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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem
aus mehreren Zellen zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel bzw.
-Paket, auch als „stack” bezeichnet. Im Einzelnen
betrifft sie ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Brennstoffgas
arbeitet, das von jeder Zelle für die elektrische Stromerzeugung
verwendet wird und welches wirksam in einem Brennstoffzellenstapel
bzw. -Paket eingeschlossen ist.
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Stand der Technik
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Wie
zum Beispiel in den unten aufgeführten Patentdokumenten
offenbart wird, sind Brennstoffzellensysteme bekannt, die mit dem
in dem Brennstoffzellenpaket eingeschlossenen Brennstoffgas arbeiten
und eine Menge an Brennstoffgas zuführen, um den Verbrauch
für die Erzeugung von elektrischem Strom zu kompensieren
(im Allgemeinen wird ein solches System als „dead-end”-System
oder Blindverschluss-System bezeichnet). Im Betrieb werden Stickstoff
und andere Verunreinigungen in dem nachfolgend als Anodengasdurchgang
bezeichneten Anodengaskanal bzw. -korridor jeder Zelle des Brennstoffzellenpakets
des „dead-end”-Systems angesammelt. Wenn die Verunreinigungen
die Oberfläche der sogenannten MEA, d. h. der Membran-Elektroden-Baugruppe
(Membrane Electrode Assembly, MEA) bedecken, wird die elektromotorische
Reaktion auf dem Elektrodenkatalysator behindert, was zu einem Spannungsabfall
führt. Ferner kann abnormales Potenzial auftreten und Zerstörung
der MEA verursachen. Um solche Probleme zu vermeiden und angemessene
Leistung des Brennstoffzellenpakets aufrechtzuerhalten, müssen
die in den Anodengasdurchgängen angesammelten Verunreinigungen
zu geeigneten Zeiten zur Außenseite des Brennstoffzellenpakets
abgelassen werden.
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Jedoch
bringt das Ablassen der Verunreinigungen aus den Anodengasdurchgängen
ein Ablassen des Brennstoffgases aus den Anodengasdurchgängen
mit sich. Daher führt häufiges Ablassen zu schlechter
Brennstoffeffizienz und ist deshalb unerwünscht. Wenn die
Verunreinigungen abgelassen werden, nachdem die Ansammlung einer
angemessenen Menge an Verunreinigungen abgewartet wurde, kann die
Verschwendung oder der Verbrauch von Brennstoffgas verringert werden.
Das bedeutet, dass, obwohl die Ansammlung von Verunreinigungen unerwünscht
ist, um eine angemessene Leistung des Brennstoffzellenpakets aufrechtzuerhalten,
die Frequenz des Ablassens gleichwohl möglichst gering gehalten
werden soll, um die Brennstoffeffizienz zu verbessern.
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Das
unten angeführte Patentdokument 1 beschreibt ein System,
das die beiden sich widersprechenden Erfordernisse erfüllt,
das heißt, die Verschlechterung der Leistung des Brennstoffzellenpakets
aufgrund der Ansammlung von Verunreinigungen vermeidet und die Brennstoffeffizienz
durch Verringerung des Ablassens von Brennstoffgas verbessert. Das
in dem Patentdokument 1 beschriebene System hat einen Speicher-
bzw. Lagerbehälter (Pufferspeicher) zum Speichern bzw.
Lagern von Verunreinigungen, der in einer Ablassleitung zum Ablassen des
Abgases des Brennstoffgases aus dem Brennstoffzellenpaket angeordnet
ist, und ein Sperrventil, das in Strömungsrichtung unterhalb,
d. h. stromab des Lagerbehälters angeordnet ist. Indem
man die Verunreinigungen im Brennstoffgas zu dem Lagerbehälter
führt, der außerhalb des Brennstoffzellenpakets
angeordnet ist, kann eine Erhöhung der Konzentration von
Verunreinigungen in den Anodengasdurchgängen verhindert
werden, wobei die Frequenz des Ablassens durch Öffnen des
Sperrventils kann verringert werden kann.
- Patentdokument
1: Japanische Offenlegungsschrift Nr.
