DE112008003551T5

DE112008003551T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008003551T5
Application number: DE112008003551T
Authority: DE
Inventors: Norio Toyota-shi Yamagishi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: WO2009081726A1; US20100285380A1; JP2009158220A; CA2710670A1; JP4434279B2; CN101911363B; DE112008003551B4; US8647786B2; CN101911363A; CA2710670C

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
einen Zellenstapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet wird, von denen jede eine Brennstoffelektrode und eine Oxidierungselektrode aufweist;
einen Kühlmitteleinlass, der in einem Endabschnitt auf der unteren Seite des Zellenstapels vorgesehen ist, um ein Kühlmittel, das für einen Wärmetausch mit den Einheitszellen verwendet werden soll, in den Zellenstapel einzuführen; und
einen Kühlmittelauslass, der in einem oberen Endabschnitt des Zellenstapels vorgesehen ist, um das Kühlmittel, das für den Wärmetausch mit den Einheitszellen verwendet wird, aus dem Zellenstapel nach außen abzuführen, wobei:
ein Paar Zellenstapel, die in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu einer horizontalen Ebene ist, symmetrisch angeordnet sind; und
das Paar Zellenstapel so angeordnet sind, dass Einheitszellen-Stapelrichtungen der Zellenstapel in Bezug auf die horizontale Ebene geneigt sind.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und genauer ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Zellenstapeln, die jeweils durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet werden, von denen jede eine Brennstoffelektrode und eine Oxidierungselektrode aufweist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Nachstehend wird ein Aufbau einer allgemeinen Brennstoffzellen-Einheitszelle (auch als Einheitszelle bezeichnet) und insbesondere ein Aufbau eines Hauptteils der Brennstoffzellen-Einheitszelle einschließlich von Elektrodenabschnitten erläutert. Wie in 3 dargestellt, wird die sogenannte Membran/Elektroden-Anordnung (MEA) dadurch aufgebaut, dass eine Kathoden-Katalysatorschicht 12 (auch als Oxidierungselektrode oder Kathodenelektrode bezeichnet) und eine Anoden-Katalysatorschicht (auch als Brennstoffelektrode oder Anodenelektrode bezeichnet) so angeordnet werden, dass sie einander über eine zwischen ihnen angeordnete Elektrolytmembran 10 hinweg gegenüber liegen, und ferner dadurch, dass eine Kathoden-Diffusionsschicht 16 und eine Anoden-Diffusionsschicht 18 außerhalb der Kathoden-Katalysatorschicht 12 bzw. der Anoden-Katalysatorschicht 14 angeordnet werden. Ferner wird eine Einheitszelle 50 beispielsweise dadurch gebildet, dass ein kathodenseitiger Separator 26, der außerhalb der Kathoden-Diffusionsschicht 16 angeordnet ist, und in dem ein Oxidierungsgas-Strömungsweg 20 und ein Zellenkühlmittel-Strömungsweg 22 ausgebildet sind, und ein anodenseitiger Separator 28, der außerhalb der Anoden-Diffusionsschicht angeordnet ist, und in dem ein Brenngas-Strömungsweg 24 und ein Zellenkühlmittel-Strömungsweg 22 ausgebildet sind, miteinander zu einer Einheit verklebt werden.
In der in 3 dargestellten Einheitszelle 50 wird Elektrizität dadurch hergestellt, dass als Reaktionsgase ein Oxidierungsgas, das zumindest Sauerstoff enthält, wie Sauerstoff oder Luft, zur Kathoden-Katalysatorschicht 12 geliefert wird, und ein Brenngas, das zumindest Wasserstoff enthält, wie Wasserstoff oder ein reformiertes Gas, zur Anoden-Katalysatorschicht 14 geliefert wird. Weil in einer solchen Brennstoffzelle in einer chemischen Reaktion während der Elektrizitätserzeugung normalerweise Wärme erzeugt wird, wird durch Durchleiten eines Kühlmittels, wie Wasser oder Ethylenglycol, durch die in 3 dargestellten Kühlmittel-Strömungswege 22 der Zelle, wodurch die Brennstoffzelle innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs, wie etwa 60 Grad bis 100 Grad, gehalten wird, verhindert, dass die Brennstoffzelle zu warm wird.
4 zeigt eine Beispielsskizze des Aufbaus eines allgemeinen Zellenstapels, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen, die in 3 dargestellt sind, gebildet wird. Da 4 der Erläuterung eines Fluidstroms (der ein Reaktionsgas (ein Oxidierungsgas oder ein Brenngas) und ein Kühlmittel enthält) dient, der von außerhalb des Brennstoffzellenstapels nach innen geliefert und aus der Brennstoffzelle hinausgeführt wird, werden Einzelheiten des Aufbaus der Einheitszelle 50, die beispielsweise die Separatoren und die MEA beinhalten, weggelassen oder nur kurz beschrieben.
