verwendet dieses Ausführungsbeispiel Aluminiumoxid als
Träger. Die katalytische Hydrierungsschicht 450 kann
sich auch von der katalytischen Elektrodenschicht 442 dadurch
unterscheiden, dass sie während einer Reaktion, bei der
Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen getrennt werden, keine
hohe Reaktionsfreudigkeit zeigen muss. Deswegen verwendet dieses
Ausführungsbeispiel einen NiMo-Katalysator als Katalysatorwirkstellenmaterial.
-
Wenn
das System den Einheitsbrennstoffzellen 432 zu Stromerzeugungszwecken
ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel zuführt, wird
das Odoriermittel, das in dem Gas enthalten ist, das in den Gasströmungsweg 448 strömt,
von der katalytischen Hydrierungsschicht 450 hydriert.
Dadurch kann verhindert werden, dass die katalytische Elektrodenschicht 442 vergiftet
wird, und in der katalytischen Elektrodenschicht 442 kann
ungehindert eine Stromerzeugungsreaktion stattfinden.
-
In
dem fünften Ausführungsbeispiel entspricht der
(nicht gezeigte) Separator dem „Gasverteilungselement” gemäß der
sechsten Ausgestaltung der Erfindung; die Verbindung zwischen dem
Gasströmungsweg 448 und dem Verteiler 440 entspricht dem „Gaseinlass” gemäß der
sechsten Ausgestaltung der Erfindung; der Gasströmungsweg 448 entspricht
dem „Gasströmungsweg” gemäß der
sechsten Ausgestaltung der Erfindung; die katalytische Hydrierungsschicht 440 entspricht
dem „ersten Teilbereich” gemäß der
sechsten Ausgestaltung der Erfindung; und die katalytische Elektrodenschicht 442 entspricht
dem „zweiten Teilbereich” gemäß der sechsten
Ausgestaltung der Erfindung.
-
9 zeigt
eine Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels.
Eine in 9 gezeigte Einheitsbrennstoffzelle 532 unterscheidet
sich von der in 8 gezeigten Einheitsbrennstoffzelle 432 dadurch,
dass sie eine (nicht gezeigte) poröse Schicht enthält,
die aus einem leitenden Material besteht und zwischen einer Stromsammelplatte
und einer Membran-Elektroden-Einheit positioniert ist, und die poröse Schicht
als einen Gasströmungsweg verwendet. In der porösen
Schicht ist eine große Anzahl durchgängiger Poren
ausgebildet, sodass das Gas über die Poren verteilt werden
kann.
-
Wenn
die poröse Schicht als Gasströmungsweg verwendet
wird, strömt das Gas radial aus dem Gaseinlass, wie durch
die Pfeile in 9 angegeben ist. Auch dann,
wenn die eingesetzten Einheitsbrennstoffzellen die oben beschriebene
poröse Schicht enthalten, wirkt die Hydrierungsfunktion
der katalytischen Hydrierungsschicht 450 so, dass verhindert wird,
dass der Katalysator durch das Odoriermittel vergiftet wird. Die
Technologie zum Einsatz der porösen Schicht als Gasströmungsweg
wird nicht ausführlich beschrieben, da sie öffentlich
bekannt ist.
-
Wie
zuvor beschrieben wurde, muss die katalytische Hydrierungsschicht 450 nicht
immer elektrisch leitend sein. Darüber hinaus muss die
katalytische Hydrierungsschicht 450 nicht unbedingt wie
die katalytische Elektrodenschicht 442 bei der Erzeugung
von Protonen aus Wasserstoff aktiv sein. Daher ist es nicht immer
notwendig, als Katalysatorwirkstellenmaterial Platin oder ein anderes
teures Edelmetall zu verwenden. Dadurch ist es möglich,
die Materialien für den Katalysator und Träger
aus einer großen Anzahl von Optionen zu wählen,
zu denen Metalloxide und Keramiken wie Titanoxid, Aluminiumoxid
und Siliziumoxid gehören. Mit anderen Worten kann der Hydrierungskatalysator
ausgebildet werden, indem die Materialien für die Katalysatorwirkstelle
und den Träger je nach Bedarf aus verschiedenen Optionen, die
Materialien mit geringer Leitfähigkeit oder nicht leitfähige
Materialien einschließen, ausgewählt werden, um
Kosten-, Festigkeits- und Haltbarkeitsvorgaben zu erfüllen.
-
Es
sollte erwähnt werden, dass sämtliche der in den
oben beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsbeispielen
präsentierten Ideen bei einem einzigen System Anwendung
finden können. Und zwar ist eine Alternative, die Hydrierungsvorrichtung 14 und die
Hydrierungszelle 130 in der Mitte des Gasverteilungswegs
zwischen dem Brennstofftank und der Brennstoffzelle anzuordnen und
die katalytischen Hydrierungsschichten 250, 350 (oder 450)
in die Brennstoffzelle einzubinden. Eine andere Alternative ist, gezielt
eine oder mehrere der im ersten bis fünften Ausführungsbeispiel
präsentierten Ideen zu nutzen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Ziel
ist es, ein Brennstoffzellensystem (10) zur Verfügung
zu stellen, das mit Hilfe einer einfachen Gestaltung ein Odoriermittel
beseitigen kann und erhöhte Wasserstoffsicherheit gewährleistet. Zwischen
einem Brennstofftank (12) und einer Brennstoffzelle (16)
ist eine Hydrierungsvorrichtung (14) positioniert. Die
Hydrierungsvorrichtung (14) enthält einen Hydrierungskatalysator
zum Hydrieren des Odoriermittels.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2004-134272
A [0002, 0004, 0039, 0058]
- - JP 2005-203108 A [0004]
- - JP 2004-111167 A [0004]