2005-243477
- Patentdokument 2: Japanische
Offenlegungsschrift Nr. 2006-12553
- Patentdokument 3: Japanische
Offenlegungsschrift Nr. 2005-353569
- Patentdokument 4: Japanische
Offenlegungsschrift Nr. 2005-353303
- Patentdokument 5: Japanische
Offenlegungsschrift Nr. Hei9-312167
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Offenbarung der Erfindung
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Jedoch
benötigt das in dem Patentdokument 1 beschriebene System
einen Raum für den Speicher- bzw. Lagerbehälter,
der von dem Brennstoffzellenpaket getrennt ist. Wenn man in Betracht
zieht, dass das Brennstoffzellensystem als Energiequelle für
einen beweglichen Körper, wie z. B. ein Automobil, verwendet
wird, sollte das Brennstoffzellensystem vorzugsweise möglichst
einfach im Aufbau und kompakt in der Größe gehalten
sein.
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Die
vorliegende Erfindung wurde ersonnen, um die oben beschriebenen
Probleme zu lösen; eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein einfaches und kompaktes Brennstoffzellensystem
zu schaffen, das die Verschlechterung der Leistung eines Brennstoffzellenpakets
aufgrund der Ansammlung von Verunreinigungen vermeidet und die Brennstoffeffizienz
verbessert, indem es das Ablassen von Brennstoffgas reduziert.
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Um
die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, wird nach einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem
geschaffen, das ein Brennstoffzellenpaket mit einer Mehrzahl von Zellen
aufweist und mit Brennstoffgas arbeitet, das von jeder Zelle für
die Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird und das wirksam
in dem Brennstoffzellenpaket eingeschlossen ist, wobei das System
dadurch gekennzeichnet ist, dass das Brennstoffzellensystem einen
Verunreinigungsspeicher- bzw. -lagerabschnitt zum Speichern bzw.
Lagern von Verunreinigungen in dem Brennstoffgas aufweist, der in
dem Brennstoffzellenpaket ausgebildet ist und mit einem Auslass
eines Anodengasdurchgangs einer jeden Zelle kommuniziert bzw. in
Verbindung steht.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat bei dem ersten Aspekt
der vorliegenden Erfindung das Brennstoffzellensystem einen Kommunizierungsmechanismus,
der es dem Verunreinigungslagerabschnitt ermöglicht, mit
der Außenseite des Brennstoffzellenpakets zu kommunizieren bzw.
in Strömungsverbindung zu treten.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei dem ersten oder
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung in dem Brennstoffzellenpaket
eine Brennstoffgaseinlassverteilerleitung bzw. ein Brennstoffgaseinlassverteiler
zur Verteilung von von der Außenseite des Brennstoffzellenpakets
zugeführtem Brennstoffgas zu den Anodengasdurchgängen
der Zellen ausgebildet, wobei das Volumen des Verunreinigungslagerabschnitts
größer ist als das Volumen des Brennstoffgaseinlassverteilers.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind bei dem dritten Aspekt
der vorliegenden Erfindung in dem Brennstoffzellenpaket ein Lufteinlassverteiler
zur Verteilung von von der Außenseite des Brennstoffzellenpakets
zugeführter Luft zu den Kathodengasdurchgängen
der Zellen und ein Luftauslassverteiler zum Ablassen von von den
Kathodengasdurchgängen der Zellen gesammelter Luft zu der
Außenseite des Brennstoffzellenpakets ausgebildet, wobei
das Volumen des Verunreinigungslagerabschnitts größer
ist als die Summe der Volumina von Brennstoffgaseinlassverteiler,
Lufteinlassverteiler und Luftauslassverteiler.
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Gemäß einem
fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung sind bei dem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung im Brennstoffzellenpaket
ein Kühlmitteleinlassverteiler zum Verteilen eines von
der Außenseite des Brennstoffzellenpakets zugeführten Kühlmittels
zu Kühlmitteldurchgängen der Zellen und ein Kühlmittelauslassverteiler
zum Ablassen des von den Kühlmitteldurchgängen
der Zellen gesammelten Kühlmittels zu der Außenseite
des Brennstoffzellenpakets ausgebildet, wobei das Volumen des Verunreinigungslagerabschnitts
größer ist als die Summe der Volumina von Brennstoffgaseinlassverteiler,
Lufteinlassverteiler, Luftauslassverteiler, Kühlmitteleinlassverteiler
und Kühlmittelauslassverteiler.