In 4 ist ein Zellenstapel 300 üblicherweise ein Stapel aus einer Vielzahl von Einheitszellen 50, die nötig sind, um eine gewünschte Elektrizitätserzeugungskapazität zu erhalten. Der Zellenstapel 300 (auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet) ist so aufgebaut, dass der gesamte Stapel aus Einheitszellen 50 von außerhalb beider Enden des Stapels aus Einheitszellen 50 in Stapelungsrichtung zusammengepresst und gehalten wird und beispielsweise anhand von Befestigungsbolzen (nicht dargestellt) fixiert wird.
Ferner sind in 4 eine Fluidzufuhr-Zweigleitung 132 und eine Fluidabfuhr-Zweigleitung 136 so ausgebildet, dass sie durch jede der Einheitszellen 50 hindurchgehen. Nachdem ein Fluid von außen zugeführt wurde, beispielsweise wie von einem Pfeil 134 dargestellt, strömt das Fluid innerhalb eines Fluidströmungswegs (hier nicht dargestellt), wodurch es für die Zellenreaktion oder den Wärmetausch in Elektrodenabschnitten (nicht dargestellt) der Einheitszellenstapel 50 verwendet und dann nach außen geführt werden kann, wie von einem Pfeil 138 dargestellt.
In 4 handelt es sich bei der Fluidzufuhr-Zweigleitung 132 um mindestens eine von drei unabhängigen Zufuhr-Zweigleitungen für unterschiedliche Arten von Fluiden; das heißt, um eine Brenngas-Zweigleitung, eine Oxidierungsgas-Zweigleitung oder eine Kühlmittel-Zweigleitung. Ebenso handelt es sich bei der Fluidabfuhr-Zweigleitung 136 um eine von drei unabhängigen Abfuhr-Zweigleitungen, die der Fluidzufuhr-Zweigleitung 132 entsprechen; das heißt, um eine Brenngasabfuhr-Zweigleitung, eine Oxidierungsgas-Abfuhrzweigleitung oder eine Kühlmittel-Abfuhrzweigleitung.
Genauer wird in dem in 3 dargestellten Zellenstapel oder Brennstoffzellenstapel das von der Brenngaszufuhr-Zweigleitung (132) gelieferte Brenngas auf Brenngas-Strömungswege (nicht dargestellt) verteilt, die in den Einheitszellen 50 ausgebildet sind (und die dem in der in 3 dargestellten Einheitszelle 50 ausgebildeten Brenngas-Strömungsweg 24 entsprechen), und für eine Zellenreaktion in der Einheitszelle 50 verwendet und dann als Abgas aus der Brenngasabfuhr-Zweigleitung (136) abgeführt. Dagegen wird das von der Oxidierungsgaszufuhr-Zweigleitung (132) gelieferte Oxidierungsgas auf Oxidierungsgas-Strömungswege (nicht dargestellt) verteilt, die in den Einheitszellen 50 ausgebildet sind (und die dem in der in 3 dargestellten Einheitszelle 50 ausgebildeten Oxidierungsgas-Strömungsweg 20 entsprechen), und für eine Zellenreaktion in der Einheitszelle 50 verwendet und dann als Abgas aus der Oxidierungsgasabfuhr-Zweigleitung (136) abgeführt. Ferner wird das von der Kühlmittelzufuhr-Zweigleitung (132) gelieferte Brenngas auf Kühlmittel-Strömungswege (nicht dargestellt) verteilt, die in den Einheitszellen 50 ausgebildet sind (und die den in der in 3 dargestellten Einheitszelle 50 ausgebildeten Kühlmittel-Strömungswegen 22 entsprechen), und für einen Wärmetausch mit den Einheitszellen 50 verwendet und dann aus der Kühlmittelabfuhr-Zweigleitung (136) abgeführt.
Damit die Elektrolytmembran 10 eine vorgegebene Funktion als Brennstoffzelle in der in 3 dargestellten Einheitszelle 30 erfüllen kann, muss die Elektrolytmembran 10 als protonenleitende Elektrolytmembran fungieren, und für diesen Zweck muss sie zumindest eine Feuchtigkeitsmenge halten, die größer ist als eine vorgegebene Feuchtigkeitsmenge. Daher ist es allgemein üblich, eine gewisse Feuchtigkeitsmenge in der Elektrolytmembran 10 zu halten, indem man beispielsweise ein Brenngas und/oder ein Oxidierungsgas (manchmal mit dem Überbegriff Reaktionsgase bezeichnet), die vorab befeuchtet wurden, so dass sie eine vorgegebene Feuchtigkeitsmenge enthalten, in die Brennstoffzelle 50 liefert.
