DE112009002388B4

DE112009002388B4 - Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009002388B4
Application number: DE112009002388.6T
Authority: DE
Inventors: Toru Ozaki; Noboru Ishisone; Tsuneaki Tamachi; Norimasa Yanase; Takafumi Sarata; Kazutaka Yuzurihara; Fumiharu Iwasaki
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: CN102187506A; US20110207017A1; CN102187506B; US9406951B2; DE112009002388T5; JPWO2010050378A1; WO2010050378A1; JP5311587B2; GB2477043B; GB2477043A; GB201103319D0

Abstract

Brennstoffzelle (200A) mit
einer Membranelektrodenanordnung (204) mit einer Elektrolytmembran (201) und einem Anodenkatalysator (202); und mit
einem Zuführelement (240A) zum Zuführen eines Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung (204),
wobei das Zuführelement (240A) mehrere Anodenfluid-Flusswege (241) zum Zuführen des Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung (204) aufweist,
wobei die Anodenfluid-Flusswege (241) das Zuführelement (240A) in dessen Dickenrichtung durchsetzen, und
wobei die Öffnungen der Anodenfluid-Flusswege (241) an der Abgabeseite für das Anodenfluid in einem vorgegebenen Abstand zu der Membranelektrodenanordnung (204) vorgesehen sind, wobei sich zwischen dem Zuführelement (240A) und der Membranelektrodenanordnung (204) mindestens ein vorgegebener Raum (251) befindet, der dafür vorgesehen ist, ein Gas aufzunehmen, das durch die Zufuhr des Anodenfluids verdrängt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführelement (240A) mehrere vorstehende Abschnitte (242) aufweist, die zur Membranelektrodenanordnung (204) hin vorstehen und in denen die Anodenfluid-Flusswege (241) ausgebildet sind.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembran, wobei sich auf den beiden Seiten der Elektrolytmembran ein Anodenkatalysator und ein Kathodenkatalysator befinden, sowie ein Brennstoffzellensystem mit der Brennstoffzelle.
[Stand der Technik]
Eine Brennstoffzelle enthält eine Membranelektrodenanordnung (im folgenden als MEA bezeichnet) mit einer Elektrolytmembran und auf den beiden Seiten der Elektrolytmembran einen Anodenkatalysator und einen Kathodenkatalysator. Die Brennstoffzelle umfasst ein Anodenelement (eine Anode) mit einem Flussweg für ein Anodenfluid, um das Anodenfluid über eine Gasdiffusionsschicht dem Anodenkatalysator der MEA zuzuführen, und ein Kathodenelement (eine Kathode) mit einem Flussweg für ein Kathodenfluid, um das Kathodenfluid dem Kathodenkatalysator der MEA zuzuführen.
Bei einer solchen Brennstoffzelle gelangt, wenn kein Strom erzeugt wird, über die Elektrolytmembran Luft aus der Atmosphäre (insbesondere das Inertgas Stickstoff) als Verunreinigungsgas auf die Anodenseite. Auch wenn dann der Betrieb wieder aufgenommen wird und dazu ein wasserstoffreiches Anodenfluid eingeführt wird, kann der Wasserstoff nicht sofort eingesetzt werden, so dass keine ausreichende elektrische Ausgangsleistung (oder kein ausreichendes Ausmaß an Stromerzeugung) erhalten wird. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle für eine lange Zeit nicht in Betrieb ist, tritt das Problem auf, dass der Partialdruck des in die Anode gelangten Verunreinigungsgases ansteigt und das Ausmaß der Stromerzeugung abnimmt.
Angesichts dieses Problems wurde vorgeschlagen (siehe zum Beispiel das Patentdokument 1), das Verunreinigungsgas, das sich an der Anode angesammelt hat, vor dem Beginn des Betriebs mit dem wasserstoffreichen Anodenfluid auszuspülen.
Konkret umfasst das Patentdokument 1 ein Spülventil zum Ausspülen eines Verunreinigungsgases, das sich an der Anode angesammelt hat, mit dem wasserstoffreichen Anodenfluid zusammen mit einer Abgas-Behandlungsvorrichtung zum Verdünnen des Abgases, das durch das Spülventil abgegeben wird und das Wasserstoff enthält, zur Abgabe des verdünnten Gases nach außen.
Bei diesem Aufbau nach Patentdokument 1 kann das Verunreinigungsgas auf der Anodenseite durch das wasserstoffreiche Anodenfluid ersetzt werden. Es wird damit verhindert, dass das Ausmaß der Stromerzeugung abnimmt.
[Druckschrift zum Stand der Technik]
[Patentdokument]
Patentdokument 1: JP-A-2004-193107
[Darstellung der Erfindung]
[Probleme, die mit der Erfindung gelöst werden sollen]
Bei dem Aufbau nach Patentdokument 1 ist es jedoch erforderlich, das Spülventil und die Abgas-Behandlungsvorrichtung vorzusehen, woraus sich das Problem ergibt, dass die Anlage als Ganzes größer wird und die Kosten dafür ansteigen.
Bei dem Aufbau nach Patentdokument 1 wird zwar durch das Spülen beim Hochfahren der Anlage das Verunreinigungsgas aus der Anode entfernt. Das Verunreinigungsgas gelangt jedoch auch während der Stromerzeugung durch die Elektrolytmembran in die Anode. Bei einer lang andauernden Stromerzeugung muss daher, während der Status der Stromerzeugung laufend überwacht wird, ein genau gesteuertes Öffnen und Schließen des Spülventils erfolgen, wodurch die Steuerung insgesamt kompliziert wird.
WO 2008/104860 A1 offenbart eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1. Weitere herkömmliche Brennstoffzellen sind in JP 2007 242 443 A , EP 1 978 585 A1 und DE 10 2008 007 173 A1 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts dieser beschriebenen Umstände. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit kleinen Abmessungen und ein Brennstoffzellensystem mit kleinen Abmessungen zu schaffen, bei der bzw. bei dem ein Ausfall der Stromerzeugung aufgrund von Verunreinigungsgas verhindert wird und mit der bzw. mit dem über lange Zeit eine kontinuierliche Stromerzeugung möglich ist.
[Mittel zum Lösen der Probleme]
Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine Brennstoffzelle mit den im Anspruch 1 definierten Merkmalen. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Gemäß Anspruch 1 wird das Anodenfluid durch die Anodenfluid-Flusswege der Membranelektrodenanordnung zugeführt. Dadurch wird Verunreinigungsgas durch das Anodenfluid von der Oberfläche des Anodenkatalysators weggedrückt, so dass das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt werden kann. Das Ausmaß der Stromerzeugung und insbesondere die Anfangsspannung bleiben dadurch hoch, und die Stromerzeugung kann für eine lange Zeit erfolgen.
Ferner wird durch die vorstehenden Abschnitte der Raum zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Zuführelement in dem Bereich außerhalb der vorstehenden Abschnitte ausgebildet. Das Verunreinigungsgas lässt sich daher leicht in diesen Raum drücken. In diesem Raum lässt sich außerdem eine große Menge des Verunreinigungsgases speichern, so dass die Stromerzeugung über eine lange Zeit fortgeführt werden kann.