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Gemäß einem
sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem der dritten
bis fünften Aspekte der vorliegenden Erfindung in einem
Verbindungsteil, das den Brennstoffgaseinlassverteiler und den jeweiligen
Anodengasdurchgang jeder Zelle verbindet, eine Drossel ausgebildet
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Da
gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung
die Verunreinigungen im Brennstoffgas zu dem im Brennstoffzellenpaket
ausgebildeten Verunreinigungslagerabschnitt geleitet werden, wird vermieden,
dass sich die Konzentration an Verunreinigungen in den Anodengasdurchgängen
erhöht. Im Ergebnis kann die Frequenz des Ablassens des
Abgases des Brennstoffgases aus dem Brennstoffzellenpaket verringert
werden, und die Verschwendung oder der Verbrauch des Brennstoffgases
kann reduziert werden. Ferner wird ein getrennter Brennstoffgasauslassverteiler
zum Sammeln von Anodenabgas von den Auslässen der Anodengasdurchgänge der
Zellen und zum Leiten von Anodenabgas zu dem Verunreinigungslagerabschnitt
unnötig. Daher kann das gesamte System einfach im Aufbau
und kompakt in der Größe sein.
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Da
gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung
der Verunreinigungslagerabschnitt mit der Außenseite des
Brennstoffzellenpakets in Verbindung steht, können die
in dem Verunreinigungslagerabschnitt gesammelten Verunreinigungen zur
Außenseite des Verunreinigungslagerabschnitts abgegeben
bzw. abgelassen werden.
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Da
gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung
das Volumen des Verunreinigungslagerabschnitts größer
ist als das Volumen des Brennstoffgaseinlassverteilers, kann eine
große Menge an Verunreinigungen in dem Verunreinigungslagerabschnitt
gelagert werden, wodurch die Frequenz des Ablassens entsprechend
verringert werden kann.
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Da
gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung
das Volumen des Verunreinigungslagerabschnitts größer
ist als die Summe der Volumina von Brennstoffgaseinlassverteiler,
Lufteinlassverteiler und Luftauslassverteiler, kann eine größere
Menge an Verunreinigungen in dem Verunreinigungslagerabschnitt gelagert
werden und die Frequenz des Ablassens kann weiter verringert werden.
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Da
gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden
Erfindung das Volumen des Verunreinigungslagerabschnitts größer
ist als die Summe der Volumina von Brennstoffgaseinlassverteiler,
Lufteinlassverteiler, Luftauslassverteiler, Kühlmitteleinlassverteiler und
Kühlmittelauslassverteiler, kann eine größere Menge
an Verunreinigungen in dem Verunreinigungslagerabschnitt gelagert
werden, und die Frequenz des Ablassens kann wesentlich weiter reduziert
werden.
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Da
gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung
eine Drossel in einem Verbindungsteil gebildet ist, das den Brennstoffgaseinlassverteiler
und den jeweiligen Anodengasdurchgang jeder Zelle verbindet, kann
in dem Verbindungsteil ein Druckverlust bzw. -abfall erzeugt werden,
der größer ist als der Druckabfall, der in den
Anodengasdurchgängen auftritt. Im Ergebnis kann der Unterschied
im Auslassdruck unter den Anodengasdurchgängen der Zellen
reduziert werden und ein durch den Unterschied im Auslassdruck verursachtes
Zurückfließen von Verunreinigungen von dem Verunreinigungslagerabschnitt
in die Anodengasdurchgänge, kann verhindert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1,
die einen inneren Aufbau einer Zelle und das in der Zelle auftretende
Phänomen zeigt.
