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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel der aus einer Mehrzahl von gestapelten einzelnen Zellen ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellenstapel ist üblicherweise aus einem Stapelkörper gebildet, in welchem eine Mehrzahl von einzelnen Zellen gestapelt sind, die ein Leistung erzeugendes Element, das eine Elektrolytmembran sowie elektrokatalytische Schichten auf beiden Seiten der Elektrolytmembran enthält, und einen Separator enthalten. Bei diesem Brennstoffzellenstapel sind an beiden Enden des Stapelkörpers in dieser Reihenfolge eine Kollektorplatte, eine Isolatorplatte sowie eine Endplatte angeordnet, und der Stapelzustand wird durch befestigen der beiden Endplatten unter Verwendung eines Befestigungselements gehalten. Die Platten strahlen keine Wärme ab, da sie keine Leistung erzeugen, wobei überdies ein großer Bereich in Kontakt mit der Luft steht, so dass Wärme während des Betriebs der Brennstoffzelle abgestrahlt wird und eine natürliche Kühlung auftritt. Aufgrund dessen wird eine große Zahl einzelner Zellen, die am Endteil des Stapelkörpers angeordnet sind, durch die Wärmeleitung gekühlt, wodurch ein Flutungsproblem auftritt.
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Für diese Art von Problem wurde eine Technologie vorgeschlagen, die die Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung einer Heizvorrichtung während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels glättet bzw. ausgleicht (siehe beispielsweise
JP 306380 A ).
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Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme sind zudem Gegenstand der
JP 2005-158431 A sowie der
JP 2004-362943 A . Zudem ist aus der
DE 11 2005 001 754 T5 ein Brennstoffzellensystem mit Einlass- und Auslassöffnungen für Luft, Wasserstoff und Kühlmittel entnehmbar. Ein weiteres Brennstoffzellensystem ist Gegenstand der
DE 11 2008 003 285 T5 .
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KURZFASSUNG
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Mit der Erfindung zu lösende Aufgabe
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Wenn jedoch eine Anordnung verwendet wird, die eine Heizvorrichtung verwendet, besteht das Problem dass die Gesamtabmessung des Brennstoffzellenstapels größer wird. Daher besteht ein Bedarf, das Fluten zu vermeiden bzw. unterdrücken während eine Zunahme der Größe des Brennstoffzellenstapels vermieden werden kann.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorliegende Erfindung löst das vorstehend beschriebene Problem zumindest teilweise und kann in den nachfolgenden Arten und Aspekten realisiert werden.
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[Aspekt 1]
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Brennstoffzellenstapel, aufweisend:
einen Stapelkörper, der gebildet wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Leistung erzeugenden Elementen, die jeweils eine Elektrolytmembran umfassen, auf deren Anodenseite und Katodenseite jeweils elektrokatalytische Schichten ausgebildet sind, wobei die Elektrolytmembran zwischen Separatoren zum Bereitstellen von Strömungspfaden zum Zuführen von Reaktionsgasen zu den elektrokatalytischen Schichten, sandwichartig aufgenommen ist, und
Kollektorplatten, die an beiden Enden des Stapelkörpers angeordnet sind, um durch den Stapelkörper erzeugte Elektrizität abzugreifen und nach außen auszugeben, wobei
auf dem Separator und der Kollektorplatte eine Anodengas-Zuführöffnung zum Zuführen von Reaktionsgas zur Anode, eine Katodengas-Zuführöffnung zum Zuführen von Reaktionsgas zur Katode, eine Anodenabgas-Auslassöffnung zum Ausgeben von Anodenabgas, eine Katodenabgas-Auslassöffnung zum Ausgeben von Katodenabgas, eine Mediumzuführöffnung zum Zuführen eines Kühlmediums in den Stapelkörper, zum Kühlen des Stapelkörpers während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels, und eine Mediumauslassöffnung zum Ausgeben des Kühlmediums aus dem Stapelkörper, ausgebildet sind, welche den Brennstoffzellenstapel in Stapelrichtung durchdringen und Einlaß- sowie Auslaßöffnungen an den Enden des Stapelkörpers aufweisen, wobei die Einlassöffnungen jeweils mit Einrichtungen zum Zuführen von Anodengas, Katodengas und Kühlmedium verbunden sind,
und auf der Kollektorplatte auf der Anodenseite, die am anodenseitigen Ende des Stapelkörpers angeordnet ist,
eine Ausgangsklemme zum Ausgeben von zumindest einem Teil der abgegriffenen Elektrizität nach außen, in einer Ebenenrichtung des Stapelkörpers, an einer Stelle näher an der Anodenabgas-Auslassöffnung, der Katodenabgas-Auslassöffnung und der Mediumszuführöffnung als an der Anodengas-Zuführöffnung, der Katodengas-Zuführöffnung und der Mediumauslassöffnung angeordnet ist.
