-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Protonenaustauschmembran 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 Kathode in der Form von Protonen (H+). Jede der Elektroden weist eine auf einem porösen Basisglied abgeschiedene Katalysatorschicht auf, durch die das Reaktantgas zugeführt wird. Außerhalb 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 Brennstoffzellenreaktion 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 Brennstoffzellen auf, die in Aufeinanderfolge geschichtet sind, wobei der Separator zwischen benachbarten Brennstoffzellen angeordnet ist.
-
Da die Brennstoffzelle entsprechend der erzeugten elektrischen Leistung Wärme erzeugt, weist ein Brennstoffzellenstapel üblicherweise zwischen Brennstoffzellen an vorherbestimmten Intervallen Kühlplatten auf. Jede Kühlplatte weist einen Durchgang eines Kühlmittels, wie Luft und Wasser auf, um eine übermäßige Überhitzung der Brennstoffzellen im Betrieb zu verhindern.
-
Ein Proton wird hydriert, wenn es durch das PEM-Elektrolyt übertragen wird, so daß die PEM dazu neigt, dehydriert zu werden, wenn die Brennstoffzellenreaktion fortschreitet. Die PEM muß immer richtig befeuchtet werden, um eine Abnahme der Ionenleitfähigkeit und der Energieumwandlungseffizienz zu verhindern. 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 Kathode der Brennstoffzelle im Betrieb auf zum Beispiel 80°C erwärmt worden ist, sollte die Luft einer normalen Temperatur durch einen Befeuchter vorerwärmt werden, so daß ihr gesättigter Dampf mit der Umgebungsdampfbedingung der Kathode konsistent wird. Ein solcher Befeuchter, der es benötigt, daß er eine Wasserzuführfunktion und eine Luftvorerwärmungsfunktion aufweist, kann in seiner Konstruktion nicht einfach sein.
-
In der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-14599 A ist eine Wassereinspritzdüse vorgesehen, um eine notwendige Wassermenge in eine lufteinbringende Röhre einzuspritzen, durch die der Kathode der PEM-Brennstoffzelle Luft zugeführt wird. Da die Düse stromaufwärts eines Kompressors angeordnet ist, wird aus der Düse eingespritztes flüssiges Wasser verdampft, wenn es Wärme ausgesetzt wird, die durch den Kompressor erzeugt wird. Folglich wird die Kathode durch Dampf und nicht durch flüssiges Wasser befeuchtet.
-
Im Brennstoffzellensystem der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 9-266004 A wird ein Ablaßgas von der Anode, das Wasserstoffgas enthält, das nicht während der anodischen Reaktion verbraucht worden ist, in die Kathode eingebracht, wo das unverbrauchte Wasserstoffgas im Ablaßgas mit Sauerstoff verbrannt wird, um Wasser zu erzeugen, das den PEM-Elektrolyt gut befeuchtet. In diesem System gibt es keinen Bedarf, 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 Oxidationsgas reagiert, das dorthin zugeführt wird, um Wasser zu erzeugen. Demzufolge gibt es gemäß der herkömmlichen Kenntnis in der Technik ein größeres Bedürfnis, Wasserstoffgas zu befeuchten, das der Anode zugeführt werden soll, als an der Kathode, 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, den PEM-Elektrolyt zur Anode hin durchdringt, was es überflüssig macht, Wasserstoffgas zu befeuchten, 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 erkannt worden.
-
EP 0 629 014 A2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befeuchtung von Prozessgas für den Betrieb von Brennstoffzellensystemen. Zur Gewährleistung eines guten Wirkungsgrades muss das Prozessgas bei vorgegebener Temperatur und Feuchtigkeit zugeführt werden. Es wird vorgeschlagen, in einer separaten Mischkammer zerstäubtes Wasser dosiert in die Gasführungsleitung einzuspritzen, wodurch die Prozessluft befeuchtet wird.