Gemäß Anspruch 2 laufen die vorstehenden Abschnitte spitz zu, wodurch in dem Bereich außerhalb der vorstehenden Abschnitte ein großer Raum ausgebildet wird. In diesem Raum lässt sich eine entsprechend große Menge des Verunreinigungsgases speichern.
Gemäß Anspruch 3 laufen die Anodenfluid-Flusswege spitz zu, wodurch die Fließgeschwindigkeit des von den Anodenfluid-Flusswegen abgestrahlten Anodenfluids ansteigt und das Verunreinigungsgas wirkungsvoll vom Anodenfluid von der Oberfläche des Anodenkatalysators verdrängt wird.
Ferner kann das Anodenfluid durch die Mehrzahl der Anodenfluid-Flusswege gleichmäßig einer relativ großen Oberfläche des Anodenkatalysators zugeführt werden.
Gemäß Anspruch 4 wird das Anodenfluid mit einem gleichmäßigen Druck aus der Mehrzahl der Anodenfluid-Flusswege abgestrahlt, so dass das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt wird.
Gemäß Anspruch 5 wird das Anodenfluid kräftig aus den Anodenfluid-Flusswegen ausgestoßen, um das Verunreinigungsgas von der Oberfläche des Anodenkatalysators wegzublasen.
Gemäß Anspruch 6 wird das Anodenfluid mit einem gleichmäßigen Druck aus der Mehrzahl der Anodenfluid-Flusswege abgestrahlt, so dass das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt wird.
Gemäß Anspruch 7 wird das Anodenfluid mit einem gleichmäßigen Druck aus der Mehrzahl der Anodenfluid-Flusswege abgestrahlt, so dass das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt wird.
Durch die Änderung des Druckverlustes in den Anodenfluid-Flusswegen treten Unterschiede in der Fließgeschwindigkeit des Anodenfluids auf, und der Bereich, in dem das Anodenfluid verteilt wird, differiert entsprechend der Verteilung der Fließgeschwindigkeit. Gemäß Anspruch 8 werden jedoch die Abstände zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen derart verändert, dass Ungleichmäßigkeiten in der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene ausgeglichen werden.
Gemäß Anspruch 9 wird das Gas, etwa ein Verunreinigungsgas, das aus dem mit dem Anodenfluid beaufschlagten Raum verdrängt wurde, aus dem mit dem Anodenfluid beaufschlagten Raum entfernt. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrecht erhalten werden.
Gemäß Anspruch 10 kann das Gas, etwa das Verunreinigungsgas, über den herausführenden Weg gepuffert abgeführt werden. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrecht erhalten werden.
Gemäß Anspruch 11 kann das zum Pufferspeicher abgeführte Gas aufgrund des Rückschlagventils nicht zurückströmen. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrechterhalten werden.
Gemäß Anspruch 12 wird das Gas, etwa das Verunreinigungsgas, vom Adsorbens selektiv adsorbiert und dadurch entfernt. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrecht erhalten werden.
Gemäß Anspruch 13 wird ein Brennstoffzellensystem verwirklicht, bei dem ein Ausfall der Stromerzeugung aufgrund eines Verunreinigungsgases vermieden wird, mit der über eine lange Zeit kontinuierlich eine Stromerzeugung erfolgen kann, und die klein ausgestaltet werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung fließt das Änodenfluid über den Anodenfluid-Flussweg zu der Membranelektrodenanordnung. Dadurch wird das Verunreinigungsgas von der Oberfläche des Anodenkatalysators verdrängt, und der Oberfläche des Anodenkatalysators wird das Anodenfluid zugeführt. Es besteht nicht die Notwendigkeit, einen komplizierten Mechanismus wie ein Spülventil oder eine Gasbehandlungsvorrichtung vorzusehen. Auch wird ein Ausfall der Stromerzeugung oder eine Abnahme der Stromerzeugung aufgrund des Verunreinigungsgases vermieden, es ist im Gegenteil das Ausmaß der Stromerzeugung erhöht, und es kann über eine lange Zeit die Stromerzeugung aufrecht erhalten werden. Dazu reicht es aus, den Anodenfluid-Flussweg vorzusehen, um das Anodenfluid zu der Membranelektrodenanordnung zu bringen. Das Vorsehen eines Spülventils oder eines Verfahrens mit einem komplizierten Öffnen und Schließen des Spülventils ist daher unnötig, die Anlage kann klein ausgestaltet werden, und der Kostenaufwand dafür ist gering.
Figurenliste

1 ist eine Blockdarstellung des schematischen Aufbaus des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Brennstoffzelle gemäß einem nicht beanspruchten aber zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Beispiel.
3 ist eine Schnittansicht der Brennstoffzelle des zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Beispiels.
4 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen zur Darstellung der Zuführung eines Anodenfluids in der Brennstoffzelle des zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Beispiels.
5 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen eines anderen Beispiels für eine Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Aufsicht auf wesentliche Teile einer Brennstoffzelle, die mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
8 ist eine Aufsicht auf wesentliche Teile einer Brennstoffzelle, die mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
9 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle, die mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
10 ist eine Aufsicht auf wesentliche Teile einer Brennstoffzelle, die mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
11 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

[Ausführungsart der Erfindung]
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung auf der Basis der Ausführungsformen und des zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiels näher erläutert.
Zum Verständnis der Erfindung nützliches Beispiel:
Die 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß dem zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Beispiel.
Wie in der 1 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 des vorliegenden Beispiels eine Brennstoff-Zuführeinrichtung 100, eine Brennstoffzelle 200 und eine Steuerschaltung 300.
Die Brennstoff-Zuführeinrichtung 100 führt der Brennstoffzelle 200 einen Brennstoff als Anodenfluid zu. Als Brennstoff ist Wasserstoff optimal, und die Brennstoff-Zuführeinrichtung 100 kann daher eine Wasserstoff absorbierende oder speichernde Legierung, einen Wasserstoff enthaltenden Zylinder usw. umfassen. Die Brennstoff-Zuführeinrichtung 100 kann den Wasserstoff auch erst erzeugen, ein Beispiel dafür ist ein Aufbau, in dem eine Wasserstoff abgebende Substanz mit einem Beschleuniger für die Wasserstofferzeugung vermischt werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Zum Beispiel kann für die Wasserstoff abgebende Substanz Natriumborhydrid verwendet werden und als Beschleuniger der Wasserstofferzeugung eine wässrige Apfelsäurelösung. Als Brennstoff kann auch eine Methanollösung zugeführt werden.
Die Steuerschaltung 300 ist mit der Brennstoffzelle 200 verbunden und wird mit der Spannung betrieben, die von der Brennstoffzelle 200 erzeugt wird.
Anhand der 2 bis 4 wird die Brennstoffzelle 200 genauer beschrieben. Die 2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die schematisch den Aufbau der Brennstoffzelle zeigt. Die 3 ist eine Schnittansicht der Brennstoffzelle. Die 4 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen, die die Zuführung des Anodenfluids in der Brennstoffzelle zeigt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst die Brennstoffzelle 200 eine Membranelektrodenanordnung 204 (im folgenden auch als MEA bezeichnet), die aus einer festen Polymerelektrolytmembran 201 als Elektrolytmembran sowie einem Anodenkatalysator 202 und einem Kathodenkatalysator 203 auf den beiden Seiten der festen Polymerelektrolytmembran 201 besteht.