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Ein Fluten kann in der Nähe der Katodenabgas-Auslassöffnung, der Anodenabgas-Auslassöffnung und der Mediumszuführöffnung auftreten. Insbesondere kann die Verschlechterung des Katalysators durch das Fluten auf der Anodenseite verursacht werden. Die Ausgangsklemme strahlt in Wärme aufgrund des elektrischen Widerstands ab, wenn Sie Elektrizität ausgibt. Durch Vorsehen einer Ausgangsklemme bei der Kollektorplatte auf der Anodenseite in der Nähe von zumindest der Anodenabgas-Auslassöffnung, der Katodenabgas-Auslassöffnung und/oder der Mediumszuführöffnung ist es möglich, den Teil, bei dem das Fluten auftritt, leicht zu erwärmen, und das Fluten zu unterdrücken. Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, das Fluten zu unterdrücken während die Zunahme der Größe des Brennstoffzellenstapels vermieden wird.
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[Aspekt 2]
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Brennstoffzellenstapel nach Anwendungsbeispiel 1, wobei,
die Kollektorplatte auf der Anodenseite einen Bereich mit hohem elektrischen Widerstand hat, bei dem der elektrische Widerstand pro Längeneinheit in der Nähe der Ausgangsklemme in einem Teil größer ist als der des übrigen Teils.
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Durch diese Art von Anordnung wird das Wärmeabstrahlungsvolumen in jenem Teil, in welchem das Fluten auftritt, leicht größer, so dass es möglich ist, das Fluten besser zu unterdrücken.
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[Aspekt 3]
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Brennstoffzellenstapel nach Anwendungsbeispiel 2, wobei,
der Bereich der Kollektorplatte auf der Anodenseite mit hohem elektrischen Widerstand eine dünnere Plattendicke aufweist als der übrige Teil, so dass der elektrische Widerstand pro Längeneinheit größer wird.
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Durch diese Art von Anordnung ist es möglich, den elektrischen Widerstand leicht zu erhöhen.
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Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Art realisiert werden kann und beispielsweise als Brennstoffzellensystem, das mit dem vorstehend genannten Brennstoffzellenstapel ausgestattet ist, als Fahrzeug das mit diesem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, oder dergleichen realisiert werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Draufsicht auf den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine erklärende Darstellung, die schematisch einen Querschnitt einer einzelnen Zelle zeigt;
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3 zeigt eine Draufsicht auf den schematischen Aufbau der Kollektorplatte auf der Anodenseite;
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4 zeigt einen Graph, der die Beziehung zwischen der Zellposition und der Temperatur des Brennstoffzellenstapels zeigt;
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5 zeigt einen Graph, der die Änderung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels über die Zeit zeigt;
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6 zeigt eine Darstellung, die schematisch die Kollektorplatte auf der Anodenseite gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
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7 zeigt eine Draufsicht auf den schematischen Aufbau der Kollektorplatte auf der Anodenseite gemäß einer ersten Abwandlung; und
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8 zeigt eine Draufsicht auf den schematischen Aufbau der Kollektorplatte auf der Anodenseite gemäß einer zweiten Abwandlung.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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A. Erste Ausführungsform
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A1. Aufbau des Brennstoffzellenstapels
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 100 als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 100 stellt eine Solidpolymerbrennstoffzelle zum Erzeugen von Leistung unter Verwendung von Luft aus Oxidationsgas und Wasserstoff als Brenngas dar. Der Brennstoffzellenstapel 100 hat einen Stapelkörper 400, der aus einer Mehrzahl von gestapelten einzelnen Zellen 40 besteht, die jeweils mit einer Einzeldichtelement-MEA ausgebildet sind, die zwischen zwei Separatoren sandwichartig aufgenommen ist. Eine Anodenseite-Kollektorplatte (Kollektorplatte auf der Anodenseite) 30, eine Isolatorplatte 20 sowie eine Endplatte 10 sind an dem anodenseitigen Ende des Stapelkörpers gestapelt, und eine Kateodenseite-Kollektorplatte (Kollektorplatte auf der Katodenseite) 50, eine Isolatorplatte 60 sowie eine Endplatte 70 sind in ähnlicher Weise an dem katodenseitigen Ende gestapelt. Der Brennstoffzellenstapel 100 wird über eine Spannungsplatte oder dergleichen, die nicht dargestellt ist, in einem Zustand befestigt und gehalten, bei dem ein bestimmter Druck in Stapelrichtung aufgebracht wird. Die Zahl der Stapelschichten der einzelnen Zellen 40 kann entsprechend der benötigten Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 100 frei gewählt werden. Es sei angemerkt, dass in 1 einer einzelnen Zelle 40, die zwischen der Kollektorplatte auf der Anodenseite 30 und der Kollektorplatte auf der Katodenseite 50 angeordnet ist, ein Bezugszeichen zugeordnet ist, und die übrigen Zellen ohne Bezugszeichen dargestellt werden.
