DE19859504A1

DE19859504A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE19859504A1
Application number: DE19859504A
Authority: DE
Inventors: Horiguchi Munehisa; Ueno Masataka; Takada Noriyuki
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: US6238814B1; JP4543440B2; JPH11317235A; DE19859504B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensy stem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Pro tonenaustauschmembran als ein Elektrolyt verwendet.

Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle weist eine Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen zwei Elektroden auf, das heißt eine Kathode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird, und eine Anode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird. Die PEM dient als ein Elektrolyt und transportiert dorthindurch an der Anode der Brennstoffzelle erhaltene Wasserstoffionen zur Ka thode in der Form von Protonen (H⁺). Jede der Elektroden weist eine auf einem porösen Basisglied abgeschiedene Katalysator schicht auf, durch die das Reaktantgas zugeführt wird. Außer halb jeder Elektrode ist eine Separator- oder Verbindungsplatte mit Rillen angebracht, die es gestatten, daß das Reaktantgas in die Elektrode mit einer konstanten Durchflußmenge eingebracht wird. Ein überschüssiges Gas, das durch die Brennstoffzellen reaktion nicht verbraucht worden ist, wird durch den gerillten Separator ins Freie abgelassen. Die Elektrizität, die durch die Energieumwandlungsreaktion an der Anode erzeugt wird, wird am porösen Elektrodenbasisglied gesammelt und zum Äußeren des Brennstoffzellensystems durch den Separator transportiert. Bei der tatsächlichen Anwendung weist das System mehrere Brenn stoffzellen auf, die in Aufeinanderfolge geschichtet sind, wo bei der Separator zwischen benachbarten Brennstoffzellen ange ordnet ist.

Da die Brennstoffzelle entsprechend der erzeugten elektri schen Leistung Wärme erzeugt, weist ein Brennstoffzellenstapel 100 üblicherweise zwischen Brennstoffzellen 101, 101 an vorher bestimmten Intervallen Kühlplatten 103 auf, wie in Fig. 9 ge zeigt. Jede Kühlplatte weist einen Durchgang eines Kühlmittels, wie Luft und Wasser auf, um eine übermäßige Überhitzung der Brennstoffzellen 101 im Betrieb zu verhindern.

Ein Proton wird hydriert, wenn es durch das PEM-Elektrolyt übertragen wird, so daß die PEM dazu neigt, dehydriert zu wer den, wenn die Brennstoffzellenreaktion fortschreitet. Die PEM muß immer richtig befeuchtet werden, um eine Abnahme der Ionen leitfähigkeit und der Energieumwandlungseffizienz zu verhin dern. Bei den herkömmlichen Gestaltungen wird Wasserstoffgas durch geeignete Einrichtungen befeuchtet, das wiederum die PEM befeuchtet, wenn es der Anode zugeführt wird.

Verschiedene Versuche sind vorgeschlagen worden, um Luft zu befeuchten, die der Kathode zugeführt werden soll. Da die Ka thode der Brennstoffzelle im Betrieb auf zum Beispiel 80°C er wärmt worden ist, sollte die Luft einer normalen Temperatur durch einen Befeuchter vorerwärmt werden, so daß ihr gesättig ter Dampf mit der Umgebungsdampfbedingung der Kathode konsi stent wird. Ein solcher Befeuchter, der es benötigt, daß er eine Wasserzuführfunktion und eine Luftvorerwärmungsfunktion auf weist, kann in seiner Konstruktion nicht einfach sein.

In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-14599 ist eine Wassereinspritzdüse vorgesehen, um eine not wendige Wassermenge in eine lufteinbringende Röhre einzusprit zen, durch die der Kathode der PEM-Brennstoffzelle Luft zuge führt wird. Da die Düse stromaufwärts eines Kompressors ange ordnet ist, wird aus der Düse eingespritztes flüssiges Wasser verdampft, wenn es Wärme ausgesetzt wird, die durch den Kom pressor erzeugt wird. Folglich wird die Kathode durch Dampf und nicht durch flüssiges Wasser befeuchtet.

Im Brennstoffzellensystem der ungeprüften japanischen Pa tentveröffentlichung Nr. 9-266004 wird ein Ablaßgas von der An ode, das Wasserstoffgas enthält, das nicht während der anodi schen Reaktion verbraucht worden ist, in die Kathode einge bracht, wo das unverbrauchte Wasserstoffgas im Ablaßgas mit Sauerstoff verbrannt wird, um Wasser zu erzeugen, das das PEM-Elektrolyt gut befeuchtet. In diesem System gibt es keinen Be darf, einen Befeuchter zum Befeuchten von Luft einzubauen, die der Kathode zugeführt werden soll.

Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wird ein Elektron, das an der Anode erzeugt wird, zur Kathode bewegt, wo es mit Sauerstoff in der Luft oder irgendeinem anderen Oxida tionsgas reagiert, das dorthin zugeführt wird, um Wasser zu er zeugen. Demzufolge gibt es gemäß der herkömmlichen Kenntnis in der Technik einen größeres Bedürfnis, Wasserstoffgas zu be feuchten, das der Anode zugeführt werden soll, als an der Ka thode, wo Wasser mindestens teilweise selbstunterhaltend sein kann.

Als Ergebnis von wiederholten Versuchen und Untersuchungen der Erfinder ist jedoch herausgefunden worden, daß Wasser, das an der Kathode erzeugt wird, das PEM-Elektrolyt zur Anode hin durchdringt, was es überflüssig macht, Wasserstoffgas zu be feuchten, das der Anode zugeführt werden soll. Andererseits neigt eine Wassermenge des PEM-Elektrolyts an der Kathodenseite dazu, durch Berührung mit dem Luftstrom zur Kathode abzunehmen. Ein solcher Befund steht im Widerspruch zur herkömmlichen Kenntnis und ist durch die gegenwärtigen Erfinder zuerst er kannt worden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf dem oben beschriebenen Befund beruhendes Brennstoffzellensystem be reitzustellen, das fähig ist, eine Protonenaustauschmembran in einem geeigneten Feuchtigkeitszustand zu halten.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in seiner Konstruk tion einfach, klein in seinen Abmessungen, einfach einzubauen und daher insbesondere geeignet ist, an einem Fahrzeug ange bracht zu werden.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Oberflächen der Kathoden in den jeweiligen Brennstoff zellen in einem Brennstoffzellenstapel reibungslos und effektiv flüssiges Wasser zuzuführen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, in dem Wasser der Ober fläche der Kathode nicht in einem Dampfzustand, sondern in einem flüssigen Zustand zugeführt wird. Folglich weist das erfin dungsgemäße Brennstoffzellensystem auf: einen Stapel mehrerer Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode an geordnet ist, aufweisen; einen Lufteinlaßverteiler, der über dem Stapel angebracht ist, um mehreren sich longitudinal er streckenden Luftstromdurchgängen der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; eine oder mehrere Düseneinrichtungen, die an Seitenwänden des Lufteinlaßverteilers angebracht sind, zum Ein spritzen vom Wasser in den Lufteinlaßverteiler; und Wasserzu führeinrichtungen, um den Düseneinrichtungen Wasser zuzuführen.