Nun sinkt jedoch die Temperatur des Brennstoffzellenstapels während einer Ruhezeit normalerweise auf etwa Raumtemperatur. Wenn die befeuchteten Reaktionsgase während des Betriebs durchgeleitet werden, wie oben beschrieben, kann es daher passieren, dass die Feuchtigkeit in den Reaktionsgasen, die in jeder der Reaktionsgaszufuhr- und Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitungen zurückgeblieben sind, kondensiert. Falls die Menge an kondensierter Feuchtigkeit groß ist und Wasser nicht abgeführt werden kann, kann es zu dem sogenannten Fluten kommen, bei dem die Zweigleitungen und die Fluidströmungswege von der Feuchtigkeit blockiert werden. Ferner kann insbesondere während der kalten Jahreszeit dieses kondensierte Wasser in den Strömungswegen gefrieren und ein Neustarten kann Zeit in Anspruch nehmen.
Um dem zu begegnen, kann, wie in 5 dargestellt, ein Zellenstapelpaar aus einem ersten Zellenstapel 400a und einem zweiten Zellenstapel 400b, die miteinander kombiniert sind, verwendet werden; d. h. ein Aufbau, bei dem die Zahl der Einheitszellenschichten zweigeteilt ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die nötige elektromotorische Kraft in dem Zellenstapelpaar als Ganzem erhalten werden, während die Menge an angesammeltem Kondenswasser durch Verkürzen der Abfuhrstrecke für das Kondenswasser, genauer der Reaktionsgaszufuhr-/Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitungen, verkleinert ist.
Jedoch kann es sein, dass eine Verringerung der Zahl der Einheitszellenschichten allein nicht ausreicht, da die Abfuhr des Kondenswassers, das erzeugtes Wasser enthält, von einem Volumenstrom, einer Strömungsrate und einer Temperatur eines Abgases, das durch jede der Reaktionsgas-Zweigleitungen strömt, abhängt.
Das Patentdokument 1 offenbart Stapel, die in V-Form angeordnet sind, wenn in Stapelungsrichtung der Einheitszellen betrachtet, um Wasserstoff, der in einem Stapelgehäuse zurückgeblieben ist, abzuführen.
Das Patentdokument 2 offenbart einen Brennstoffzellenstapel, der in einem vorgegebenen Winkel geneigt ist, um Symmetrie herzustellen, und der ein kurzes Rohr aufweist, um die Luft, die in einem Kühlwasser-Strömungsweg mitgerissen wird, effektiv zu extrahieren.

Patentdokument 1: JP 2005-158339 A
Patentdokument 2: JP 2007-103082 A

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung schafft einen Brennstoffzellenstapel, der Feuchtigkeit in einem Reaktionsgas-Strömungsweg, und genauer Feuchtigkeit in einer Reaktionsgas-Zweigleitung, leichter und schneller nach außen abführen kann und der die Kühlwirkung von Einheitszellen unter Verwendung eines Kühlmittels verbessern kann.
Lösung des Problems
Ein Aufbau der vorliegenden Erfindung ist wie folgt.

(1) Ein Brennstoffzellensystem mit einem Zellenstapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet wird, von denen jede eine Brennstoffelektrode und eine Oxidierungselektrode aufweist, einem Kühlmitteleinlass, der in einem Endabschnitt auf der unteren Seite des Zellenstapels vorgesehen ist, um ein Kühlmittel, das für einen Wärmetausch mit den Einheitszellen verwendet wird, in den Zellenstapel einzuführen, und einem Kühlmittelauslass, der in einem Endabschnitt auf der oberen Seite des Zellenstapels vorgesehen ist, um das Kühlmittel, das für den Wärmetausch mit der Einheitszellen verwendet wurde, aus dem Zellenstapel auszuführen, wobei in diesem Brennstoffzellensystem ein Paar bzw. zwei ein Paar bildende Zellenstapel, die in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht ist zu einer horizontalen Ebene, symmetrisch angeordnet sind, so angeordnet sind, dass Einheitszellen-Stapelrichtungen der Zellenstapel in Bezug auf die horizontale Ebene geneigt sind.
(2) Ein Brennstoffzellensystem wie das oben beschriebene, in dem das Paar bzw. die beiden ein Paar bildenden Zellenstapel in V-Form oder in Λ-Form angeordnet sind, wenn in Einheitszellen-Stapelrichtung von der Seite betrachtet.
(3) Ein Brennstoffzellensystem wie das oben beschriebene, in dem eine Fluidleitung und/oder ein elektrischer Draht in der Nähe des Zellenstapels angeordnet ist bzw. sind.