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Der Brennstoffzellenstapel 100 ist ferner mit einem den Brennstoffzellenstapel 100 in Stapelrichtung durchdringenden Anodenabgaszufuhr-Sammelrohr, einem Anodenabgasauslass-Sammelrohr, einem Katodenabgaszufuhr-Sammelrohr, einem Katodenabgasauslass-Sammelrohr, einem Kühlwasserzuführ-Sammelrohr und einem Kühlwasserauslass-Sammelrohr ausgebildet. Diese Sammelrohre werden durch Stapeln der vorstehend genannten Einzeldichtelement-MEA, Separatoren, Endplatten 10 und 70, Isolatorplatten 20 und 60, Anodenseite-Kollektorplatte 30 und Katodenseite-Kollektorplatte 50 und durch Vorsehen von entsprechenden Durchgangsöffnungen in diesen Elementen ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird Kühlwasser als Kühlmittel verwendet, wobei es jedoch auch möglich ist ein anderes Kühlmittel wie beispielsweise in Ethylenglykol, Propylenglykol oder dergleichen zu verwenden.
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Um die Steifigkeit bzw. Festigkeit sicherzustellen werden die Endplatten 10 und 70 unter Verwendung eines Metalls wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen ausgebildet. Rostfreier Stahl wird für die anodenseitige Kollektorplatte bzw. Anodenseite-Kollektorplatte 30 und die katodenseitige Kollektorplatte bzw. Katodenseite-Kollektorplatte 50 verwendet, wobei anstelle von rostfreiem Stahl auch ein anderes Metall wie beispielsweise Titan, Aluminium oder dergleichen oder ein Gas undurchlässiges, leitfähiges Element wie feiner Kohlenstoff (fine carbon) oder dergleichen verwendet werden kann. Die Isolatorplatten 20 und 60 werden unter Verwendung eines isolierenden Materials wie beispielsweise Gummi, Harz oder dergleichen ausgebildet. Ausgangsklemmen 39 und 59 sind jeweils auf den Kollektorplatten 30 und 50 vorgesehen, wodurch die durch den Brennstoffzellenstapel 100 erzeugte Leistung ausgegeben werden kann.
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2 zeigt eine erläuternde Darstellung, die schematisch den Querschnitt einer einzelnen Zelle 40 zeigt. Die einzelne Zelle 40 hat einen anodenseitigen Separator 44 sowie einen katodenseitigen Separator 46, die entsprechend an beiden Flächen der Einzeldichtelement-MEA 42 angeordnet sind.
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Die Einzeldichtelement-MEA 42 hat ein rahmenförmiges Dichtelement 422 das als einzelnes Element mit der MEA 421 am Außenumfang der MEA 421 ausgebildet ist, die eine im allgemeinen rechteckige Form aufweist. Die MEA 421 wird durch Stapeln – in dieser Reihenfolge – einer Anode 424 und einer anodenseitigen Diffusionsschicht 425 auf einer Seite einer Elektrolytmembran 423, und Stapeln – in dieser Reihenfolge – einer Katode 426 und einer katodenseitigen Diffusionsschicht 427 auf der anderen Seite, ausgebildet.
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Bei dieser Ausführungsform wird eine Polyelektrolyt-Membran, die unter Verwendung eines Fluorharzes ausgebildet wurde, als Elektrolytmembran 423 verwendet. Als Anode 424 und Katode 426 werden Elektroden verwendet, die aus einem Kohlenstoffträger gebildet sind, der Platin sowie eine Platinlegierung als Katalysator trägt. Als anodenseitige Diffusionsschicht 425 und katodenseitige Diffusionsschicht 427 wird ein Wasser abweisender Kohlenstofffilz verwendet. Um das abfließen zu verbessern, wird bei dieser Ausführungsform eine wasserabweisende Behandlung der Diffusionsschichten 425 und 427 angewandt, wobei es jedoch auch möglich ist, eine Konfiguration zu verwenden, bei der die wasserabweisende Behandlung nicht angewendet wird. Das Dichtelement 422 wird durch spritzgießen unter Verwendung von Silikongummi hergestellt. Das Material eines jeden Teiles, der die Einzeldichtelement-MEA 42 ausbildet, ist nicht auf das dieser Ausführungsform beschränkt sondern es ist möglich, verschiedene Arten bekannter Materialien zu verwenden.