Flüssiges Wasser, das dem Lufteinlaßverteiler über dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, wird vorzugsweise la tente Wärme aus der Luft um die Kathode aufnehmen, um eine Was serverdampfung von der Elektrolytmembran zu verhindern, die folglich in einem geeigneten und gleichförmigen Feuchtigkeits zustand bleibt. Dies trägt zur Verbesserung der Leistungsfähig keit und Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems bei. Die Zu fuhr des flüssigen Wassers ist auch wirksam, die Kathode zu küh len, die andernfalls auf eine übermäßige Temperatur überhitzt würde, was bedeutet, daß die Temperatur der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle gesteuert werden kann, ohne die Notwendigkeit, Kühlplatten zu verwenden. Das Anbringen der Düseneinrichtungen an die Seitenwand des Lufteinlaßverteilers wird eine Erhöhung der Gesamthöhe des Brennstoffzellensystems vermeiden, was be sonders wichtig ist, wenn das System in einem Fahrzeug ange bracht ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er findung sind die Düseneinrichtungen jeweils an einem Paar ge genüberliegender Seitenwände des Lufteinlaßverteilers an gegen einander versetzten Orten angebracht. Alternativ weisen die Dü seneinrichtungen an gegenüberliegenden Seitenwänden des Luft einlaßverteilers verschiedene Wassereinspritzwinkel auf. In je der Ausführungsform wird das gesprühte Wasser gleichförmig dis pergiert und über den gesamten Querschnitt des Lufteinlaßver teilers verteilt und es ihm daher erlaubt, in alle Luftstrom durchgänge der jeweiligen Brennstoffzellen, die unterhalb eines einzelnen Lufteinlaßverteilers angebracht sind, einzutreten.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung weist der Lufteinlaßverteiler eine Doppelseiten wandstruktur- auf, die eine äußere Seitenwand und eine innere Seitenwand aufweist, um dazwischen einen Durchgang zu definie ren, durch den Wasser zu den Düseneinrichtungen befördert wird, die an der inneren Seitenwand des Lufteinlaßverteilers ange bracht sind, um Wasser in einem Raum innerhalb der inneren Sei tenwand einzuspritzen. Es gibt einen einzelnen Wasserdurchgang zwischen äußeren und inneren Seitenwänden des Lufteinlaßvertei lers, durch den den jeweiligen Düseneinrichtungen Wasser zuge führt wird.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung weist jeder der Luftstromdurchgänge eine vergrö ßerte obere Öffnung auf, die mit dem Lufteinlaßverteiler ver bindbar ist. Dies erleichtert den reibungslosen Eintritt des gesprühten Wassers in die jeweiligen Luftstromdurchgänge. In einer speziellen Gestaltung weist jede der Brennstoffzellen im Stapel mehrere sich longitudinal erstreckende Trennwände zwi schen zwei angrenzenden Luftstromdurchgängen auf, und jede der Trennwände ist an einem oberen Endabschnitt davon eingeengt, um die vergrößerte obere Öffnung des Luftstromdurchganges zu de finieren. Der obere Endabschnitt der Trennwände kann zugespitzt oder abgerundet sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das aufweist: einen Stapel mehrerer Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, aufweisen; einen Lufteinlaßvertei ler, der in der Nähe des Stapels angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brenn stoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; Wasserzuführeinrichtun gen, um dem Lufteinlaßverteiler Wasser zuzuführen; und Rotati onsgebläseeinrichtungen zum Dispergieren und Verteilen von Was ser, das einem Inneren des Lufteinlaßverteilers durch die Was serzuführeinrichtungen zugeführt wird. In einer vorzuziehenden Ausführungsform weisen die Rotationsgebläseeinrichtungen ein oder mehrere Luftabsauggebläse auf, die an einem Lufteinlaßan schluß des Lufteinlaßverteilers angebracht sind, und die Was serzuführeinrichtungen sind an einem Ort stromaufwärts vom Ge bläse in einem Luftstrom zum Lufteinlaßverteiler geöffnet, so daß Wasser, das von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführt wird, vom Gebläse zusammen mit dem Luftstrom dispergiert und verteilt wird. Das Rotationsgebläse erzeugt im Lufteinlaßver teiler einen negativen Druck (Unterdruck), so daß Wasser ohne Pumpeneinrichtungen oder mit weniger Kapazität der Pumpenein richtungen dem Lufteinlaßverteiler zugeführt werden kann.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das aufweist: einen Stapel mehrerer Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, aufweisen; einen Lufteinlaßver teiler, der in der Nähe des Stapels angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brenn stoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; Wasserzuführeinrichtun gen, um dem Lufteinlaßverteiler Wasser zuzuführen; Luftzuführ einrichtungen, um der Kathode jeder der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; und Wasserstoffgaszuführeinrichtungen, um der Anode jeder der Brennstoffzellen im Stapel Wasserstoff gas zuzuführen, in welchen die Wasserstoffgaszuführeinrich tungen eine wasserstoffspeichernde Legierung aufweisen, die Wasserstoffgas erzeugt, wenn sie erwärmt wird, und Wärmeerzeu gungseinrichtungen, die in der Nähe der wasserstoffspeichernden Legierung angebracht sind, um mit der wasserstoffspeichernden Legierung in Wärmeaustausch treten zu können. Dieses System nutzt den Wärmeaustausch zwischen den Wärmeerzeugungseinrich tungen und der wasserstoffspeichernden Legierung, um die endo therme Reaktion der letzteren, die Wasserstoffgas erzeugt, zu verbessern. Die Wärmeerzeugungseinrichtungen weisen vorzugs weise einen Gleichspannungswandler oder einen Motor auf, der durch eine Leistungsabgabe vom Stapel angetrieben wird.