Links und rechts von der MEA 204 ist ein Anodenelement 210 bzw. ein Kathodenelement 220 angeordnet. Das heißt, dass die MEA 204 sich zwischen dem Anodenelement 210 und dem Kathodenelement 220 befindet.
Das Kathodenelement 220 besteht aus einem plattenförmigen Element auf der Seite der MEA 204, auf der sich der Kathodenkatalysator 203 befindet. Das Kathodenelement 220 weist einen Kathodenfluid-Flussweg 221 zum Zuführen eines oxidierenden Mittels (Sauerstoff enthaltende Luft) als Kathodenfluid zum Kathodenkatalysator 203 auf. Das heißt, dass das Kathodenelement 220 als Zuführelement zum Zuführen des Kathodenfluids zum Kathodenkatalysator 203 dient. Der Kathodenfluid-Flussweg 221 hat bei dem vorliegenden Beispiel eine konkave Form, die an der Seite des Kathodenelements 220 offen ist, die zum Kathodenkatalysator 203 zeigt. In der Bodenfläche des Kathodenfluid-Flusswegs 221 ist eine Kathodenfluid-Einführungsöffnung 222 vorgesehen, um Luft in den Kathodenfluid-Flussweg 221 einführen zu können.
Das Anodenelement 210 besteht aus einem plattenförmigen Element auf der Seite der MEA 204, auf der sich der Anodenkatalysator 202 befindet. Das Anodenelement 210 weist eine Kammer 211 mit konkaver Form auf, die zum Anodenkatalysator 202 hin offen ist. In der Bodenfläche der Kammer 211 ist in der Dickenrichtung davon als Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 eine Durchgangsöffnung vorgesehen.
Die Öffnungsfläche der Kammer 211 entspricht der Oberfläche des Anodenkatalysators 202. Durch die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 in der Bodenfläche der Kammer 211 wird dem Inneren der Kammer 211 das Anodenfluid zugeführt.
Zwischen dem Anodenelement 210 und der MEA 204 befindet sich eine Gasdiffusionsschicht 230 und ein Zuführelement 240 zum Zuführen des Anodenfluids in der Kammer 211 zu der Gasdiffusionsschicht 230.
Die Gasdiffusionsschicht (GDS) 230 befindet sich zwischen dem Anodenelement 210 und der MEA 204 und liegt der MEA 204 gegenüber, das heißt sie befindet sich auf dem Anodenkatalysator 202 der MEA 204, und umfasst ein Element, das für das Anodenfluid durchlässig ist. Für die Gasdiffusionsschicht 230 kann ein bekanntes Material verwendet werden, zum Beispiel ein Metallgewebe oder ein Material mit einer porösen Struktur wie ein Kohlenstofftuch, ein Kohlenstoffpapier oder ein Kohlenstoff-Filz.
Das Zuführelement 240 besteht aus einem plattenförmigen Element, das bezüglich der MEA 204 auf der anderen Seite der Gasdiffusionsschicht 230 angeordnet ist. Das Zuführelement 240 ist so angeordnet, dass es von der Gasdiffusionsschicht 230 einen vorgegebenen Abstand hat und dass zwischen dem Zuführelement 240 und der Gasdiffusionsschicht 230 ein vorgegebener Raum 250 definiert wird. Die von der Gasdiffusionsschicht 230 abgewandte Oberfläche des Zuführelements 240 verschließt eine Seite der Kammer 211.
Das Zuführelement 240 ist mit einem Anodenfluid-Flussweg 241 versehen, der das Zuführelement 240 in seiner Dickenrichtung durchsetzt, um dadurch die Kammer 211 und den Raum 250 miteinander in Verbindung zu bringen. Das heißt, dass sich das eine Ende des Anodenfluid-Flusswegs 241 in die Kammer 211 öffnet und das andere Ende davon in den Raum 250 öffnet, um dadurch eine Verbindung zwischen dem Raum 250 und der Kammer 211 herzustellen. Wie beschrieben steht die eine Seite des Zuführelements 240 nicht mit der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt, sondern weist dazu einen vorgegebenen Abstand auf. Aufgrund dieses Aufbaus befindet sich die eine Seite des Zuführelements 240 in der Nähe des Anodenkatalysators 202, wobei zwischen der Öffnung des Anodenfluid-Flusswegs 241 an der Abgabeseite des Anodenfluids (die Öffnung, die der Gasdiffusionsschicht 230 gegenüber liegt) und der Gasdiffusionsschicht 230 der Raum 250 liegt.
Bei dem vorliegenden Beispiel gibt es zwei Reihen von Anodenfluid-Flusswegen 241, wobei jede Reihe eine Mehrzahl von (sechs) der Anodenfluid-Flusswege 241 in vorgegebenen Abständen enthält, so dass insgesamt zwölf Anodenfluid-Flusswege 241 vorgesehen sind. Der Anodenfluid-Flussweg 241 ist jeweils so ausgestaltet, dass der Druckverlust im Anodenfluid-Flussweg 241 größer ist als der Druckverlust in dem Bereich, der sich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zu jedem der Anodenfluid-Flusswege 241 erstreckt. Konkret hat bei dem vorliegenden Beispiel die Kammer 211 eine solche Größe, dass sie mit der Mehrzahl der Anodenfluid-Flusswege 241 in gemeinsamer Verbindung steht (das heißt die Öffnungsfläche der Kammer 211 ist vergleichbar mit der Oberfläche des Anodenkatalysators 202), und die Öffnungsflächen (die Querschnittflächen) der Anodenfluid-Flusswege 241 sind sehr viel kleiner als die Öffnungsfläche der Kammer 211. Folglich ist der Druckverlust im Anodenfluid-Flussweg 241 größer als der Druckverlust in dem Bereich, der sich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der Kammer 211 zu jedem der Anodenfluid-Flusswege 241 erstreckt. Durch das Erhöhen des Druckverlustes im Anodenfluid-Flussweg 241 wird das in die Kammer 211 eingeführte Anodenfluid vom Anodenfluid-Flussweg 241 als Strahl mit einem gewünschten Druck auf die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 abgegeben. Die Einzelheiten dieses Vorgangs werden später noch erläutert. Der Anodenfluid-Flussweg 241 kann eine Form haben, die zum Anodenkatalysator 202 hin zugespitzt ist. Für den Anodenfluid-Flussweg 241 gibt es natürlich hinsichtlich der Größe (der Öffnungsfläche), der Anzahl und der Position keine Einschränkungen, und die Größe, Anzahl und Position der Anoedenfluid-Flusswege 241 können auf der Basis des Drucks des Anodenfluids in der Kammer 211, des Partialdrucks eines Verunreinigungsgases an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202, der Fließgeschwindigkeit des Anodenfluids, das dem Anodenkatalysator 202 zugeführt wird, um das Verunreinigungsgas zu verdrängen, und dergleichen geeignet gewählt werden. Wenn der Anodenfluid-Flussweg 241 so geformt ist, dass er zum Anodenkatalysator 202 hin zugespitzt oder konisch ist, wird die Fließgeschwindigkeit des vom Anodenfluid-Flussweg 241 abgestrahlten Anodenfluids erhöht. Dadurch kann das Anodenfluid leicht der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt werden, das heißt ein Verunreinigungsgas kann leicht von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 weggedrückt werden. Die Einzelheiten davon werden später noch beschrieben.