(4) Ein Brennstoffzellensystem wie das oben beschriebene, in dem eine Entgasungseinheit zum Entfernen der Luft aus dem Kühlmittel, das aus dem Zellenstapel abgeführt wird, in der Nähe des Kühlmittelauslasses vorgesehen ist.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Feuchtigkeit in einer Reaktionsgas-Zweigleitung kann auf einfache und schnelle Weise nach außen abgeführt werden, und die Kühlwirkung einer Einheitszelle, die ein Kühlmittel verwendet, kann verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A ist eine Skizze des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1B ist eine andere Skizze eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine Skizze des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine andere Skizze eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Skizze eines Aufbaus eines Hauptteils einer Brennstoffzelle;
4 ist ein Beispiel für eine Beispielsskizze eines Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels;
5 ist eine Skizze eines Aufbaus einer Brennstoffzelle mit einem Paar Zellenstapel.
LISTE DER BEZUGSZAHLEN

10 Elektrolytmembran, 12 Kathoden-Katalysatorschicht, 14 Anoden-Katalysatorschicht, 16 Kathoden-Diffusionsschicht, 18 Anoden-Diffusionsschicht, 20 Oxidierungsgas-Strömungsweg, 22 Zellenkühlmittel-Strömungsweg, 24 Brenngas-Strömungsweg, 26 kathodenseitiger Separator, 28 anodenseitiger Separator, 32a und 32b Reaktionsgaszufuhr-Zweigleitung, 32c und 32d Kühlmittelzufuhr-Zweigleitung, 36a und 36b Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitung, 36c und 36d Kühlmittelabfuhr-Zweigleitung, 42a und 42b Kühlmitteleinlass, 44a und 44b Kühlmittelauslass, 46 Verzweigungsabschnitt, 48a, 48bund 48c Entgasungseinheit, 50 Einheitszelle, 56 Vereinigungsabschnitt, 100a, 100b, 200a, 200b, 300, 400a und 400b Zellenstapel (Brennstoffzellenstapel), 100 und 200 Brennstoffzellensystem, 132, 132a und 132b Fluidzufuhr-Zweigleitung, 136, 136 und 136b Fluidabfuhr-Zweigleitung.

BESTE WEISE FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Gleichen Bauteilen in der Zeichnung werden gleiche Bezugszahlen zugewiesen, und auf wiederholte Beschreibungen wird verzichtet.
1A und 1B sind schematische Darstellungen eines Beispiels für einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1A ist eine Skizze, deren besonderes Augenmerk auf den Reaktionsgasströmen liegt.
In einem Brennstoffzellensystem 100 von 1A bilden ein erster Zellenstapel 100a und ein zweiter Zellenstapel 100b ein Zellenstapelpaar und sind zueinander symmetrisch in Bezug auf eine Ebene v, die senkrecht ist zu einer horizontalen Ebene h, und geneigt in einer generellen V-Form angeordnet, wenn in Stapelungsrichtung der Einheitszellen 50 von der Seite her betrachtet.
In 1A können der erste Zellenstapel 100a und der zweite Zellenstapel 100b, die das Zellenstapelpaar bilden, durch Bauteile ersetzt werden, die genauso aufgebaut sind wie ein erster Zellenstapel 400a und ein zweiter Zellenstapel 400b, die jeweils in 5 dargestellt sind. Im ersten Zellenstapel 100a und im zweiten Zellenstapel 100b werden die Reaktionsgase, die von Reaktionsgaszufuhr-Zweigleitungen 32a und 32b in die Zellenstapel geliefert werden, für eine Elektrodenreaktion in Einheitszellen 50 verwendet und dann als Abgas aus den Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitungen 36a und 36b aus den Zellenstapeln nach außen geführt. Weil der erste Zellenstapel 100a und der zweite Zellenstapel 100b so angeordnet sind, dass sie in Bezug auf die horizontale Ebene h um θ1 bzw. θ2 nach vorne geneigt sind (d. h. weil die oberen Endabschnitte der einander zugewandten Zellenstapel einander im Vergleich zu den unteren Endabschnitten näher sind), sind hierbei die Reaktionsgaszufuhr-Zweigleitungen 32a und 32b und die Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitungen 36a und 36b, die durch jede der Einheitszellen 50 hindurchgehen, in Bezug auf die horizontale Ebene ebenfalls um θ1 und θ2 geneigt. Durch Einstellen von θ1 = θ2 und Anordnen des Zellenstapelpaars symmetrisch in Bezug auf die Ebene v, die senkrecht ist zur Ebene h, kann ferner der Betrieb jedes der beiden Zellenstapel vorzugsweise fast auf die gleiche Weise gesteuert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Neigung der Reaktionsgas-Zweigleitungen bevorzugt, da dadurch die Feuchtigkeit, die in den Reaktionsgas-Zweigleitungen kondensiert sein kann, durch ihr eigenes Gewicht nach außen abgeführt werden kann, beispielsweise sogar unter Niedriglastbedingungen, wo der Volumenstrom und die Strömungsrate des Reaktionsgases nicht ausreichen, unter Bedingungen hoher Feuchtigkeit, wo die Feuchtigkeitsmenge, die abgeführt werden soll, zunimmt, und während einer Ruhezeit der Zellenstapel, wenn der Reaktionsgasstrom zum Stehen gekommen ist.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungen der Strömungswege der Reaktionsgase nicht auf die in 1A und 1B dargestellten Richtungen beschränkt, und es können auch andere Gestaltungen verwendet werden, die eine Ansammlung des kondensierten Wassers innerhalb der Zweigleitungen verhindern. Unter dem Gesichtspunkt der Effizienz und der Platzersparnis ist es bevorzugt, einen Aufbau zu nehmen, bei dem die Reaktionsgas-Strömungswege, die mit den jeweiligen Reaktionsgas-Zweigleitungen in Verbindung stehen, um die Reaktionsgase zuzuführen oder das Abgas abzuführen, zumindest teilweise vereinigt sind und gemeinsam genutzt werden.