Die vorhergehenden und weiteren Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung können aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeich nungen gelesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms die Struktur einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungs vorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung aus führt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die die einzelne Brennstoff zellenstruktur in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;

Fig. 3 eine schematische Ansicht, die die Vorrichtung aus Fig. 1 zeigt, die in einem Fahrzeug angebracht ist;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Aufbaus, der aus einem Luft einlaßverteiler, einem Brennstoffzellenstapel, einem Kondensator und einem lufteinbringenden Gebläse be steht;

Fig. 5 eine Draufsicht des Aufbaus aus Fig. 4;

Fig. 6 eine Unteransicht des Aufbaus aus Fig. 4;

Fig. 7 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms die Struktur des Aufbaus aus Fig. 4 zeigt;

Fig. 8 ein Beispiel der Düsenanordnung in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellen stapel und eine Separatorstruktur desselben zeigt;

Fig. 10 ein weiteres Beispiel der Separatorstruktur; und

Fig. 11 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms eine andere Ausführungsform der Brennstoffzellen-Strom erzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 1 zeigt in Form eines Diagramms die Struktur einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung 1 gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen ei nen Protonenaustausch-Elektrolytbrennstoffzellenstapel 2, ein Brennstoffgaszuführsystem 10, das eine wasserstoffspeichernde Legierung 11 enthält, ein Luftzuführsystem 40, ein Wasserzu führsystem 50 und ein Leistungsabgabesystem 70 aufweist.

Der Brennstoffzellenstapel 2 weist mehrere einzelne Brenn stoffzelleneinheiten U auf, die in Reihe geschaltet sind. In Fig. 2 wird eine Struktur einer einzelnen Brennstoffzellenein heit U gezeigt, die, wie in der Technik bekannt ist, aufweist: eine Luftelektrode oder Kathode 3, eine Brennstoffelektrode oder Anode 4, eine Elektrolytmembran 5, die dazwischen angeord net ist. Separatoren 6, 7 aus Carbon-Black sind an beiden Seiten der Kathode 3 bzw. der Anode 4 vorgesehen, die angrenzende Brennstoffzelleneinheiten trennen. Obwohl einzelne Brennstoff zelleneinheiten U mehrere und unterschiedliche Strukturen auf weisen können, weist der Separator 6 im Beispiel der Fig. 2 meh rere sich longitudinal erstreckende Luftstromdurchgänge 8 auf, die Luft in Kontakt mit der Kathode 3 dort hindurch strömen las sen, wohingegen der Separator 7 mehrere sich transversal er streckende Wasserstoffgasstromdurchgänge 9 aufweist, die Was serstoffgas in Kontakt mit Anode 4 dort hindurch strömen lassen.

Das Brennstoffgaszuführsystem 10 weist eine wasserstoff speichernde Legierung 11 und einen Wasserstoffgas-Einlaßdurch gang 20 auf, durch den Wasserstoffgas, das aus der wasserstoff speichernden Legierung 11 ausströmt, den Wasserstoffgasstrom durchgängen 9 an den Anoden 4 der jeweiligen Brennstoffzellen einheiten U im Stapel 2 zugeführt wird. Der Durchgang 20 weist auf: ein Drucksteuerventil 21, das gesteuert wird, um den Was serstoffgasdruck von der wasserstoffspeichernden Legierung 11 zu regulieren und zu verringern, ein elektromagnetisches Ventil 23, das gesteuert wird, um den Durchgang 20 zu öffnen und zu schließen, und einen Drucksensor wohlbekannter Konstruktion, der den Wasserstoffgasdruck ermittelt, der nun den Anoden 4 in Stapel 2 zugeführt werden soll. Eine Wasserstoffspeichernde Le gierung, wie LaNi₅, TiFe, ZrMn₂, ist als eine Legierung bekannt, aus der Wasserstoffgas durch eine endotherme Reaktion erzeugt wird. Zum Beispiel tritt im Fall von LaNi₅ eine endotherme Re aktion von LaNi₅H₆ → LaNi₅ + 3H₂ auf, wenn es auf etwa 50-80°C erwärmt wird, was Wasserstoffgas mit etwa 300 Litern pro Stunde erzeugt.

Das Brennstoffgaszuführsystem 10 weist einen Wasserstoff gasablaßdurchgang 30 mit einem Rückschlagventil 31 und einem elektromagnetischen Ventil 33 auf. Das Rückschlagventil 31 er laubt einen Einweggasstrom im Durchgang 30 und verhindert ein Eindringen atmosphärischer Luft zu den Anoden 4 im Stapel 2. Wasserstoffgas, das nicht verbraucht worden ist und an den An oden 4 im Stapel 2 verbleibt, wird durch den Durchgang 30 ins Freie abgelassen. Das elektromagnetische Ventil 33 wird mit Un terbrechungen angetrieben, um eine vollständige Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu erreichen.