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Beste Art der Ausführung
der Erfindung
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
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1 ist
ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem besitzt einen Brennstoffzellenstapel
(sogenanntes „stack”) bzw. ein Brennstoffzellenpaket 2 zur
Erzeugung von elektrischem Strom und versorgt einen elektrischen
Verbraucher, wie z. B. einen Motor, mit elektrischem Strom. Das
Brennstoffzellenpaket 2 ist aus einer Mehrzahl (Vielzahl)
von Zellen 20 zusammengesetzt, und die Zellen 20 sind
elektrisch miteinander in Serie verbunden. Nicht gezeigt wird, dass
jede Zelle 20 eine Membran-Elektroden-Baugruppe (Membrane Electrode
Assembly, MEA) besitzt, die zwischen einem Paar von Stromkollektoren eingefügt
ist. Die MEA ist eine Kombination aus einer Feststoff-Polymer-Eelektrolytmembran,
Katalysatorelektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten
der Elektrolytmembran ausgebildet sind, und Gasdiffusionsschichten, wie
z. B. einer Kohlenstofffolie bzw. einem Kohlenstoffblatt, das auf
beiden Katalysatorelektroden gebildet ist. Die Stromkollektoren
dienen als Separator zwischen zwei benachbarten MEAs. Jede Zelle 20 erzeugt
elektrischen Strom, indem Brennstoffgas (zum Beispiel Wasserstoff)
verwendet wird, das zu ihrer Anode geleitet wird, und Luft, die
zu ihrer Kathode geleitet wird.
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Eine
Brennstoffgasversorgungsleitung 6 zur Zuleitung von Brennstoffgas
aus einer Brennstoffgasversorgungsquelle 4, wie z. B. einem
Hochdruckwasserstofftank, zu dem Brennstoffzellenpaket 2 ist
an das Brennstoffzellenpaket 2 angeschlossen. Das dem Brennstoffzellenpaket 2 zugeführte
te Gas wird durch einen Brennstoffgaseinlassverteiler 26 in
dem Brennstoffzellenpaket 2 zu Anodengasdurchgängen der
Zellen 20 verteilt und in den MEAs verbraucht, die Abschnitte
zur Erzeugung von elektrischem Strom sind.
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In
dem Brennstoffzellenpaket 2 ist ein Brennstoffgasauslassverteiler 30 ausgebildet,
der mit den Auslässen der Anodengasdurchgänge
der Zellen 20 in Verbindung steht. Wenn das Brennstoffzellenpaket 2 elektrischen
Strom erzeugt, wird eine Menge an Brennstoffgas durch den Brennstoffgaseinlassverteiler 26 geleitet,
um den Verbrauch zur elektrischen Stromerzeugung zu kompensieren,
wodurch in den Anodengasdurchgängen eine Brennstoffgas-Strömung
auftritt. Die Strömung bzw. der Strom von Brennstoffgas
erzeugt in den Anodengasdurchgängen eine Verunreinigung
(Stickstoff, der durch von der Kathodenseite durch die Feststoff-Polymer-Elektrolytmembranen
gegangen ist) und sammelt sich in dem Brennstoffgasauslassverteiler 30 in
Strömungsrichtung unterhalb, d. h. stromab der Anodengasdurchgänge
an. Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffgasauslassverteiler 30 als
Verunreinigungslagerabschnitt zur Lagerung von Verunreinigungen
im Brennstoffgas dient.
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Eine
Auslassleitung bzw. ein Auslassrohr 8, das mit dem Brennstoffzellenpaket 2 verbunden
ist, steht mit dem Brennstoffgasauslassverteiler 30 in Verbindung.
Das Auslassrohr 8 hat ein Auslassventil 10, das
den Strömungspfad bzw. den Weg, der den Brennstoffgasauslassverteiler 30 und
die Außenseite des Systems verbindet, öffnet und
schließt. Das Auslassventil 10 wird unter der
Steuerung eines Steuergeräts 14 geöffnet
und geschlossen. Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser
Ausführungsform arbeitet mit dem Brennstoffgas, das in
dem Brennstoffzellenpaket 2 eingeschlossen ist. Mit anderen
Worten ist das Brennstoffzellensystem ein „dead-end”-System. Daher
hält das Steuergerät 14 das Auslassventil 10 während
normaler elektrischer Stromerzeugung geschlossen und öffnet
das Auslassventil 10 nur für eine extrem kurze
Zeit, wenn eine vorbestimmte Spülungsbedingung bzw. Bedingung
zum Spülen erfüllt ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Bedingung zum Spülen, dass die Wasserstoffkonzentration
im Brennstoffgasauslassverteiler 30 niedriger ist als ein vorbestimmter
Referenzwert. Die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffgasauslassverteiler 30 wird mit
einem Wasserstoffkonzentrations-Messfühler 12 für
die gemessen, der an dem Brennstoffzellenpaket 2 angebracht
ist.
