DE112008001434T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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DE112008001434T5
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Sho Toyota-shi Usami
Tomohiro Toyota-shi Ogawa
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Mehrzahl von Zellen (20) aufweist und mit einem Brennstoffgas arbeitet, das von jeder Zelle (20) zur elektrischen Stromerzeugung verwendet wird und wirksam im Brennstoffzellenstapel (2) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zur Speicherung einer im Brennstoffzellenstapel gebildeten Verunreinigung im Brennstoffgas einen Verunreinigungsspeicherabschnitt (30) ausbildet, der mit einem Auslass eines Anodengaskorridors (22) jeder Zelle (20) in Verbindung steht.

Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Offenbarung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 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.
  • Beste Art der Ausführung der Erfindung
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.
  • 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.
  • 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 2005-243477 [0004]
    • - JP 2006-12553 [0004]
    • - JP 2005-353569 [0004]
    • - JP 2005-353303 [0004]
    • - JP 9-312167 [0004]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Mehrzahl von Zellen (20) aufweist und mit einem Brennstoffgas arbeitet, das von jeder Zelle (20) zur elektrischen Stromerzeugung verwendet wird und wirksam im Brennstoffzellenstapel (2) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zur Speicherung einer im Brennstoffzellenstapel gebildeten Verunreinigung im Brennstoffgas einen Verunreinigungsspeicherabschnitt (30) ausbildet, der mit einem Auslass eines Anodengaskorridors (22) jeder Zelle (20) in Verbindung steht.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem einen Kommunizierungsmechanismus (10) besitzt, der es dem Verunreinigungsspeicherabschnitt (30) ermöglicht, mit der Außenseite des Brennstoffzellenstapels (2) zu kommunizieren
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellenstapel (2) ein Brennstoffgaseinlassverteiler (26) zur Verteilung des von der Außenseite des Brennstoffzellenstapels (2) zugeführten Brennstoffgases zu den Anodengaskorridoren (22) der Zellen (20) ausgebildet ist, wobei das Volumen des Verunreinigungsspeicherabschnitts (30) größer ist als das Volumen des Brennstoffgaseinlassverteilers (26).
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellenstapel (2) ein Lufteinlassverteiler (32) zur Verteilung von von der Außenseite des Brennstoffzellenstapels (2) zugeführter Luft zu Kathodengaskorridoren der Zelle (20) und ein Luftauslassverteiler (34) zum Ablassen bzw. Abgeben von von den Kathodengaskorridoren der Zellen (20) gesammelter Luft zu der Außenseite des Brennstoffzellenstapels (2) ausgebildet sind, wobei das Volumen des Verunreinigungsspeicherabschnitts (30) größer ist als die Summe der Volumina des Brennstoffgaseinlassverteilers (26), des Lufteinlassverteilers (32) und des Luftauslassverteilers (34).
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellenstapel (2) ein Kühlmitteleinlassverteiler (36) zur Verteilung eines von der Außenseite des Brennstoffzellenstapels (2) zugeführten Kühlmittels zu Kühlmittelkorridoren der Zellen (20) und ein Kühlmittelauslassverteiler (38) zum Ablassen des von den Kühlmitteldurchgängen der Zellen (20) gesammelten Kühlmittels zu der Außenseite des Brennstoffzellenstapels (2) ausgebildet sind, wobei das Volumen des Verunreinigungsspeicherabschnitts (30) größer ist als die Summe der Volumina des Brennstoffgaseinlassverteilers (26), des Lufteinlassverteilers (32), des Luftauslassverteilers (34), des Kühlmitteleinlassverteilers (36) und des Kühlmittelauslassverteilers (38).
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Strömungsverbindungsteil, das den Brennstoffgaseinlassverteiler (26) und den jeweiligen Anodengaskorridor (22) jeder Zelle (20) verbindet, eine Drossel (28) ausgebildet ist.
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