Das Luftzuführsystem 40 bringt die atmosphärische Luft in den Luftstromdurchgang 8 an den Kathoden 3 der jeweiligen Brenn stoffzelleneinheiten U im Stapel 2 ein und läßt dann die Luft von Stapel 2 durch einen Kondensator 51 ins Freie ab, wo Wasser von der abgelassenen Luft getrennt wird. Das System 40 weist einen Luftzuführdurchgang 41 mit einem Gebläse 43 auf, durch den die atmosphärische Luft einem über Stapel 2 angebrachten Lufteinlaßverteiler zugeführt wird, die dann durch einen Luft stromdurchgang 8 strömt. In dieser Ausführungsform sind eine oder mehrere Düsen 55 an gegenüberliegenden Seitenwänden von Lufteinlaßverteiler 45 angebracht, um flüssiges Wasser in die Luft zu sprühen, die durch den Verteller 45 strömt. Der größte Teil des gesprühten Wassers erreicht den Kondensator 51 noch im flüssigen Zustand, aber ein Teil davon verdampft, der vom Kon densator 51 kondensiert wird, um flüssiges Wasser zu sammeln, während es durch den Stapel 2 strömt. Die Ablaßluft von der Ka thode 3 kann durch die Brennstoffzellenreaktion in Stapel 2 er zeugten Dampf enthalten, der auch vom Kondensator 51 behandelt wird, um flüssiges Wasser zu sammeln. Die Temperatur des Ablaß gases vom Stapel 2, die gleich der Stapeltemperatur sein sollte, wird durch einen Temperatursensor 47 überwacht.

Das Wasserzuführsystem 50 ist ein im wesentlichen geschlos senes System, in dem das Wasser in einem Tank 53 durch die Düsen 55 dem Lufteinlaßverteiler 45 und das Rücklaufwasser vom Kon densator 51 dem Tank 53 zugeführt wird. Weil es praktisch un möglich ist, das System 50 vollständig geschlossen zu gestal ten, ist ein Wasserstandssensor 56 angebracht, der ständig ei nen Wasserstand im Tank 53 überwacht, und wenn der Wasserstand unter einen vorbestimmten Mindeststand sinkt, wird Wasser im Tank 53 ergänzt. Um ein Gefrieren des Wassers in Tank 53 zu vermeiden, sind eine Heizung 57 und ein elektromagnetisches Ventil 58 angebracht. Ein weiteres elektromagnetisches Ventil 60 ist an einer Leitung angebracht, die zwischen den Kondensator 51 und den Tank 53 geschaltet ist, um die Verdampfung des Was sers in Tank 53 zu vermeiden.

Das Wasser im Tank 53 wird von einer Pumpe 61 hochgepumpt und den Düsen 55 zugeführt, die fortlaufend oder mit Unterbre chungen Wasser auf die Oberflächen der Kathoden 3 in Stapel 2 sprühen. Das gesprühte Wasser wird vorzugsweise der Kathode 3 latente Wärme entziehen und daher eine Wasserverdampfung oder Dehydratation der Elektrolytmembran 5 vermeiden, die in einem richtigen Feuchtigkeitszustand bleibt. Das gesprühte Wasser wird auch die Kathode 3 kühlen, um die Temperatur des Stapels 2 automatisch zu steuern. Es ist kein zusätzliches Kühlmittel erforderlich. Während des Betriebs von Stapel 2 arbeitet eine (nicht gezeigte) Steuereinheit als Reaktion auf die Temperatur des Ablaßgases, die durch den Sensor 47 ermittelt wird, um den Stapel 2 innerhalb eines vorbestimmten geeigneten Temperatur bereiches zu halten.

Das Leistungsabgabesystem 70 empfängt die Leistungsabgabe vom Stapel 2, um einen Motor 77 anzutreiben. Das Leistungsab gabesystem 70 weist ein Schaltrelais 71, eine Batterie 75 und eine Gleichrichterdiode 73 zwischen dem Relais 71 und der Bat terie 75 auf. Die Batterie 75 ist als eine Hilfsstromquelle vor gesehen, die dem Motor 77 Strom zuführt, wenn der Stapel 2 wäh rend des Fahrens eines Fahrzeugs ausfällt. Die (nicht gezeigte) Steuereinheit arbeitet als Reaktion auf die Ausgangsspannung von Stapel 2, die ständig durch einen Spannungsmesser 76 über wacht wird, um den Öffnungsgrad des elektromagnetischen Ventils 33 zu regeln.