1B ist ein Schema, dessen besonderes Augenmerk auf dem Strom des Kühlmittels in dem in 1A dargestellten Brennstoffzellensystem liegt. Der in 1B dargestellte Brennstoffzellenstapel 100 weist Kühlmittelzufuhr-Zweigleitungen 32c und 32d mit Kühlmitteleinlässen 42a und 42b in den Endabschnitten auf den unteren Seiten der Zellenstapel und Kühlmittelabfuhr-Zweigleitungen 36c und 36d mit Kühlmittelauslässen 44a und 44b in den Endabschnitten auf der oberen Seite der Zellenstapel auf. Das Kühlmittel wird da hindurch geleitet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Endabschnitte auf der unteren Seite der Zellenstapel Abschnitte, wo die Kühlmittel-Strömungswege in den Zellenstapeln ausgebildet sind, und die sich in Bezug auf die horizontale Ebene am unteren Ende befinden. Die hierin beschriebenen Endabschnitte auf der unteren Seite sind Abschnitte an einem Ende der Kühlmittelzufuhr-Zweigleitungen 32c und 32d, die in 1B dargestellt sind. Ferner sind die Endabschnitte auf der oberen Seite der Zellenstapel Abschnitte, wo die Kühlmittel-Strömungswege in den Zellenstapeln ausgebildet sind, und die sich in Bezug auf die horizontale Ebene am oberen Ende befinden. Die hierin beschriebenen Endabschnitte auf der oberen Seite sind Abschnitte an einem Ende der Kühlmittelabfuhr-Zweigleitungen 36c und 36d, die in 1B dargestellt sind.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Kühlmittel, das an einem Verzweigungsabschnitt 46 geteilt wird, für einen Wärmetausch mit den Einheitszellen 50 verwendet, die den ersten Brennstoffzellenstapel 100a und den zweiten Brennstoffzellenstapel 100b bilden, und dann aus den Kühlmittelabfuhr-Zweigleitungen 36c bzw. 36d abgeführt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömt das Kühlmittel, das von den Endabschnitten auf der unteren Seite des Zellenstapels geliefert wird, in Richtung auf das obere Ende des Zellenstapels, während es die Kühlmittel-Strömungswege füllt, wodurch die Kühlwirkung der Einheitszellen 50 verbessert wird.
Wenn in 1B ein Kühlmittel-Umwälzsystem verwendet wird, ist es außerdem möglich, einen Aufbau zu nehmen, bei dem das benutzte Kühlmittel, das aus den Kühlmittelauslässen 44a und 44b aus den Zellenstapeln abgeführt wird, in einem Vereinigungsabschnitt (nicht dargestellt) vereinigt wird und dann beispielsweise durch Wärmetausch oder Entfernung von Fremdstoffen aufbereitet wird, um dadurch als Kühlmittel wiederverwendet werden zu können. Hierbei ist es bevorzugt, Gas, das im Kühlmittel enthalten ist, wie die Luft aus der Umgebung, durch Bereitstellen von Entgasungseinheiten 48a und 48b im Kühlmittel-Strömungsweg, vorzugsweise in Abschnitten in der Nähe der Kühlmittelauslässe 44a und 44b, wo die Kühlmittelströme zur abwärts geneigten Seite wandern, zu entfernen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Entgasungseinheiten bevorzugt, da sie die Kühlwirkung des umgewälzten Kühlmittels aufrechterhalten und eine Verschlechterung des Kühlmittels verhindern, wenn beispielsweise Ethylenglycol als Kühlmittel verwendet wird. Vorzugsweise können die Entgasungseinheiten 48a und 48b Luftfallen mit Öffnungen, die als Abzug dienen, beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt.