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Auf der an die anodenseitige Diffusionsschicht 425 angrenzenden Oberfläche des anodenseitigen Separators 44 ist ein Anodengasströmungspfad 441 zum Verteilen und Strömen von Anodengas in Oberflächenrichtung der anodenseitigen Diffusionsschicht 425 ausgebildet, und auf der anderen Seite ist ein Kühlwasserströmungspfad 442 zum Strömen von Kühlwasser ausgebildet. Daneben ist auf der an die katodenseitige Diffusionsschicht 427 angrenzenden Oberfläche des katodenseitigen Separators 46 ein Katodengasströmungspfad 461 zum Verteilen und Strömen von Katodengas in Oberflächenrichtung der katodenseitigen Diffusionsschicht 427 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird rostfreier Stahl für den anodenseitigen Separator 44 und den katodenseitigen Separator 46 verwendet. Das Separatormaterial ist nicht auf das dieser Ausführungsform begrenzt sondern es kann auch ein anderes Metall wie beispielsweise Titan, Aluminium oder dergleichen oder ein Gas undurchlässiges, leitfähiges Element wie feiner Kohlenstoff (fine carbon) oder dergleichen verwendet werden.
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Es sei angemerkt, dass der Aufbau des Separators nicht auf den in dieser Ausführungsform beschränkt ist, und es möglich ist, Separatoren unterschiedlicher Bauart zu verwenden. Beispielsweise ist es auch möglich, eine Bauform zu verwenden, bei der der Anodengasströmungspfad und der Katodengasströmungspfad auf den jeweiligen Seiten eines Separators ausgebildet sind. Es ist auch möglich, einen porösen Körper als Gasströmungspfad zu verwenden, und einen 3-lagigen Separator zu verwenden, der mit einer glatten Oberfläche versehen ist, die dem porösen Körper gegenüber liegt und in seinem Inneren einen Kühlwasserströmungspfad aufweist.
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3 zeigt eine Ansicht, die schematisch den Aufbau der Anoden-Kollektorplatte 30 zeigt. Die anodenseitige Kollektorplatte 30 ist mit einer Kollektoreinheit 38 und einer Ausgangsklemme 39 ausgebildet. Die Kollektoreinheit 38 ist als flache Platte ausgebildet, die eine annähernd rechteckige Form mit der selben Außenkontur wie die einzelne Zelle 40 hat, wobei in ihrem umlaufenden Randbereich die Anodengas-Zuführöffnung 33, die Anodenabgas-Auslassöffnung 34, die Katodengas-Zuführöffnung 31, die Katodenabgas-Auslassöffnung 32, die Kühlwasser-Zuführöffnung 35 und die Kühlwasserauslassöffnung 36 ausgebildet sind, die das vorstehend genannte Anodenabgaszufuhr-Sammelrohr, Anodenabgasauslass-Sammelrohr, Katodenabgaszufuhr-Sammelrohr, Katodenabgasauslass-Sammelrohr, Kühlwasserzuführ-Sammelrohr und Kühlwasserauslass-Sammelrohr ausbilden.
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Die Ausgangsklemme 39 ist elektrisch beispielsweise mit einer Sekundärzelle oder einer externen Last wie beispielsweise einem Antriebsmotor oder dergleichen zum Fahren eines Fahrzeugs verbunden, und ist eine Klemme zum Ausgeben von Elektrizität, die durch den Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt wurde, und Zuführen derselben an die externe Last. Die Ausgangsklemme 39 ist in der Nähe der Anodenabgas-Auslassöffnung 34, in der Nähe der Katodenabgas-Auslassöffnung 32 und in der Nähe der Kühlwasserzuführöffnung 35 ausgebildet.