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung 1, die an einem Reifen T eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs angebracht ist, in der ein Aufbau 100, der den Brennstoffzellenstapel 2, den Lufteinlaßverteiler 45 über dem Stapel 2 und den Kondensator 51 und das Gebläse 43, die sich beide unter dem Stapel 2 befinden, aufweist, von einem Rahmen 101 getragen wird, wie genauer in den Fig. 4-6 gezeigt wird. Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 7 ist das Innere von Kondensator 51 durch eine geneigte Trennwand 513 in einen oberen Ablaßanschluß 511 und einen unteren Ansauganschluß 513 aufge teilt. Die Trennwand 513 besteht aus einem wärmeleitenden Ma terial wie Aluminium, um den Wärmeaustausch zwischen der Luft in den Anschlüssen 511 und 515 zu erleichtern. Das Ablaßgas von Stapel 2 mit einer Temperatur von zum Beispiel annähernd 50°C tritt in den Anschluß 511 ein, wo es durch Wärmeaustausch mit der atmosphärischen Luft im Anschluß 515 mit beträchtlich nied rigerer Temperatur gekühlt wird, und wird dann durch eine Ab laßöffnung 120 ins Freie abgelassen. Wenn das abgelassene Gas im Anschluß 515 dem Wärmeaustausch unterzogen wird, wird Dampf im abgelassenen Gas zu Wasser kondensiert, das längs der ge neigten Trennwand 513 abfließt, um durch eine Abflußöffnung 516 an deren unteren Ende abgelassen zu werden. Ein Teil des von den Düsen 55 gesprühten Wassers, der nicht verdampft worden ist, während es durch Kathode 3 des Brennstoffzellenstapels 2 floß, wird durch seine Schwerkraft zum Anschluß 511 des Kondensators 51 herabtropfen und auch längs der geneigten Trennwand 513 zur Ablaßöffnung 516 hin abfließen. Das auf diese Weise durch Ab laßöffnung 516 abgelassene Wasser wird dem Wassertank 53 zuge führt, um das Wasserzuführsystem 50 zu bilden, in welchem Wasser zirkuliert.

Nun auf Fig. 8 bezugnehmend, weist der Lufteinlaßverteiler 45 eine äußere Umgebungswand 451 und eine innere Umgebungswand 453 auf, um dazwischen einen Wasserzuführdurchgang 455 zu de finieren, der durch einen Nippel 457 mit dem Wasserzuführsystem 50 verbunden ist. Die Düsen 55, durch die Wasser im Durchgang 455 durch die Wirkung der Pumpe 61 in das Innere des Luftein laßverteilers 45 gesprüht wird, sind an der inneren Wand 453 an deren gegenüberliegenden Seiten angebracht. In dieser Ausfüh rungsform sind jeweils drei Düsen an gegenüberliegenden Seiten der Wand 453 angebracht. Insbesondere sind zwei Düsen an den äußersten Endpositionen auf einer Seite genau gegenüber von de nen auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet, wohingegen die mittleren versetzt angeordnet sind. Obwohl der Wassereinspritz winkel von Düse 55 eingeschränkt ist (zum Beispiel in der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform auf annähernd 70 Grad), er leichtert eine solche versetzte Anordnung der Düsen 55 eine gleichmäßige und gleichförmige Verteilung des gesprühten Was sers über den Querschnitt des Lufteinlaßverteilers 45, wie in Fig. 8 gezeigt, was das gesprühte Wasser in alle Luftstromdurch gange der jeweiligen, unter einem einzelnen Lufteinlaßverteiler 45 angeordneten Brennstoffzellen 10 eintreten läßt.

Erneut auf Fig. 2 und ferner auf Fig. 9 bezugnehmend, die die Struktur des Brennstoffzellenstapels 2 an dessen Luftein laßabschnitt zeigen, weist jeder Separator 6 mehrere sich lon gitudinal erstreckende Luftstromdurchgänge 9 mit vergrößerten oberen Endabschnitten 801 auf. Insbesondere weist jede der Trennwände 803, die die Luftstromdurchgänge 8 dazwischen defi nieren, ein Paar zugespitzter oberer Endoberflächen 805 auf, um einen vergrößerten oberen Endabschnitt 801 zu bilden, der mit dem Inneren des Lufteinlaßverteilers 45 verbunden ist, und kann von den Düsen 55 eingespritzte Wassertropfen leicht aufnehmen. In dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel weisen die Luftstromdurch gange 820 an beiden Enden des Separators 6 eine Breite oder ei nen Durchmesser auf, der im wesentlichen größer ist, als jener anderer Luftstromdurchgänge 8, und weisen auch stärker vergrö ßerte obere Endeinlässe 821 auf. Eine solche Gestaltung wird die Tendenz kompensieren, daß der Abschnitt am Umfang des Luft einlaßverteilers 45 weniger von dem durch die Düsen gesprühten Wasser aufnimmt, sogar bei einer solch versetzten Anordnung wie in Fig. 8 gezeigt. Jede Trennwand 803 kann eine oder mehrere (nicht gezeigte) Umgehungsleitungen zur Verbindung zwischen an grenzenden Luftstromdurchgängen 8 aufweisen.