Der Anodenfluid-Flussweg 241 des Zuführelements 240 durchsetzt das Zuführelement 240 in dessen Dickenrichtung und verläuft daher in einer Richtung, die die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 schneidet. Dadurch kann das in die Kammer 211 eingeführte Anodenfluid mittels des Anodenfluid-Flussweges durch die Gasdiffusionsschicht 230 geleitet und als Strahl auf die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 gerichtet werden. Das heißt es reicht aus, wenn die Anodenfluid-Flusswege 241 des Zuführelements 240 in einer Richtung verlaufen, die die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 schneidet. Die Anodenfluid-Flusswege 241 können senkrecht zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verlaufen oder bezüglich dieser Oberfläche unter einem vorgegebenen Winkel geneigt sein.
Bei der beschriebenen Brennstoffzelle 200 ist der Kathodenfluid-Flussweg 221 zur Atmosphäre hin offen. Wenn die Brennstoffzelle für eine lange Zeit herumsteht, dringt daher die Luft aus der Atmosphäre (insbesondere Stickstoff als Inertgas) als Verunreinigungsgas durch die feste Polymerelektrolytmembran 201 in den Raum ein, in dem sich der Anodenkatalysator 202 befindet, das heißt in die Gasdiffusionsschicht 230 oder den Raum 250. Ein Anstieg des Partialdrucks des Verunreinigungsgases (Stickstoff) bewirkt einen Abfall des Partialdrucks des Anodenfluids im Anodenkatalysator 202. Es kann daher keine ausreichende Menge an Anodenfluid für die Stromerzeugung mehr zugeführt werden, so dass das Ausmaß der Stromerzeugung sinkt.
Bei der Brennstoffzelle 200 des vorliegenden Beispiels wird jedoch das Anodenfluid, das durch die Anodenfluid-Flusswege 241 zugeführt wird, auf die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geblasen, wie es in der 4 gezeigt ist. Ein Verunreinigungsgas an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 wird daher weggedrückt, und das Anodenfluid kann zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 gelangen. Das heißt, dass das durch die Anodenfluid-Flusswege 241 der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 (in einer Richtung, die die Oberfläche schneidet) zugeführte Anodenfluid sich auf der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verteilt und dabei das Verunreinigungsgas aus der Gasdiffusionsschicht 230 verdrängt, das aus der Atmosphäre durch den Anodenkatalysator 202 eingesickert ist. Dabei bleibt das von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängte Verunreinigungsgas in Bereichen auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 230, die vom Anodenkatalysator 202 abgewandt ist, und innerhalb des Raumes 250, das heißt in den Bereichen A der 4. Durch das Vorhandensein des Raumes 250 kann das Verunreinigungsgas leicht von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt werden.
Wie beschrieben wird das Anodenfluid durch die Anodenfluid-Flusswege 241 so zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geführt, dass das Verunreinigungsgas (Stickstoff) von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt wird, wodurch die Wirksamkeit der Stromerzeugung und der der Strom-Wirkungsgrad des Anodenkatalysators 202 ansteigen. Ohne das Vorsehen der Anodenfluid-Flusswege 241, das heißt wenn die Kammer 211 direkt der Gasdiffusionsschicht 230 gegenüberliegt, wird das an der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 eingeführte Anodenfluid längs der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt. Wenn das Anodenfluid auf diese Weise in der Richtung der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, erfolgt die Stromerzeugung nur an den Stellen, zu denen das Anodenfluid auch hinkommt. In einem Bereich längs der Seite, an der das Anodenfluid zugeführt wird, ist der Partialdruck des Verunreinigungsgases jedoch so hoch, dass im wesentlichen keine Stromerzeugung stattfindet. Das heißt, dass, wenn das Anodenfluid längs der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, nicht die gesamte Oberfläche des Anodenkatalysators 202 wirksam genutzt werden kann, so dass das Ausmaß der Stromerzeugung abnimmt. Mit den Anodenfluid-Flusswegen 241 des vorliegenden Beispiels kann jedoch das Anodenfluid so zugeführt werden, dass es gegen die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geblasen wird, wodurch das Anodenfluid gleichmäßig der ganzen Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt werden kann. Die Stromerzeugung erfolgt somit an der ganzen Oberfläche des Anodenkatalysators 202, und das Ausmaß der Stromerzeugung und insbesondere die Anfangsspannung sind hoch.
Bei der Brennstoffzelle 200 gelangt auch während der Stromerzeugung ein Verunreinigungsgas wie der Stickstoff der Luft in den Anodenkatalysator 202 (die Gasdiffusionsschicht 230). Ohne Anodenfluid-Flussweg 241 kann daher die Stromerzeugung nicht über eine lange Zeit aufrecht erhalten werden. Bei dem vorliegenden Beispiel wird jedoch das Anodenfluid durch die Anodenfluid-Flusswege 241 zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geführt. Dadurch wird das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 kontinuierlich zugeführt, und es wird das Verunreinigungsgas konstant von der der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 weggedrückt, so dass über lange Zeiträume eine Stromerzeugung möglich ist.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird darüberhinaus das Anodenfluid durch die Anodenfluid-Flusswege 241 gegen die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geblasen. Die Dicke der Gasdiffusionsschicht 230 kann daher ziemlich klein gehalten werden. Sogar ohne Gasdiffusionsschicht 230 kann das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 gleichmäßig zugeführt werden.
Erste Ausführungsform:
Die 5 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile einer Brennstoffzelle bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gleiche Elemente wie bei dem zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel sind mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und doppelte Erläuterungen werden vermieden.
Wie in der 5 gezeigt, umfasst die Brennstoffzelle 200A der Ausführungsform die MEA 204, das Anodenelement 210, das Kathodenelement 220 (nicht gezeigt), die Gasdiffusionsschicht 230 und ein Zuführelement 240A.
Die Oberfläche des Zuführelements 240A, die zur Gasdiffusionsschicht 230 zeigt, ist mit vorstehenden Abschnitten 242 versehen, die zur Gasdiffusionsschicht 230 hin vorstehen und innerhalb denen jeweils die Anodenfluid-Flusswege 241 ausgebildet sind. Das heißt, dass der vorstehende Abschnitt 242 eine zylindrische, düsenartige Form hat, innerhalb der der Anodenfluid-Flussweg 241 ausgebildet ist. Die Form des vorstehenden Abschnitts 242 ist nicht auf die zylindrische Form beschränkt, es kann auch eine prismatische Form oder eine konische Form sein, die zur MEA 204 hin zugespitzt ist. Zum Beispiel kann der vorstehende Abschnitt 242 eine konische Form haben, die zur MEA 204 hin spitz zuläuft, wodurch das Volumen des Raumes zwischen benachbarten vorstehenden Abschnitten 242 größer ist als das Volumen des Raums zwischen benachbarten zylindrischen vorstehenden Abschnitten 242, wobei auch die Menge an Verunreinigungsgas zunimmt, die in diesem Raum gespeichert werden kann, so dass es möglich wird, eine Stromerzeugung über eine lange Zeit aufrecht zu erhalten. Die Einzelheiten dieses Vorgangs werden später noch beschrieben.