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Der Querschnittsbereich der Ausgangsklemme 39 ist kleiner als der der Kollektoreinheit 38, wodurch das Wärmeabstrahlungsvolumen, wenn in dem Brennstoffzellenstapel 100 erzeugte Elektrizität ausgegeben wird, größer ist als das der Kollektoreinheit 38. Daher wird bei der anodenseitigen Kollektorplatte dieser Ausführungsform, in der Ebene der Kollektoreinheit 38, die Temperatur in der Nähe der Ausgangsklemme 39 höher als in anderen Bereichen.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Ausgangsklemme 59 der katodenseitigen Kollektorplatte 50 an gleicher Stelle wie bei der anodenseitigen Kollektorplatte 30 vorgesehen.
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A2. Effekt der Ausführungsform
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Nachfolgend wird die Wirkung bzw. der Effekt dieser Ausführungsform mit einem Vergleichsbeispiel verglichen und basierend auf den 4 und 5 beschrieben. Bei dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform ist die Ausgangsklemme 39 der anodenseitigen Kollektorplatte 30 in der Nähe der Anodenabgas-Auslassöffnung 34 ausgebildet, wohingegen bei dem Brennstoffzellenstapel des Vergleichsbeispiels die Ausgangsklemme der anodenseitigen Kollektorplatte in der Nähe der Anodengas-Zuführöffnung 33 ausgebildet ist. Insbesondere ist die Ausgangsklemme 39 dieser Ausführungsform in der Nähe des Bereichs F ausgebildet, der umgeben von gepunkteten Linien in 3 dargestellt ist, wohingegen die Ausgangsklemme des Vergleichsbeispiels nicht in der Nähe des Bereichs F angeordnet ist. Der Brennstoffzellenstapel des Vergleichsbeispiels hat dieselbe Konfiguration wie die Konfiguration des Brennstoffzellenstapel sein 100 dieser Ausführungsform mit Ausnahme der Tatsache, dass die Anordnung der Ausgangsklemme sich von der Anordnung beim Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Erfindung unterscheidet.
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4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Zellenposition und der Temperatur des Brennstoffzellenstapel zeigt. 5 ist ein Graph, der die Änderung der Temperatur des Brennstoffzellenstapel über die Zeit zeigt. Die Temperatur wird für alle einzelnen Zellen und die Kollektorplatte in dem Bereich gemessen, der dem Bereich F entspricht. In den 4 und 5 sind die Temperaturänderungen des Brennstoffzellenstapels 100 dieser Ausführungsform mit einer durchgezogene Linie dargestellt, und die Temperaturänderungen des Brennstoffzellenstapels des Vergleichsbeispiels sind durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
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Während des Betriebs und unmittelbar nach den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 dieser Ausführungsform ist die Temperatur im Bereich F bei der anodenseitigen Kollektorplatte 30 und katodenseitigen Kollektorplatte 50 höher als bei dem Vergleichsbeispiel, und die Temperatur der einzelnen Zelle in der Nähe des Endteiles des Stapelkörpers ist hoch (4 und 5). Daher ist es mit dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform möglich, das Fluten besser zu verhindern als bei dem Vergleichsbeispiel.
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Üblicherweise ist es in einem Brennstoffzellenstapel einfach, dass das Wasser (einschließlich Wasserdampf und flüssiges Wasser) in der Nähe der Anodenabgas-Auslassöffnung, Katodenabgas-Auslassöffnung und Kühlwasserzuführöffnung zusammenfliest. Insbesondere ist es für Wasser einfach, in dem Bereich entsprechend dem Bereich F in der einzelnen Zelle zusammenzufliesen. Bei dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass das Fluten wirksam unterdrückt werden kann, da die Ausgangsklemme 39 in der Nähe des Bereichs F vorgesehen ist, in welchem das Wasser leicht zusammenfliest (3).
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Auch ist es mit dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform möglich, die Verschlechterung des Katalysators an der Anode der einzelnen Zelle 40, die in der Nähe der anodenseitigen Kollektorplatte 30 angeordnet ist, zu unterdrücken. Man geht davon aus das der Grund hierfür der nachfolgende ist.
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Wenn ein Fluten auf der Anodenseite der einzelnen Zelle 40 auftritt, wird kein Wasserstoff zu dem Teil geführt, bei dem das Fluten aufgetreten ist, so dass eine Reaktion (C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e–), die aus Kohlenstoff im Katalysator und Wasser ein Proton erzeugt, auftritt, und es besteht das Risiko, dass der Katalysator abbaut. Üblicherweise bewegt sich bei dem Brennstoffzellenstapel, bei dem die einzelnen Zellen in der Nähe der anodenseitigen Kollektorplatte sind, da auf der Anodenseite eine geringere Temperatur herrscht als auf der Katodenseite (4) Wasser von der Katodenseite zu Anodenseite und das Fluten tritt auf der Anodenseite auf. Bei den einzelnen Zellen in der Nähe der katodenseitigen Kollektorplatte tritt auf der Anodenseite nicht so leicht ein Fluten auf.