Die Form der Trennwand kann modifiziert werden, wie in Fig. 10 gezeigt, in der die Trennwand 813 ein abgerundetes oberes Ende 815 aufweist, das auch vergrößerte obere Endabschnitte 811 bildet und das Eintreten des gesprühten Wassers in die Luft stromdurchgänge 8 erleichtert. Die Form der Trennwand 803, 813 kann einer großen Vielfalt von Gestaltungen unterworfen werden. Wichtig ist, daß der obere Endabschnitt der jeweiligen Trenn wände so eingeengt oder zugespitzt wie möglich sein sollte, was nicht nur zur Vergrößerung der Lufteinlaßöffnungen am oberen Teil der Luftstromdurchgänge 8 für den reibungslosen Eintritt des gesprühten Wassers dort hinein beiträgt, sondern auch eine Wasserablagerung auf den oberen Endabschnitten der Trennwände verhindert, was die oberen Endabschnitte 801, 811 einengen würde und folglich ein Hindernis für den Eintritt des gesprühten Wassers dort hindurch sein könnte.

Fig. 11 zeigt eine andere Ausführungsform eines Brennstoff zellensystems 200, in der gleiche Teile oder Elemente mit glei chen Bezugsziffern wie in der Ausführungsform in Fig. 1 bezeich net sind. Dieses Brennstoffzellensystem 200 weist im allgemei nen einen Brennstoffzellenstapel 2, ein Brennstoffgaszuführsy stem 210, ein Luftzuführsystem 240, ein Wasserzuführsystem 250 und ein Leistungsabgabesystem 270 auf. Das Brennstoffgaszuführ system 210 weist im wesentlichen dieselbe Anordnung wie das Sy stem 10 im System der Fig. 1 auf, obwohl die Ventile 21, 23 und der Sensor 25 in Fig. 11 nicht gezeigt werden. Im System 210 aus Fig. 11 ist jedoch ein wärmeerzeugendes Element 271 in Kon takt mit einer wasserstoffspeichernden Legierung 11 angebracht. Ein Wärmeaustausch zwischen dem Element 271 und der wasser stoffspeichernden Legierung 11 wird die letztere erwärmen, um daraus Wasserstoffgas ausströmen zu lassen. Sogar wenn zusätz liche Heizeinrichtungen angebracht werden müssen, um die Legie rung 11 auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der sie aktiviert wird, um Wasserstoffgas zu verströmen, können die Heizeinrich tungen eine kleinere Leistungsfähigkeit aufweisen, weil sie nicht allein arbeiten, sondern mit dem wärmeerzeugenden Element 271 zusammenarbeiten. Das wärmeerzeugende Element 271 kann eine Steuerungsschaltung eines Gleichspannungswandlers oder Motors 77 sein, der durch die Leistungsabgabe des Stapels 2 selbst an getrieben wird. Von dem ähnlichen Gesichtspunkt der Energiezir kulation im Gesamtsystem ist es vorzuziehen, den Tank mit der wasserstoffspeichernden Legierung 11 durch die Verwendung des Ablaßgases aus dem Stapel 2 aufzuwärmen, das eine höhere Tem peratur als die atmosphärische Luft aufweist, wenn solche zu sätzliche Heizeinrichtungen erforderlich sind.