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Gemäß 1 ist
der Brennstoffgasauslassverteiler 30 deutlich größer
als der Brennstoffgaseinlassverteiler 26. Das bedeutet,
dass der Brennstoffgasauslassverteiler 30 des Brennstoffzellensystems gemäß dieser
Ausführungsform ein deutlich größeres
Volumen hat als der Brennstoffgaseinlassverteiler 26. Beim „dead-end”-System,
wie z. B. dem System gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
ist es nur nötig, dass dem Brennstoffzellenpaket 2 eine
Menge an Brennstoffgas zum Ausgleich des Verbrauchs im Brennstoffzellenpaket 2 zugeführt
wird. Daher kann im Vergleich mit einem System vom Zirkulationstyp, in
welchem das Brennstoffgas zirkuliert, das Volumen des Brennstoffgaseinlassverteilers 26,
insbesondere seine Querschnittsfläche, verringert werden.
Bei dieser Ausführungsform wird die Querschnittsfläche
des Brennstoffgasauslassverteilers 30 um die Verringerung
der Querschnittsfläche des Brennstoffgaseinlassverteilers 26 erhöht.
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2 ist
ein Querschnitt entlang der Linie A-A in 1 und zeigt
den Aufbau einer Zelle 20, die das Brennstoffzellenpaket 2 bildet,
und im Einzelnen den Aufbau eines Separators (Stromkollektors) 24. Wie
oben beschrieben, hat die Zelle ein Paar Separatoren 24 und
eine dazwischen eingefügte MEA. Der Separator 24 hat
einen Anodengasdurchgang 22 in einem Bereich, der mit der
Anodenoberfläche der MEA in Kontakt ist. Bezüglich
Form Konfiguration bzw. Aufbau des Anodengasdurchgangs 22 bestehen
keine bestimmten Einschränkungen. Zum Beispiel kann eine
in der Oberfläche des Separators 24 ausgebildet
Rinne oder Nut als Anodengaskorridor bzw. – durchgang 22 verwendet
werden. Alternativ kann eine poröse Schicht aus leitfähigem
Material ausgebildet werden, wobei die miteinander kommunizierenden
Poren in der porösen Schicht als Anodengasdurchgang 22 verwendet
werden können.
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Der
Anodengasdurchgang 22 ist im Mittelteil des Separators 24 angeordnet,
und eine Mehrzahl von Öffnungen 26, 30, 32, 34, 36 und 38 sind
am Rand des Separators 24 ausgebildet und umgeben den Anodengasdurchgang 22.
Eine der Öffnungen ist der oben beschriebene Brennstoffgaseinlassverteiler 26 und
eine andere ist der Brennstoffgasauslassverteiler 30. Der
Brennstoffgaseinlassverteiler 26 steht in Strömungsverbindung
mit dem Einlass des Anodengasdurchgangs 22 und der Brennstoffgasauslassverteiler 30 steht
in Verbindung mit dem Auslass des Anodengasdurchgangs 22.
Die anderen Öffnungen sind ein Lufteinlassverteiler 32,
ein Luftauslassverteiler 34, ein Kühlmitteleinlassverteiler 26 und
ein Kühlmittelauslassverteiler 38.
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Wie
in 2 gezeigt, besitzt der Brennstoffgasauslassverteiler 30 eine
Querschnittsfläche (Öffnungsfläche) bzw.
lichte Weite, die beträchtlich größer
ist als diejenige der anderen Verteiler 26, 32, 34, 36 und 38.
Insbesondere ist die Querschnittsfläche des Brennstoffgasauslassverteilers 30 größer
als die Summe der Querschnittsflächen der anderen Verteiler 26, 32, 34, 36 und 38.