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Mit dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform steigt, durch Vorsehen der Ausgangsklemme 39 der anodenseitigen Kollektorplatte 30 in der Nähe des Bereichs F die Temperatur des Bereichs F der anodenseitigen Kollektorplatte 30 stärker als bei dem Vergleichsbeispiel, und die Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden in den einzelnen Zellen in der Nähe der anodenseitigen Kollektorplatte 30 ist geringer als bei dem Vergleichsbeispiel (4 und 5). Als Ergebnis wird, bei den einzelnen Zellen in der Nähe der anodenseitigen Kollektorplatte 30, die Bewegung von Wasser von der Katodenseite zur Anodenseite unterdrückt, und das Fluten der Anodenseite wird unterdrückt. Daher ist es möglich, die Verschlechterung des Katalysators aufgrund eines Mangels an Wasserstoff auf der Anodenseite zu unterdrücken.
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Es sei angemerkt, dass bei dem Brennstoffzellenstapel 100 eine große Wassermenge auf der Katodenseite mit einzelnen Zellen in der Nähe der katodenseitigen Kollektorplatte 50 ist. Wenn ein Fluten auf der Katodenseite auftritt, wird keine Luft zugeführt, so dass das Risiko besteht, dass die Zellspannung abnimmt. Jedoch ist bei dieser Ausführungsform selbst bei der katodenseitigen Kollektorplatte 50 die Ausgangsklemme 59 in der Nähe des Bereichs angeordnet, bei dem leicht das Fluten auftritt, so dass das Fluten der Katodenseite verhindert werden kann und es möglich ist, die Abnahme der Zellspannung zu unterdrücken.
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Ferner ist es bei dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform möglich, das Fluten ohne Vorsehen einer Heizvorrichtung, wie beispielsweise einer Heizung oder dergleichen, zu vermeiden, so dass es möglich ist, das Fluten zu unterdrücken, während eine Zunahme der Größe des Brennstoffzellenstapel vermieden werden kann. Wenn beispielsweise ein Aufbau verwendet wird, bei dem eine Heizung vorgesehen ist, wird zudem Leistung zum Antreiben der Heizung sowie eine Steuervorrichtung zum Steuern der Heizung benötigt, und es kommt zu dem Problem, dass die Erzeugungseffizienz der Leistung des Brennstoffzellenstapel abnimmt. Dem gegenüber ist es mit dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform, verglichen zu einer Ausführungsform mit Heizung, möglich, die Erzeugungseffizienz der mit dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Leistung zu erhöhen.
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B. zweite Ausführungsform
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Der Brennstoffzellenstapel der zweiten Ausführungsform ist gleich dem der ersten Ausführungsform mit Ausnahme des Aufbaus der anodenseitigen Kollektorplatte, so dass nachfolgend die anodenseitigen Kollektorplatte beschrieben wird und auf die Beschreibung des übrigen Aufbaus verzichtet wird. 6 ist eine Darstellung, die schematisch die anodenseitigen Kollektorplatte der zweiten Ausführungsform zeigt. 6 ist (A) eine Draufsicht und (B) eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus (A).
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Die anodenseitigen Kollektorplatte 30A ist, in gleicher Weise wie die anodenseitigen Kollektorplatte 30 der ersten Ausführungsform, mit einer Kollektoreinheit 38A und der Ausgangsklemme 39 ausgebildet. Die Kollektoreinheit 38A dieser Ausführungsform hat eine Außenkontur die, wie bei der Kollektoreinheit 38 der ersten Ausführungsform, annähernd rechteckig ist, und die Katodengas-Zuführöffnung 31, die Katodenabgas-Auslassöffnung 32, die Anodengas-Zuführöffnung 33, die Anodenabgas-Auslassöffnung 34, die Kühlwasserzuführöffnung 35 und die Kühlwasserauslassöffnung 36 sind in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform angeordnet. Auch die Ausgangsklemme 39 ist an der gleichen Stelle wie bei der ersten Ausführungsform angeordnet.