In der vorliegenden Ausführungsform können der erste Zellenstapel 100a und der zweite Zellenstapel 100b, die das Zellenstapelpaar bilden, miteinander in Reihe verbunden sein, während sie in anderen Ausführungsformen parallel verbunden sein können.
2A und 2B sind Skizzen, die ein Beispiel für einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, und 2A legt besonderes Augenmerk auf den Strom der Reaktionsgase.
Ein in 2A dargestelltes Brennstoffzellensystem 200 weist fast den gleichen Aufbau auf wie das in 1A dargestellte Brennstoffzellensystem 100, außer dass ein erster Zellenstapel 200a und ein zweiter Zellenstapel 200b, die ein Zellenstapelpaar bilden, symmetrisch zueinander in Bezug auf eine Ebene v, die senkrecht ist zu einer horizontalen Ebene h, und mit einer Neigung in einer generellen Λ-Form angeordnet sind, wenn in der Stapelungsrichtung der Einheitszellen 50 von der Seite betrachtet.
Im ersten Zellenstapel 200a und im zweiten Zellenstapel 200b, die in 2A dargestellt sind, werden die Reaktionsgase, die von den Reaktionsgaszufuhr-Zweigleitungen 32a und 32b in die Zellenstapel geliefert werden, für eine Elektrodenreaktion in den Einheitszellen 50 verwendet und dann als Abgas aus den Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitungen 36a und 36b nach außen abgeführt. Weil der erste Zellenstapel 200a und der zweite Zellenstapel 200b so angeordnet sind, dass sie in Bezug auf die horizontale Ebene h um θ3 bzw. θ4 nach hinten geneigt sind (d. h. weil die oberen Endabschnitte der einander zugewandten Zellenstapel im Vergleich zu den unteren Endabschnitten weiter voneinander entfernt sind), sind hierbei die Reaktionsgaszufuhr-Zweigleitungen 32a und 32b und die Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitungen 36a und 36b, die durch jede der Einheitszellen 50 hindurchgehen, in Bezug auf die horizontale Ebene ebenfalls um etwa θ3 und θ4 geneigt. Durch Einstellen von θ3 = θ4 und Anordnen des Zellenstapelpaars symmetrisch in Bezug auf die Ebene v, die senkrecht ist zur horizontalen Ebene h, kann ferner der Betrieb jedes der beiden Zellenstapel vorzugsweise fast auf die gleiche Weise gesteuert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Neigung der Reaktionsgas-Zweigleitungen bevorzugt, da dadurch die Feuchtigkeit, die in den Reaktionsgas-Zweigleitungen kondensiert sein kann, schnell nach außen abgeführt werden kann, und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Zellenstapel.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungen der Strömungswege der Reaktionsgase nicht auf die in 2A dargestellten Richtungen beschränkt, und es können auch andere Gestaltungen verwendet werden, die eine Ansammlung des kondensierten Wassers innerhalb der Zweigleitungen verhindern. Unter dem Gesichtspunkt der Effizienz und der Platzersparnis ist es bevorzugt, einen Aufbau zu nehmen, bei dem die Reaktionsgas-Strömungswege, die mit den jeweiligen Reaktionsgas-Zweigleitungen in Verbindung stehen, um die Reaktionsgase zuzuführen oder das Abgas abzuführen, zumindest teilweise vereinigt sind und gemeinsam genutzt werden.
2B ist ein Schema, dessen besonderes Augenmerk auf dem Strom des Kühlmittels in dem in 2A dargestellten Brennstoffzellensystem liegt. Der in 2B dargestellte Brennstoffzellenstapel 200 weist Kühlmittelzufuhr-Zweigleitungen 32c und 32d mit Kühlmitteleinlässen 42a und 42b in den Endabschnitten auf den unteren Seiten der Zellenstapel und Kühlmittelabfuhr-Zweigleitungen 36c und 36d mit Kühlmittelauslässen 44a und 44b in den Endabschnitten auf der oberen Seite der Zellenstapel auf, und das Kühlmittel wird da hindurch geleitet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Kühlmittel, das zu jedem der Zellenstapel geliefert wird, für einen Wärmetausch mit den Einheitszellen 50 verwendet, die den ersten Brennstoffzellenstapel 200a und den zweiten Brennstoffzellenstapel 200b bilden, und dann aus den Kühlmittelabfuhr-Zweigleitungen 36c bzw. 36d abgeführt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömt das Kühlmittel, das von den Endabschnitten auf der unteren Seite des Zellenstapels geliefert wird, in Richtung auf das obere Ende des Zellenstapels, während es die Kühlmittel-Strömungswege füllt, wodurch die Kühlwirkung der Einheitszellen 50 verbessert wird.