Da die Querschnittsfläche jedes Verteilers sich nicht in
Stapelrichtung der Zellen 20 ändert, wenn jeder
Verteiler die in 2 gezeigte Form besitzt, hat
der Brennstoffgasauslassverteiler 30 ein Volumen, das größer
ist als die Summe der Volumina der anderen Verteiler 26, 32, 34, 36 und 38.
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Das
große Volumen des Brennstoffgasauslassverteilers 30 ergibt
ein großes Totvolumen zwischen dem Auslass des Anodengasdurchgangs 22 und
dem Auslassventil 10. Deshalb kann die in dem Anodengasdurchgang 22 erzeugte Verunreinigung
in dem Brennstoffgas in das Totvolumen geführt und dort
gelagert werden, wodurch sich die Erhöhung der Konzentration
der Verunreinigung im Anodengasdurchgang 22 verringert.
Alternativ kann das Brennstoffzellenpaket 2 mit einem externen
Lagerbehälter versehen werden, um das Totvolumen bereit
zu stellen. Jedoch steigt in diesem Fall die Anzahl der Komponenten
und es muss eine Fläche bzw. Raum für den Lagerbehälter
vorgesehen werden. Wenn dagegen – wie bei dieser Ausführungsform – das
Totvolumen zur Lagerung der Verunreinigung im Brennstoffzellenpaket 2 vorgesehen
wird, braucht das Brennstoffzellenpaket 2 keinen Extraraum
zur Lagerung der Verunreinigung. Daher kann das gesamte System einfach
im Aufbau und kompakt in der Größe sein.
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Wenn
die Erhöhung der Konzentration der Verunreinigung im Anodengasdurchgang 22 reduziert
wird, verringert sich die Frequenz des Ablassens des Abgases des
Brennstoffgases aus dem Brennstoffzellenpaket 2. Bei dieser
Ausführungsform wird das Auslassventil 10 geöffnet,
wenn die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffgasauslassverteiler 30 niedriger
wird als der Referenzwert. Da jedoch der Brennstoffgasauslassverteiler 30 ein
großes Volumen hat, dauert es lang, bis sich die Verunreinigung im
Brennstoffgasauslassverteiler 30 ansammelt und bis die
Wasserstoffkonzentration auf den Referenzwert abnimmt. Daher verringert
sich die Frequenz des Öffnens des Auslassventils 10 zum
Spülen, und der Verbrauch oder die Verschwendung des Brennstoffgases
wird entsprechend eingedämmt.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform
ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass im Verbindungsteil, das
den Brennstoffgaseinlassverteiler 26 und den Anodengasdurchgang 22 strömungsmäßig
verbindet, eine Drossel 28 ausgebildet ist. Wegen der Drossel 28 tritt
ein Druckabfall bzw. -verlust auf, wenn das Brennstoffgas vom Brennstoffgaseinlassverteiler 26 in
den Anodengasdurchgang 22 strömt. Die Größe
des Druckverlusts kann über den Durchmesser der Drossel 28 eingestellt
werden. Bei dieser Ausführungsform hat die Drossel 28 einen
Durchmesser, der es ermöglicht, dass der an der Drossel 28 auftretende
Druckverlust wenigstens zehnmal größer ist als
der Druckverlust, der in dem Anodengasdurchgang 22 auftritt.
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Das
Maß an Druckverlust, der im Anodengasdurchgang 22 auftritt, ändert
sich mit der Zelle 20, und der Druck am Auslass des Anodengasdurchgangs 22 ändert
sich auch mit der Zelle 20 entsprechend der Änderung
des Druckverlusts. Wenn die Anodengasdurchgänge 22 verschiedene
Auslassdrücke haben, kann die Verunreinigung vom Brennstoffgasauslassverteiler 30 in
einen Anodengasdurchgang 22 zurückfließen,
der einen niedrigen Auslassdruck hat. Wenn jedoch die Drossel 28 am Einlass
jedes Anodengasdurchgangs 22 einen großen Druckverlust
erzeugt, wie bei dieser Ausführungsform, verringert sich
die Differenz im Auslassdruck unter den Anodengasdurchgängen 22 aufgrund
der Differenz im Druckverlust unter den Anodengasdurchgängen 22,
und das Zurückfließen der Verunreinigung vom Brennstoffgasauslassverteiler 30 in
die Anodengasdurchgänge 22 aufgrund des Unterschieds
im Auslassdruck kann vermieden werden.