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Der Unterschied zwischen der Kollektoreinheit 38A dieser Ausführungsform und der Kollektoreinheit 38 der ersten Ausführungsform liegt darin, dass ein Bereich hohen elektrischen Widerstandes 37 in der Nähe der Ausgangsklemme 39 vorgesehen ist. Wie in 6(B) dargestellt, hat der Bereich hohen elektrischen Widerstandes 37 eine dünnere Plattenstärke als der übrige Bereich. Der elektrische Widerstand ist umgekehrt proportional zum Querschnittsbereich. Daher ist bei der Kollektoreinheit 38A der elektrische Widerstand pro Längeneinheit des Bereichs hohen elektrischen Widerstandes 37 größer als der des übrigen Bereichs. Wenn die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte Elektrizität über die Ausgangsklemme 39 abgegriffen wird, ist daher das Wärmevolumen, das durch die Elektrizität erzeugt wird, die in den Bereich hohen elektrischen Widerstands 37 strömt größer, als das des übrigen Bereichs. Daher ist es möglich, den Bereich in welchem das Fluten leicht auftritt weiter zu erwärmen, wodurch es möglich ist, das Auftreten von Fluten zu unterdrücken.
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Es sei angemerkt, dass bei dem Brennstoffzellenstapel dieser Ausführungsform der dem Bereich mit hohem elektrischen Widerstand 37 gegenüberliegende Bereich der Isolatorplatte 20A als Vorsprung ausgebildet ist, um in den Bereich hohen elektrischen Widerstandes 37 einzugreifen (6(B)). Durch diese Art von Ausbildung ist es möglich, die Abnahme des Drucks in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels im Bereich hohen elektrischen Widerstandes 37 zu verhindern.
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C. Abwandlungen
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Es sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern es möglich ist, verschiedene Arten dergestalt anzubieten, dass sie nicht von ihrem Grundgedanken abweichen, wobei beispielsweise die folgenden Modifikationen bzw. Abwandlungen möglich sind.
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C1. erste Abwandlung
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Die Anordnung der Ausgangsklemme 39 an einer anodenseitigen Kollektorplatte 30 ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen beschränkt und es ist ausreichend, wenn sie in der Nähe von zumindest der Anodenabgas-Auslassöffnung, der Katodenabgas-Auslassöffnung und/oder der Kühlwasserzuführöffnung angeordnet ist. Beispielsweise ist es auch möglich, sie gemäß der nachfolgend genannten ersten und zweiten Abwandlungen anzuordnen.
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7 zeigt eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau der anodenseitigen Kollektorplatte 30B der ersten Abwandlung zeigt. Die anodenseitigen Kollektorplatte 30B ist mit einer Kollektoreinheit 38B und der Ausgangsklemme 39 ausgebildet. Die Kollektoreinheit 38B der ersten Abwandlung unterscheidet sich von der Kollektoreinheit 38 der ersten Ausführungsform in der Anordnung der Katodengas-Zuführöffnung 31, der Katodenabgas-Auslassöffnung 32, der Anodengas-Zuführöffnung 33, der Anodenabgas-Auslassöffnung 34 und der Kühlwasserzuführöffnung 35. Die Ausgangsklemme 39 ist in der Nähe der Kühlwasserzuführöffnung 35 und der Katodenabgas-Auslassöffnung 32 angeordnet. Selbst bei dieser Anordnung ist es möglich, die Umgebung der Kühlwasserzuführöffnung 35 und der Katodenabgas-Auslassöffnung 32 zu erwärmen, bei welchen das Fluten leicht auftritt, so dass es möglich ist, das Auftreten von Fluten zu verhindern.
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8 zeigt eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau der anodenseitigen Kollektorplatte 30C der zweiten Abwandlung zeigt. Die anodenseitigen Kollektorplatte 30C ist mit einer Kollektoreinheit 38C und Ausgangsklemmen 391 und 392 ausgebildet. Die Kollektoreinheit 38C der zweiten Abwandlung unterscheidet sich von der Kollektoreinheit 38 der ersten Ausführungsform in der Anordnung der Katodengas-Zuführöffnung 31, der Katodenabgas-Auslassöffnung 32, der Anodengas-Zuführöffnung 33, der Anodenabgas-Auslassöffnung 34 und der Kühlwasserzuführöffnung 35. Die Ausgangsklemme 391 ist in der Nähe der Anodenabgas-Auslassöffnung 34 angeordnet, und die Ausgangsklemme 392 ist in der Nähe der Katodenabgas-Auslassöffnung 32 angeordnet. Selbst bei dieser Anordnung ist es möglich, die Wärmeabstrahlung der Ausgangsklemme 391 und 392 zu nutzen, um die Umgebung der Anodenabgas-Auslassöffnung 34 und der Katodenabgas-Auslassöffnung 32 zu erwärmen, bei welchen das Fluten leicht auftritt, so dass es möglich ist, das Auftreten von Fluten zu verhindern.