In diesem System 200 ist ein Lufteinlaßgebläse 243 an einem Einlaßanschluß eines Lufteinlaßverteilers 245 angebracht, und eine oder mehrere Düsen 255 sind angeordnet, um Wasser in einen Luftzuführdurchgang 241 stromaufwärts vom Gebläse 243 zu sprü hen, so daß das gesprühte Wasser von Gebläse 243 dispergiert wird, um gleichförmig über das Innere des Lufteinlaßverteilers 245 verteilt zu werden. In dieser Anordnung ist es nicht immer notwendig, daß die Düse 255 Wasser sprüht. Die Düse 255 kann einfach Wassertropfen werfen, die dann von Gebläse 243 disper giert werden sollten, um im wesentlichen denselben Effekt zu erreichen. Das rotierende Gebläse 243 erzeugt einen negativen Druck im Luftzuführdurchgang 241, so daß das Wasserzuführsystem 250 nicht die Pumpe 61 enthalten braucht.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit spezi fischen Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist zu verstehen, daß sie zu einer beträchtlichen Variation und Mo difikation fähig ist, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, das aufweist: einen Stapel von meh reren Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, aufweisen; einen Lufteinlaßvertei ler, der über dem Stapel angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brenn stoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; eine oder mehrere Dü seneinrichtungen, die an Seitenwänden des Lufteinlaßvertei lers angebracht sind, zum Einspritzen von Wasser in den Ein laßverteiler; und Wasserzuführeinrichtungen, um den Düsen einrichtungen Wasser zuzuführen.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine oder meh rere der Düseneinrichtungen jeweils an einem Paar gegen überliegender Seitenwände des Lufteinlaßverteilers an zu einander versetzten Orten angeordnet sind.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine oder meh rere der Düseneinrichtungen jeweils an einem Paar gegen überliegender Seitenwände des Lufteinlaßverteilers unter verschiedenen Wassereinspritzwinkeln angebracht sind.

4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wo bei der Lufteinlaßverteiler eine Doppelseitenwandstruktur aufweist, die eine äußere Seitenwand und eine innere Sei tenwand aufweist, um dazwischen einen Durchgang zu definie ren, durch den Wasser zu den Düseneinrichtungen befördert wird, die an der inneren Seitenwand des Lufteinlaßverteilers angebracht sind, um Wasser in einen Raum innerhalb der in neren Seitenwand einzuspritzen.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo bei jeder der Luftstromdurchgänge eine vergrößerte obere Öffnung aufweist, die mit dem Lufteinlaßverteiler verbind bar ist.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei jede der Brennstoffzellen im Stapel mehrere sich longitudinal er streckende Trennwände zwischen zwei der angrenzenden Luft stromdurchgänge aufweist, wobei jede der Trennwände an einem oberen Endabschnitt davon eingeengt ist, um die vergrößerte obere Öffnung des Luftstromdurchganges zu definieren.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei jede der Trennwände einen zugespitzten oder abgerundeten oberen End abschnitt aufweist.

8. Brennstoffzellensystem, das aufweist: einen Stapel von meh reren Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, aufweisen; einen Lufteinlaßvertei ler, der in der Nähe des Stapels angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; Wasserzuführ einrichtungen, um dem Lufteinlaßverteiler Wasser zuzufüh ren; und Rotationsgebläseeinrichtungen zum Dispergieren und Verteilen von Wasser, das von den Wasserzuführeinrichtungen einem Inneren des Lufteinlaßverteilers zugeführt wird.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Rotati onsgebläseeinrichtungen ein oder mehrere Luftabsauggebläse aufweisen, die an einem Lufteinlaßanschluß des Lufteinlaß verteilers angebracht sind, und die Wasserzuführeinrichtun gen an einem Ort stromaufwärts vom Gebläse in einem Luft strom zu dem Lufteinlaßverteiler geöffnet sind, so daß Was ser, das von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführt wird, durch das Gebläse zusammen mit dem Luftstrom dispergiert und verteilt wird.

10. Brennstoffzellensystem, das aufweist: einen Stapel von meh reren Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, aufweisen; einen Lufteinlaßvertei ler, der in der Nähe des Stapels angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; Wasserzuführ einrichtungen, um dem Lufteinlaßverteiler Wasser zuzufüh ren; Luftzuführeinrichtungen, um der Kathode jeder der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; und Wasser stoffgaszuführeinrichtungen, um der Anode jeder der Brenn stoffzellen im Stapel Wasserstoffgas zuzuführen, wobei die Wasserstoffgaszuführeinrichtungen eine wasserstoffspei chernde Legierung, die bei Erwärmung Wasserstoffgas er zeugt, und Wärmeerzeugungseinrichtungen aufweisen, die in der Nähe der wasserstoffspeichernden Legierung angebracht sind, um mit der wasserstoffspeichernden Legierung Wärme tauschen zu können.

11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Wärme erzeugungseinrichtungen einen Gleichspannungswandler oder einen Motor aufweisen, der von einer Leistungsabgabe vom Stapel betrieben wird.