Wenn in 2B ein Kühlmittel-Umwälzsystem verwendet wird, ist es außerdem möglich, einen Aufbau zu nehmen, bei dem das benutzte Kühlmittel, das aus den Kühlmittelauslässen 44a und 44b aus den Zellenstapeln abgeführt wird, in einem Vereinigungsabschnitt 56 vereinigt wird und dann beispielsweise durch Wärmetausch oder Entfernung von Fremdstoffen aufbereitet wird, um dadurch als Kühlmittel wiederverwendet werden zu können. Hierbei ist es bevorzugt, Gas, das im Kühlmittel mitgerissen wird, wie Luft aus der Umgebung, durch Bereitstellen einer Entgasungseinheit 48c im Kühlmittel-Strömungsweg, vorzugsweise in einem Abschnitt in der Nähe der Kühlmittelauslässe 44a und 44b, wo die Kühlmittelströme zur abwärts geneigten Seite wandern, d. h. in einem Abschnitt in der Nähe des Vereinigungsabschnitts 56 in 2B, zu entfernen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Entgasungseinheit bevorzugt, da sie die Kühlwirkung des umgewälzten Kühlmittels aufrechterhält und eine Verschlechterung des Kühlmittels verhindert, wenn beispielsweise Ethylenglycol als Kühlmittel verwendet wird. Vorzugsweise kann die Entgasungseinheit 48c den gleichen Aufbau wie die in 1B dargestellte Entgasungseinheit 48a oder 48b aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Obwohl es schwierig ist, in 1A einen allgemein bevorzugten Winkel θ1 (θ2) generell zu definieren, da dieser von verschiedenen Bedingungen abhängt, wie der Größe des Körpers des Brennstoffzellenstapels; insbesondere der Länge in Stapelungsrichtung, den Größen der Reaktionsgas-Zweigleitungen und der Benetzbarkeit der innern Oberflächen der Reaktionsgas-Zweigleitungen (dem Grad ihrer Hydrophilie/Wasserabstoßung) kann ein Winkel θ1 (θ2) beispielsweise auf etwa 5 Grad bis 60 Grad eingestellt werden, und genauer auf etwa 10 Grad bis 45 Grad.
Obwohl es schwierig ist, in 2A einen allgemein bevorzugten Winkel θ3 (θ4) generell zu definieren, da dieser von verschiedenen Bedingungen abhängt, wie der Größe des Körpers des Brennstoffzellenstapels; insbesondere der Länge in Stapelungsrichtung, den Größen der Reaktionsgas-Zweigleitungen und der Benetzbarkeit der inneren Oberflächen der Reaktionsgas-Zweigleitungen (dem Grad ihrer Hydrophilie/Wasserabstoßung), kann ein Winkel θ3 (θ4) beispielsweise auf etwa 5 Grad bis 60 Grad eingestellt werden, und genauer auf etwa 10 Grad bis 45 Grad.
Um das Zellenstapelpaar in der vorliegenden Ausführungsform, beispielsweise in einer stationären Brennstoffzelle, in einer vorgegebenen Position zu fixieren, kann das Zellenstapelpaar so eingebaut werden, dass eine vorgegebene Neigung zwischen den beiden Zellenstapeln und der horizontalen Ebene h, die in 1A und 2A dargestellt ist, über einen Abstandhalter oder ein Stützelement aufrechterhalten wird. Dagegen werden im Falle eines Systems, in dem das Zellenstapelpaar auf einem beweglichen Körper, wie einem Fahrzeug montiert ist, die auf dem beweglichen Körper montierten Zellenstapel horizontal gehalten, und in diesem Fall ist es vorzugsweise möglich, eine Neigung eines Winkels der beiden Zellenstapel in Bezug auf die horizontale Ebene gemäß der Beschaffenheit eines Weges, auf dem sich der bewegliche Körper bewegt, im Voraus einzustellen. Ferner ist es auch bevorzugt, in einer anderen Ausführungsform einen Aufbau zu nehmen, in dem das Zellenstapelpaar unabhängig von der Haltung (der Neigung) des beweglichen Körpers, an dem das Zellenstapelpaar montiert ist, in einem bestimmten Winkel in Bezug auf die horizontale Ebene gehalten wird.