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C2. zweite Abwandlung
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Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen ist, bei der katodenseitigen Kollektorplatte 50, die Anschlussklemme 59 an einer Stelle angeordnet, die der Stelle der Ausgangsklemme 39 der anodenseitigen Kollektorplatte 30 gegenüberliegt. Die Position der Ausgangsklemme 59 der katodenseitigen Kollektorplatte 50 kann jedoch auch eine Position sein, die nicht der Position der Ausgangsklemme 39 entspricht. Beispielsweise ist es möglich, diese in der Nähe der Anodengas-Zuführöffnung 33 vorzusehen. Selbst mit dieser Anordnung ist es möglich, das Fluten der Anodenseite der einzelnen Zellen 40, die in der Nähe der anodenseitigen Kollektorplatte 30 angeordnet sind, zu verhindern, so dass es möglich ist, das Verschlechtern des Katalysators zu unterdrücken.
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C3. dritte Abwandlung
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Bei der vorstehend erläuterten zweiten Ausführungsform wird, durch Verringern der Plattendicke im Bereich hohen elektrischen Widerstandes 37 verglichen zum übrigen Bereich der elektrische Widerstand pro Längeneinheit größer. Es ist auch möglich, den Widerstand pro Längeneinheit des Bereichs hohen elektrischen Widerstandes 37 unter Verwendung eines anderen Verfahrens zu vergrößern. Beispielsweise ist es auch möglich, ein Material für den Bereich hohen elektrischen Widerstandes 37 mit bestimmten Widerstand (elektrischer Widerstand) zu verwenden, der größer ist als der des übrigen Bereichs. Selbst mit dieser Anordnung ist es möglich, das Auftreten von Fluten durch Erwärmen des Bereichs, in welchem das Fluten leicht auftritt, zu unterdrücken.
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C4. vierte Abwandlung
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Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist es auch möglich, die Breite der Ausgangsklemme 39 der anodenseitigen Kollektorplatte 30 kleiner zu gestalten als die Breite der Ausgangsklemme 59 der katodenseitigen Kollektorplatte 50. Auf diese Weise wird der elektrische Widerstand der Ausgangsklemme 39 der anodenseitigen Kollektorplatte 30 größer als der elektrische Widerstand der Ausgangsklemme 59 der katodenseitigen Kollektorplatte 50. Aufgrund dessen ist die Temperatur in der Nähe der Ausgangsklemme 39 der anodenseitigen Kollektorplatte 30 höher als die Temperatur in der Nähe der Ausgangsklemme 59 der katodenseitigen Kollektorplatte 50. Daher ist es mit dem Brennstoffzellenstapel 100 insbesondere möglich, das Fluten der Anodenseite mit einzelnen Zellen in der Nähe des Endteiles der Anodenseite zu verhindern, wodurch es möglich ist, die Verschlechterung des Katalysators zu unterdrücken.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Endplatte;
- 20, 20A
- Isolatorplatte;
- 30, 30A, 30B, 30C
- anodenseitige Kollektorplatte;
- 31
- Katodengas-Zuführöffnung;
- 32
- Katodenabgas-Auslassöffnung;
- 33
- Anodengas-Zuführöffnung;
- 34
- Anodenabgas-Auslassöffnung;
- 35
- Kühlwasserzuführöffnung;
- 36
- Kühlwasserauslassöffnung;
- 37
- Bereich hohen elektrischen Widerstands;
- 38, 38A, 38B, 38C
- Kollektoreinheit;
- 39, 391, 392, 59
- Ausgangsklemme;
- 40
- einzelne Zelle;
- 42
- Einzeldichtelement-MEA;
- 44
- anodenseitiger Separator;
- 46
- katodenseitiger Separator;
- 50
- katodenseitige Kollektorplatte;
- 60
- Isolatorplatte;
- 70
- Endplatte;
- 100
- Brennstoffzellenstapel;
- 400
- Stapelkörper;
- 421
- MEA;
- 422
- Dichtelement;
- 423
- Elektrolytmembran;
- 424
- Anode;
- 425
- anodenseitige Diffusionsschicht;
- 426
- Katode;
- 427
- katodenseitige Diffusionsschicht;
- 441
- Anodengasströmungspfad;
- 442
- Kühlwasserströmungspfad;
- 461
- Katodengasströmungspfad;