Die vorstehende, vordere Endfläche des vorstehenden Abschnitts 242 ist derart angeordnet, dass sie zur Gasdiffusionsschicht 230 einen vorgegebenen Abstand hat, das heißt dass sich zwischen dem vorstehenden Abschnitt 242 und der Gasdiffusionsschicht 230 der Raum 250 befindet. Im Bereich des Zuführelements 240A außerhalb des vorstehenden Abschnitts 242 befindet sich zwischen dem Zuführelement 240A und der Gasdiffusionsschicht 230 ein Raum 251, der tiefer ist als der Raum 250.
Bei der Brennstoffzelle 200A wird das Anodenfluid wie bei dem zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel durch die Anodenfluid-Flusswege 241 zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geführt. Ein Verunreinigungsgas wie Stickstoff wird dadurch verdrängt, so dass das Ausmaß der anfänglichen Stromerzeugung groß ist und die Stromerzeugung über eine lange Zeit aufrecht erhalten werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist darüberhinaus zwischen der Gasdiffusionsschicht 230 und dem Zuführelement 240A in dem Bereich des Zuführelements 240A außerhalb des vorstehenden Abschnitts 242 der größere Raum 251 ausgebildet. Durch diesen Aufbau kann ein Verunreinigungsgas wie Stickstoff, das von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt wurde, im Bereich A' gespeichert werden, der den Raum 251 beinhaltet. Das Verunreinigungsgas an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 lässt sich daher leicht in den Bereich A' verdrängen. Darüberhinaus kann das verdrängte Verunreinigungsgas in dem relativ großen Bereich A' gespeichert werden, so dass eine Stromerzeugung über einen noch längeren Zeitraum möglich ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Anzahl von vorstehenden Abschnitten 242 vorgesehen, die jeweils um das gleiche Ausmaß vorstehen. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar, und das Ausmaß, um das die vorstehenden Abschnitte 242 vorstehen, kann zum Beispiel auf der Basis der Entfernung der einzelnen Anodenfluid-Flusswege 241 von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 in der Kammer 211 verändert werden. Ein Beispiel dafür ist in der 6 dargestellt. Die 6 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen bei einer Modifikation der Brennstoffzelle nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der Brennstoffzelle 200A der 6 stehen die vorstehenden Abschnitte 242 für die Anodenfluid-Flusswege 241 in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 weiter vor, während die vorstehenden Abschnitte 242 für die Anodenfluid-Flusswege 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 weniger weit vorstehen. Dabei kommt in keinem Fall die Öffnung des Anodenfluid-Flussweges 241 in den einzelnen vorstehenden Abschnitten 242 mit der Gasdiffusionsschicht 230A in Kontakt.
Durch diese Änderung des Ausmaßes, um das der jeweilige vorstehende Abschnitt 242 vorsteht, steigt der Druckverlust in den Anodenfluid-Flusswegen 241 in der Nähe der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 an, und der Druckverlust in den Anodenfluid-Flusswegen 241 weiter weg von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 ist kleiner. Im Ergebnis wird das Anodenfluid an den einzelnen Anodenfluid-Flusswegen 241 unabhängig von deren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 mit jeweils dem gleichen Druck abgegeben.
Folglich ist das Ausmaß der Stromerzeugung in der Ebene des Anodenkatalysators 202 gleichmäßiger, und die Stromerzeugung erfolgt wirkungsvoller.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Gasdiffusionsschicht 230A relativ dünn gehalten werden, und es kann sogar ganz auf die Gasdiffusionsschicht 230A verzichtet werden. Auch in einem solchen Fall wird das Anodenfluid gleichmäßig der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt.
Weitere Ausführungsformen
Oben wurden einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die grundlegenden Merkmale der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf die dabei genannten Merkmale beschränkt.
Zum Beispiel ist bei dem zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel und bei der ersten Ausführungsform im Zuführelement 240, 240A eine Anzahl von Anodenfluid-Flusswegen 241 mit jeweils der gleichen Öffnungsfläche vorgesehen. Dies unterliegt jedoch keiner Einschränkung, und es kann zum Beispiel der Druckverlust in jedem der Anodenfluid-Flusswege 241 entsprechend der Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 geändert werden. Ein konkretes Beispiel ist in der 7 gezeigt. Die 7 zeigt eine Modifikation des zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiels, die Ausgestaltung der 7 kann jedoch auch bei der ersten Ausführungsform verwendet werden. Wie in der 7 gezeigt, haben von der Anzahl der Anodenfluid-Flusswege 241 diejenigen Anodenfluid-Flusswege 241 in einer kleineren Entfernung (Abstand L₁) von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A, die durch eine Projektion der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 erhalten wird) eine kleinere Querschnittfläche, um einen größeren Druckverlust aufzuweisen, während die Anodenfluid-Flusswege 241 in einer größeren Entfernung (Abstand L₆) von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 eine größere Querschnittfläche haben, um einen kleineren Druckverlust aufzuweisen. Es sei ein Anodenfluid-Flussweg 241 in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der erste Anodenfluid-Flussweg und ein Anodenfluid-Flussweg 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der zweite Anodenfluid-Flussweg. In diesem Fall ist der Druckverlust im ersten Anodenfluid-Flussweg größer als der Druckverlust im zweiten Anodenfluid-Flussweg.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 in der Bodenfläche der Kammer 211 außerhalb der Reihen der nebeneinanderliegenden Anodenfluid-Flusswege 241 ausgebildet. Die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 kann jedoch auch auf halber Strecke der Reihen der nebeneinanderliegenden Anodenfluid-Flusswege 241 angeordnet sein. Die Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zu den einzelnen Anodenfluid-Flusswegen 241 kann jedoch immer unter der Voraussetzung bestimmt werden, dass die Position der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 die Position der projizierten Öffnung 212A ist, die durch eine Projektion der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 auf das Zuführelement 240 erhalten wird.