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Vorstehend
wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben;
die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt, und es können im Rahmen der vorliegenden
Erfindung verschiedene Abänderungen vorgenommen werden.
Zum Beispiel sind die folgenden Änderungen möglich.
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Das
Volumen des Brennstoffgasauslassverteilers muss wenigstens größer
als das Volumen des Brennstoffgaseinlassverteilers sein. Jedoch
ist vorzugsweise das Volumen des Brennstoffgasauslassverteilers
größer als die Summe der Volumina von Brennstoffgaseinlassverteiler,
Lufteinlassverteiler und Luftauslassverteiler. Besonders bevorzugt
ist, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, das
Volumen des Brennstoffgasauslassverteilers größer
als die Summe der Volumina von allen anderen Verteilern.
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Während
bei der oben beschriebenen Ausführungsform das große
Volumen des Brennstoffgasauslassverteilers als Verunreinigungslagerabschnitt verwendet
wird, kann auch jeder andere Raum, der im Brennstoffzellenpaket
gebildet wird und mit den Auslässen der Anodengasdurchgänge
der Zellen in Verbindung steht, als Verunreinigungslagerabschnitt verwendet
werden. In diesem Fall kann der Raum mit den Auslässen
der Anodengasdurchgänge direkt oder über den Brennstoffgasauslassverteiler
verbunden sein.
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Während
die grundsätzliche Betriebsweise, also der Basisbetrieb
des Brennstoffzellensystems der „dead-end”-Betrieb
ist, bei dem in der oben beschriebenen Ausführungsform
das Auslassventil vollständig geschlossen ist, kann der
Basisbetrieb auch ein Betrieb mit kontinuierlicher kleiner Abgabe
sein, bei dem das Auslassventil geringfügig geöffnet
ist. Bei dem Betrieb mit kontinuierlicher kleiner Abgabe ist das
Brennstoffgas im Brennstoffzellenpaket – wie bei dem „dead-end”-Betrieb – während
des Betriebs im Wesentlichen eingeschlossen, und die Öffnung des
Auslassventils wird so eingestellt, dass die Menge des zu der Außenseite
des Systems abgelassenen Abgases extrem kleiner ist als der Verbrauch
von Brennstoffgas im Brennstoffzellenpaket. Bei dem Betrieb mit
kontinuierlicher kleiner Entladung kann die in dem Brennstoffgasauslassverteiler
gespeicherte Verunreinigung nach und nach zur Außenseite
des Systems abgegeben bzw. abgelassen werden, so dass die Verunreinigung
weiterhin von den Anodengasdurchgängen zu dem Brennstoffgasauslassverteiler strömen
kann. Deshalb kann die Konzentration an Verunreinigung in den Anodengasdurchgängen
auf niedrigem Niveau gehalten werden.
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Zusammenfassung
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Es
wird ein einfaches und kompaktes Brennstoffzellensystem beschrieben,
das die Verschlechterung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels („stack”)
aufgrund der Ansammlung von Verunreinigungen verhindert und die
Brennstoffeffizienz durch Verringerung des Ablassens von Brennstoffgas
verbessert.
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Ein
Verunreinigungslspeicherabschnitt 30, der mit einem Auslass
eines Anodengasdurchgangs jeder Zelle 20 in Verbindung
steht und Verunreinigungen in einem Brennstoffgas speichert, wird
in einem Brennstoffzellenstapel 2 ausgebildet. Das Volumen des
Verunreinigungsspeicherabschnitts 30 ist vorzugsweise größer
als das Volumen eines Brennstoffgaseinlassverteilers 26.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005-243477 [0004]
- - JP 2006-12553 [0004]
- - JP 2005-353569 [0004]
- - JP 2005-353303 [0004]
- - JP 9-312167 [0004]