Somit kann ein Totraum, in dem keine anderen Bauteile, einschließlich eines Chassis, installiert werden können, in der Nähe der Zellenstapel vorhanden sein (beispielsweise die Räume S1, S2 und S3, die in 1B dargestellt sind, und die Räume S4, S5 und S6, die in 2B dargestellt sind), je nach dem Neigungswinkel der Zellenstapel in Bezug auf die horizontale Ebene. Hierbei ist es auch bevorzugt, in diesen winzigen Räumen, wo geeignet, eine Fluidleitung durch die bzw. den die Reaktionsgase und das Kühlmittel strömen, und/oder einen elektrischen Draht vorzusehen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die winzigen Räume effizient genutzt werden, wodurch ein Vorteil in Bezug auf Platzersparnis bzw. Verkleinerung des gesamten Brennstoffzellensystems erhalten wird.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform oder ihrer Varianten die Feuchtigkeit in den Reaktionsgas-Zweigleitungen auf einfache und schnelle Weise nach außen abgeführt werden, und die Kühlwirkung der Einheitszellen kann unter Verwendung des Kühlmittels verbessert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in jedem Brennstoffzellensystem angewendet werden kann, ist sie besonders nützlich in einem Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellenstapeln, in denen Reaktionsgase, die Feuchtigkeit enthalten, durch Reaktionsgaszufuhr-Zweigleitungen geliefert werden, und Abgase der Reaktionsgase, die die Feuchtigkeit enthalten, durch Reaktionsgasabfuhr-Zweigleitungen abgeführt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Ein Paar Zellenstapel (100a, 100b) weisen an unteren Endabschnitten der Zellenstapel (100a, 100b) angeordnete Kühlmittel-Einführöffnungen (42a, 42b) auf und weisen außerdem an unteren Endabschnitten der Zellenstapel (100a, 100b) angeordnete Kühlmittel-Abfuhröffnungen (44a, 44b) auf, und die beiden Zellenstapel (100a, 100b) sind um eine Ebene (v), die vertikal ist zu einer horizontalen Ebene (h), symmetrisch angeordnet. Die Stapelungsrichtung von Einheitszellen (50) in jedem der Zellenstapel (100a, 100b) ist in Bezug auf die horizontale Ebene (h) geneigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-158339 A [0014]
- JP 2007-103082 A [0014]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Zellenstapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet wird, von denen jede eine Brennstoffelektrode und eine Oxidierungselektrode aufweist; einen Kühlmitteleinlass, der in einem Endabschnitt auf der unteren Seite des Zellenstapels vorgesehen ist, um ein Kühlmittel, das für einen Wärmetausch mit den Einheitszellen verwendet werden soll, in den Zellenstapel einzuführen; und einen Kühlmittelauslass, der in einem oberen Endabschnitt des Zellenstapels vorgesehen ist, um das Kühlmittel, das für den Wärmetausch mit den Einheitszellen verwendet wird, aus dem Zellenstapel nach außen abzuführen, wobei: ein Paar Zellenstapel, die in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu einer horizontalen Ebene ist, symmetrisch angeordnet sind; und das Paar Zellenstapel so angeordnet sind, dass Einheitszellen-Stapelrichtungen der Zellenstapel in Bezug auf die horizontale Ebene geneigt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die beiden ein Paar bildenden Zellenstapel in V-Form oder in Λ-Form angeordnet sind, wenn in Einheitszellen-Stapelrichtung von der Seite betrachtet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Fluidleitung und/oder ein elektrischer Draht in der Nähe des Zellenstapels vorgesehen ist bzw. sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei eine Fluidleitung und/oder ein elektrischer Draht in der Nähe des Zellenstapels vorgesehen ist bzw. sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Entgasungseinheit zum Entfernen von Luft aus dem Kühlmittel, das aus dem Zellenstapel nach außen abgeführt wird, in der Nähe des Kühlmittelauslasses vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei eine Entgasungseinheit zum Entfernen von Luft aus dem Kühlmittel, das aus dem Zellenstapel nach außen abgeführt wird, in der Nähe des Kühlmittelauslasses vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei eine Entgasungseinheit zum Entfernen von Luft aus dem Kühlmittel, das aus dem Zellenstapel nach außen abgeführt wird, in der Nähe des Kühlmittelauslasses vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei eine Entgasungseinheit zum Entfernen von Luft aus dem Kühlmittel, das aus dem Zellenstapel nach außen abgeführt wird, in der Nähe des Kühlmittelauslasses vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die beiden ein Paar bildenden Zellenstapel so angeordnet sind, dass sie um 5 Grad bis 60 Grad in Bezug auf die horizontale Ebene nach vorne geneigt sind, so dass obere Endabschnitte der einander zugewandten Zellenstapel einander im Vergleich zu unteren Endabschnitten näher sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die beiden ein Paar bildenden Zellenstapel so angeordnet sind, dass sie um 5 Grad bis 60 Grad in Bezug auf die horizontale Ebene nach hinten geneigt sind, so dass obere Endabschnitte der einander zugewandten Zellenstapel im Vergleich zu unteren Endabschnitten weiter voneinander entfernt sind.