Wie angegeben wird die Öffnungsfläche (die Querschnittfläche) des Anodenfluid-Flussweges 241 auf der Basis der Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 variiert, wodurch der Druckverlust im jeweiligen Anodenfluid-Flussweg 241 auf der Basis der Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 verändert wird. Bei einer kleinen Öffnungsfläche des Anodenfluid-Flusswegs 241 ist der Druckverlust im Anodenfluid-Flussweg 241 groß, und bei einer großen Öffnungsfläche des Anodenfluid-Flusswegs 241 ist der Druckverlust im Anodenfluid-Flussweg 241 klein. Bei einer kleinen Entfernung des Anodenfluid-Flusswegs 241 von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 ist der Weg von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zum Anodenfluid-Flussweg 241 in der Kammer 211 kurz und daher der Druckverlust des Anodenfluids auf diesem Weg in der Kammer 211 klein. Je länger der Weg ist, den das Anodenfluid auf seinem Weg durch die Kammer 211 von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 bis zum Anodenfluid-Flussweg 241 zurücklegt, um so größer wird der Druckverlust. Der unterschiedliche Druckverlust des Anodenfluids beim Weg durch die Kammer 211 wird durch die Änderung des Druckverlustes im Anodenfluid-Flussweg 241 ausgeglichen, wodurch der Druck des durch die einzelnen Anodenfluid-Flusswege 241 zugeführten Anodenfluids gleichmäßig wird. Durch die beschriebene Maßnahme wird somit das Anodenfluid gleichmäßig der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt, so dass in der Ebene des Anodenkatalysators 202 eine gleichmäßige Stromerzeugung erfolgt und der Wirkungsgrad der Stromerzeugung (d.h. die Stromausbeute) insgesamt größer wird.
Bei dem in der 7 gezeigten Beispiel ist die Durchflussrate des an jedem Anodenfluid-Flussweg 241 zugeführten Anodenfluids gleichmäßig. Mit zunehmender Entfernung des Anodenfluid-Flusswegs 241 von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A, die durch eine Projektion der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 erhalten wird) ändert sich jedoch die Bohrung für den Anodenfluid-Flussweg 241 derart, dass sich die Fließgeschwindigkeit des aus dem Anodenfluid-Flussweg 241 ausströmenden Anodenfluids ändert. Wenn sich die Fließgeschwindigkeit des aus dem Anodenfluid-Flussweg 241 ausströmenden Anodenfluids auf diese Weise ändert, ändert sich entsprechend der Verteilung der Fließgeschwindigkeit auch der Bereich, über den das Anodenfluid verteilt wird. Im Ergebnis tritt eine Ungleichmäßigkeit der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene auf, wodurch möglicherweise die Stromausbeute kleiner wird. Bei den Anodenfluid-Flusswegen 241 wird daher der Abstand zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen 241 mit zunehmender Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 allmählich immer kleiner. Dadurch wird die Ungleichmäßigkeit in der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene ausgeglichen. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in den 8 und 9 gezeigt. Die 8 ist eine Aufsicht auf die wesentlichen Teile einer Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 9 ist eine Schnittansicht der wesentlichen Teile der 8.
Wie in den 8 und 9 gezeigt, ist bei den Anodenfluid-Flusswegen 241, die wie in der 7 unterschiedliche Öffnungsflächen aufweisen, der Abstand (zum Beispiel der Abstand d₅) zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A) kleiner als der Abstand (zum Beispiel der Abstand d₁) zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen 241 in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A). Durch diese Ausgestaltung verringert sich die Fließgeschwindigkeit von der Seite, auf der der Abstand zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen 241 groß ist (d.h. der Seite mit dem Abstand d₁₎ zu der Seite hin, auf der der Abstand zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen 241 klein ist (d.h. der Seite mit dem Abstand d₅) . Auch wenn der Bereich, über den sich das ausströmende Anodenfluid verteilt, allmählich kleiner wird, wird dadurch die Ungleichmäßigkeit in der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene geringer. Das Verunreinigungsgas (Stickstoff) an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 wird daher gleichmäßig von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt, und die Stromerzeugung erfolgt mit hoher Wirksamkeit. In diesem Zusammenhang werde einmal angenommen, dass die Abstände zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen alle gleich groß sind. Wenn in diesem Fall ein Anodenfluid-Flussweg 241 in einer kleinen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als erster Anodenfluid-Flussweg genommen wird und ein Anodenfluid-Flussweg 241 in einer großen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als zweiter Anodenfluid-Flussweg, ist die Fließgeschwindigkeit des am zweiten Anodenfluid-Flussweg ausströmenden Anodenfluids kleiner als die Fließgeschwindigkeit des am ersten Anodenfluid-Flussweg ausströmenden Anodenfluids. Dabei ist der Bereich, über den das mit einer kleineren Fließgeschwindigkeit aus dem zweiten Anodenfluid-Flussweg ausströmende Anodenfluid das Verunreinigungsgas verdrängt und sich auf der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verteilt, kleiner als der Bereich, über den sich das mit einer größeren Fließgeschwindigkeit aus dem ersten Anodenfluid-Flussweg ausströmende Anodenfluid auf der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verteilt. Folglich tritt eine Ungleichmäßigkeit in der Verteilung oder der Konzentration auf, mit der das Anodenfluid in der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, mit der Möglichkeit des Auftretens von Fehlern wie einem Nichtverdrängen des Verunreinigungsgases oder einer Abnahme der Stromausbeute.
Bei dem den 8 und 9 gezeigte Beispiel ist die Ungleichmäßigkeit in der Verteilung des aus der Anzahl der Anodenfluid-Flusswege 241 ausströmenden Anodenfluids geringer. Die Verteilung oder Konzentration, mit der das Anodenfluid in der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, ist damit gleichmäßiger, so dass die Stromausbeute am Anodenkatalysator 202 größer ist und für lange Zeiträume eine hohe Stromerzeugung aufrecht erhalten werden kann. Bei dem Beispiel der 8 und 9 werden als Abstände d₁ bis d₅ zwischen den Anodenfluid-Flusswegen die Abstände zwischen den Mittelpunkten von benachbarten Anodenfluid-Flusswegen 241 genommen. Dies ist jedoch keine Einschränkung, und für die Abstände zwischen den Anodenfluid-Flusswegen können auch die Abstände zwischen den Rändern der Öffnungen der Anodenfluid-Flusswege 241 genommen werden.
Darüberhinaus ist es möglich, in der Kammer 211 Führungswege auszubilden, die eine Verbindung zwischen der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 und den Anodenfluid-Flusswegen 241 herstellen, und den Druckverlust in diesem Führungsweg zu ändern, ohne den Druckverlust in den Anodenfluid-Flusswegen 241 zu verändern. Ein Beispiel dafür ist in der 10 gezeigt.
Wie in der 10 gezeigt, sind in der Kammer 211 Führungswege 213 ausgebildet, die eine Verbindung zwischen der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 und den einzelnen Anodenfluid-Flusswegen 241 herstellen. Die Führungswege 213 sind so ausgestaltet, dass ein Führungsweg 213, der die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 mit einem Anodenfluid-Flussweg 241 in einer geringen Entfernung davon verbindet, eine kleinere Breite (Querschnittfläche) hat, um einen größeren Druckverlust aufzuweisen, und dass ein Führungsweg 213, der die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 mit einem Anodenfluid-Flussweg 241 in einer größeren Entfernung davon verbindet, eine größere Breite (Querschnittfläche) hat, um einen kleineren Druckverlust aufzuweisen. Das heißt, dass, wenn ein Anodenfluid-Flussweg 241 in einer kleinen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als erster Anodenfluid-Flussweg bezeichnet wird und ein Anodenfluid-Flussweg 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als zweiter Anodenfluid-Flussweg, der Druckverlust im ersten Führungsweg von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zum ersten Anodenfluid-Flussweg größer ist als der Druckverlust im zweiten Führungsweg von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zum zweiten Anodenfluid-Flussweg. Durch diese Ausgestaltung wird der Druck des an den einzelnen Anodenfluid-Flusswegen 241 zugeführten Anodenfluids gleichmäßig groß. Das Anodenfluid kann daher gleichmäßig der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt werden, um in der Ebene des Anodenkatalysators 202 eine gleichmäßige Stromerzeugung sicherzustellen und die Stromausbeute zu erhöhen.
In dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, das von dem aus den Anodenfluid-Flusswegen 241 ausströmenden Anodenfluid verdrängt wird, kann eine Entfernungseinrichtung zum Abführen des Gases aus diesem Bereich zur Außenseite vorgesehen sein. Ein Beispiel dafür ist in der 11 gezeigt. Die 11 zeigt eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle, die eine Modifikation der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist.
Wie in der 11 gezeigt, ist ein Ende eines herausführenden Wegs 260, der mit dem Raum 251 in Verbindung steht, der der Bereich ist, in dem das vom Anodenfluid verdrängte Gas gespeichert wird, mit dem Zuführelement 240A verbunden, und das andere Ende des herausführenden Wegs 260 ist mit einer Speichereinrichtung 261 verbunden. Die Speichereinrichtung 261 ist ein Raum für die Aufnahme des Verunreinigungsgases, etwa von Stickstoff, aus dem Raum 251, und dient als Pufferspeicher für die Abgabe des im Raum 251 gespeicherten Gases, der über den herausführenden Weg 260 angeschlossen ist. Die Speichereinrichtung 261 ist zum Beispiel ein hohles Element mit einem dicht abgeschlossenen Innenraum. Durch das Vorsehen der Speichereinrichtung 261 aus dem hohlen Element wird der Druck in der Speichereinrichtung 261 vergleichbar mit dem Druck in der Brennstoffzelle (der Kammer 211), wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist. Wenn das Anodenfluid aus dem Anodenfluid-Flussweg 241 herausströmt, wird das von dem herausströmenden Anodenfluid in den Raum 251 verdrängte Verunreinigungsgas unter dem Einführungsdruck des Anodenfluids über den herausführenden Weg 260 in die einen Puffer darstellende Speichereinrichtung 261 abgeführt. Durch das Abführen des Verunreinigungsgases aus dem Raum 251 in die einen Puffer darstellende Speichereinrichtung 261 gleicht sich der Druck im Raum 251 und der Druck in der Speichereinrichtung 261 aus. Wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, ist der Druckausgleich zwischen dem Inneren des Raums 251 und dem Inneren der Speichereinrichtung 261 gestört, und das Verunreinigungsgas 261 kehrt in den Raum 251 zurück. Auf diese Weise wird das Verunreinigungsgas im Raum 251 im Betrieb der Brennstoffzelle gepuffert zur Außenseite der Brennstoffzelle abgeführt, wodurch das Ausmaß der Stromerzeugung (insbesondere die Anfangsspannung) erhöht werden kann und die Stromerzeugung über eine lange Zeit aufrecht erhalten werden kann.
Als Beispiel für die Speichereinrichtung 261 wurde das hohle Element genannt, dies stellt jedoch keine Einschränkung dar. Zum Beispiel kann in der Speichereinrichtung 261 auch ein Adsorbens zum Adsorbieren des Gases vorgesehen sein. Als Adsorbens kann Aktivkohle, Zeolith und dergleichen verwendet werden, wenn das zu adsorbierende Gas Stickstoff ist.
Im herausführenden Weg 260 der 11 kann ein Rückschlagventil vorgesehen werden, wie es beispielhaft in der 12 gezeigt ist. Wie in der 12 gezeigt, ist etwa halbwegs im herausführenden Weg 260, das heißt zwischen dem Zuführelement 240 und der Speichereinrichtung 261, ein Rückschlagventil 262 angeordnet. Das Rückschlagventil 262 ist so angeordnet, dass es den Fluss des Gases aus dem Raum 251, in dem das Gas gespeichert ist, zur Speichereinrichtung 261 (zum Puffer) erlaubt und den Fluss des Gases in der umgekehrten Richtung verhindert. Durch das Vorsehen des herausführenden Wegs 260 mit dem Rückschlagventil 262 kann das in der Speichereinrichtung 261 gespeicherte Gas nicht zurück in den Raum 251 fließen, so dass auch dann, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, das in der Speichereinrichtung 261 gespeicherte Gas nicht in den Raum 251 zurückkehrt. Die 12 zeigt eine Modifikation der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, was jedoch keine Einschränkung darstellt. So kann auch die Ausgestaltung nach dem zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel ohne den Raum 251 und sogar eine der in den 7 bis 10 gezeigten Ausgestaltungen die gleiche Wirkung zeigen, wenn sie mit einer Entfernungseinrichtung zum Entfernen des Gases aus dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, ausgestattet ist.
Darüberhinaus kann ein Adsorbens in dem Bereich vorgesehen werden, in dem das durch die Zuführung des Anodenfluids verdrängte Gas gespeichert wird. Ein Beispiel dafür ist in der 13 gezeigt. Die 13 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen, die eine Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in der 13 gezeigt, ist das Zuführelement 240A in dem Raum 251, dem Bereich, in dem das durch die Zuführung des Anodenfluids verdrängte Gas gespeichert wird, mit einem Adsorbens 270 versehen. Als Adsorbens 270 kann Aktivkohle, Zeolith und dergleichen verwendet werden, wenn das zu adsorbierende Gas Stickstoff ist. Das Adsorbens ist darauf jedoch nicht beschränkt, das Material dafür kann in Abhängigkeit von dem Gas, das adsorbiert werden soll, geeignet ausgewählt werden.
Mit dieser Ausgestaltung kann das in den Raum 251 verdrängte Gas vom Adsorbens 270 adsorbiert werden, und aus der Brennstoffzelle wird überschüssiges Gas entfernt, so dass das Ausmaß der Stromerzeugung (insbesondere die Anfangsspannung) angehoben wird und die Stromerzeugung für eine lange Zeit aufrecht erhalten werden kann. Das Adsorbens 270 kann natürlich auch bei dem zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel angewendet werden.
Es können auch zwei oder mehr der Konfigurationen der 7 bis 13 kombiniert werden.
In den obigen Ausführungsformen ist das Zuführelement 240, 240A ein vom Anodenelement 210 unabhängiges Element. Diese Elemente können jedoch auch als ein einheitliches Element ausgebildet werden. Auch kann das Zuführelement 240, 240A ein Element sein, bei dem jeweils nur der Bereich mit einem Anodenfluid-Flussweg 241 ein Zuführelement ist. Das heißt, dass ein den Zuführelementen 240, 240A des zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiels bzw. der ersten Ausführungsformen entsprechendes Element aus einem Basiselement mit einem plattenförmigen Element und einer Anzahl von Zuführelementen bestehen kann, die am Basiselement befestigt sind und in denen jeweils einzeln Anodenfluid-Flusswege vorgesehen sind.
Bei den obigen Ausführungsformen wurde die Gasdiffusionsschicht 230 nur auf der Seite des Anodenkatalysators 202 vorgesehen. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar, und es kann zum Beispiel auch auf der Seite des Kathodenkatalysators 203 eine mit der Gasdiffusionsschicht 230 auf der Seite des Anodenkatalysators vergleichbare Gasdiffusionsschicht vorgesehen werden.
Die beschriebene Brennstoffzelle 200, 200A kann zum Beispiel für die einzelnen Zellen eines Zellenstapels verwendet werden. Das heißt, dass durch Aufeinanderstapeln einer Anzahl der Brennstoffzellen 200, 200A ein Zellenstapel ausgebildet werden kann.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Die vorliegende Erfindung kann auf dem industriellen Gebiet der Brennstoffzellen verwendet werden. Durch die Erfindung wird die Konzentrationsverteilung des Anodenfluids in der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators vergleichmäßigt und dadurch das Ausmaß der Stromerzeugung erhöht und die Stromerzeugung für eine lange Zeit sichergestellt.
Bezugszeichenliste

A, A': Bereich
1: Brennstoffzellensystem
100: Brennstoff-Zuführeinrichtung
200: Brennstoffzelle
201: feste Polymerelektrolytmembran (Elektrolytmembran)
202: Anodenkatalysator
203: Kathodenkatalysator
210: Anodenelement
212: Anodenfluid-Einführungsöffnung
220: Kathodenelement
230, 230A: Gasdiffusionsschicht
240, 240A: Zuführelement
241: Anodenfluid-Flussweg
242: vorstehender Abschnitt
250: Raum
251: Raum
260: herausführender Weg
261: Speichereinrichtung
262: Rückschlagventil
270: Adsorbens
300: Steuerschaltung

Claims

Brennstoffzelle (200A) mit einer Membranelektrodenanordnung (204) mit einer Elektrolytmembran (201) und einem Anodenkatalysator (202); und mit einem Zuführelement (240A) zum Zuführen eines Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung (204), wobei das Zuführelement (240A) mehrere Anodenfluid-Flusswege (241) zum Zuführen des Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung (204) aufweist, wobei die Anodenfluid-Flusswege (241) das Zuführelement (240A) in dessen Dickenrichtung durchsetzen, und wobei die Öffnungen der Anodenfluid-Flusswege (241) an der Abgabeseite für das Anodenfluid in einem vorgegebenen Abstand zu der Membranelektrodenanordnung (204) vorgesehen sind, wobei sich zwischen dem Zuführelement (240A) und der Membranelektrodenanordnung (204) mindestens ein vorgegebener Raum (251) befindet, der dafür vorgesehen ist, ein Gas aufzunehmen, das durch die Zufuhr des Anodenfluids verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführelement (240A) mehrere vorstehende Abschnitte (242) aufweist, die zur Membranelektrodenanordnung (204) hin vorstehen und in denen die Anodenfluid-Flusswege (241) ausgebildet sind.
Brennstoffzelle (200A) nach Anspruch 1, wobei die vorstehenden Abschnitte (242) eine konische Form haben, deren Spitze zur Membranelektrodenanordnung (204) hin zeigt.
Brennstoffzelle (200A) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anodenfluid-Flusswege (241) eine konische Form haben, deren Spitze zur Membranelektrodenanordnung (204) hin zeigt.
Brennstoffzelle (200A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei auf der Seite, die der Membranelektrodenanordnung (204) entgegengesetzt ist, eine Kammer (211) vorgesehen ist, die mit den Anodenfluid-Flusswegen (241) in Verbindung steht, wobei das Anodenfluid durch eine Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) in die Kammer (211) eingeführt wird, und wobei mit zunehmender Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) das Ausmaß des Vorstehens der vorstehenden Abschnitte (242) geringer wird.
Brennstoffzelle (200A) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit des weiteren einer Kammer (211), die mit den Anodenfluid-Flusswegen (241) in Verbindung steht, auf der Seite, die der Membranelektrodenanordnung (204) entgegengesetzt ist, und mit einer Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer (211), wobei der Druckverlust im Anodenfluid-Flussweg (241) größer ist als der Druckverlust im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) zu jedem der Anodenfluid-Flusswege (241).
Brennstoffzelle (200A) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit des weiteren einer Kammer (211), die mit den Anodenfluid-Flusswegen (241) in Verbindung steht, auf der Seite, die der Membranelektrodenanordnung (204) entgegengesetzt ist, und mit einer Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer (211), wobei die Anodenfluid-Flusswege (241) einen ersten Anodenfluid-Flussweg und einen zweiten Anodenfluid-Flussweg umfassen, wobei die Entfernung des zweiten Anodenfluid-Flusswegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) größer ist als die Entfernung des ersten Anodenfluid-Flusswegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212), und wobei der Druckverlust im ersten Anodenfluid-Flussweg größer ist als der Druckverlust im zweiten Anodenfluid-Flussweg.
Brennstoffzelle (200A) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, mit des weiteren einer Kammer (211), die mit den Anodenfluid-Flusswegen (241) in Verbindung steht, auf der Seite, die der Membranelektrodenanordnung (204) entgegengesetzt ist, und mit einer Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer (211), wobei die Anodenfluid-Flusswege (241) einen ersten Anodenfluid-Flussweg und einen zweiten Anodenfluid-Flussweg umfassen, wobei die Entfernung des zweiten Anodenfluid-Flusswegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) größer ist als die Entfernung des ersten Anodenfluid-Flusswegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212), und wobei der Druckverlust in einem ersten Führungsweg in der Kammer (211) im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) zum ersten Anodenfluid-Flussweg größer ist als der Druckverlust in einem zweiten Führungsweg im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) zum zweiten Anodenfluid-Flussweg.
Brennstoffzelle (200A) nach Anspruch 6, wobei die Abstände zwischen benachbarten Anodenfluid-Flusswegen (241) des Zuführelements (240A) von einem Anodenfluid-Flussweg in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) zu den Anodenfluid-Flusswegen (241) in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung (212) allmählich abnehmen.
Brennstoffzelle (200A) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit des weiteren einer Entfernungseinrichtung zum Entfernen von Gas aus dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, das vom Anodenfluid verdrängt wird.
Brennstoffzelle (200A) nach Anspruch 9, wobei die Entfernungseinrichtung ein herausführender Weg (260) ist, der mit dem Bereich in Verbindung steht, in dem das Gas gespeichert wird, das durch die Zufuhr des Anodenfluids verdrängt wird, um das Gas zu einem Pufferspeicher (261) abzuführen.
Brennstoffzelle (200A) nach Anspruch 10, wobei der herausführende Weg (260) mit einem Rückschlagventil (262) versehen ist, das einen Fluss des Gases aus dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, zum Pufferspeicher (261) erlaubt und einen Fluss des Gases in der umgekehrten Richtung verhindert.
Brennstoffzelle (200A) nach Anspruch 9, wobei die Entfernungseinrichtung ein Adsorbens (270) ist, das in dem Bereich angeordnet ist, in dem das Gas gespeichert wird, das vom Anodenfluid verdrängt wird.
Brennstoffzellensystem (1), mit einer Brennstoffzelle (200A) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und mit einer Brennstoff-Zuführeinrichtung (100) zum Zuführen des Anodenfluids zu der Brennstoffzelle (200A).