-
US 5,206,094 A zeigt einen Kühler für einen Brennstoffzellenstapel, in den über eine Leiste mit Düsen Kühlwasser in den Luftstrom zum Stapel eingespritzt wird.
-
US 5,360,461 A beschreibt einen Speicher für Brennstoffzellen mit einer Wasserstoff speichernden Legierung, welche bei Erwärmung Wasserstoff abgeben kann.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf dem oben beschriebenen Befund beruhendes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, 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 Konstruktion einfach, klein in seinen Abmessungen, einfach einzubauen und daher insbesondere geeignet ist, an einem Fahrzeug angebracht zu werden.
-
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Oberflächen der Kathoden in den jeweiligen Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel reibungslos und effektiv flüssiges Wasser zuzuführen.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, in dem Wasser der Oberfläche der Kathode nicht in einem Dampfzustand, sondern in einem flüssigen Zustand zugeführt wird. Folglich weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auf: einen Stapel mehrerer Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, aufweisen; einen Lufteinlaßverteiler, der über dem Stapel angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; eine oder mehrere Düseneinrichtungen, die an Seitenwänden des Lufteinlaßverteilers angebracht sind, zum Einspritzen von Wasser in den Lufteinlaßverteiler; und Wasserzuführeinrichtungen, um den Düseneinrichtungen Wasser zuzuführen.
-
Flüssiges Wasser, das dem Lufteinlaßverteiler über dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, wird vorzugsweise latente Wärme aus der Luft um die Kathode aufnehmen, um eine Wasserverdampfung von der Elektrolytmembran zu verhindern, die folglich in einem geeigneten und gleichförmigen Feuchtigkeitszustand bleibt. Dies trägt zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems bei. Die Zufuhr des flüssigen Wassers ist auch wirksam, die Kathode zu kühlen, 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 besonders wichtig ist, wenn das System in einem Fahrzeug angebracht ist.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Düseneinrichtungen jeweils an einem Paar gegenüberliegender Seitenwände des Lufteinlaßverteilers an gegeneinander versetzten Orten angebracht. Alternativ weisen die Düseneinrichtungen an gegenüberliegenden Seitenwänden des Lufteinlaßverteilers verschiedene Wassereinspritzwinkel auf. In jeder Ausführungsform wird das gesprühte Wasser gleichförmig dispergiert und über den gesamten Querschnitt des Lufteinlaßverteilers verteilt und es ihm daher erlaubt, in alle Luftstromdurchgänge der jeweiligen Brennstoffzellen, die unterhalb eines einzelnen Lufteinlaßverteilers angebracht sind, einzutreten.
-
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Lufteinlaßverteiler eine Doppelseitenwandstruktur- auf, die eine äußere Seitenwand und eine innere Seitenwand aufweist, um dazwischen einen Durchgang zu definieren, durch den Wasser zu den Düseneinrichtungen befördert wird, die an der inneren Seitenwand des Lufteinlaßverteilers angebracht sind, um Wasser in einem Raum innerhalb der inneren Seitenwand einzuspritzen. Es gibt einen einzelnen Wasserdurchgang zwischen äußeren und inneren Seitenwänden des Lufteinlaßverteilers, durch den den jeweiligen Düseneinrichtungen Wasser zugeführt wird.
-
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jeder der Luftstromdurchgänge eine vergrößerte obere Öffnung auf, die mit dem Lufteinlaßverteiler verbindbar 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 zwischen zwei angrenzenden Luftstromdurchgängen auf, und jede der Trennwände ist an einem oberen Endabschnitt davon eingeengt, um die vergrößerte obere Öffnung des Luftstromdurchganges zu definieren. 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 Lufteinlaßverteiler, der in der Nähe des Stapels angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; Wasserzuführeinrichtungen, um dem Lufteinlaßverteiler Wasser zuzuführen; und Rotationsgebläseeinrichtungen zum Dispergieren und Verteilen von Wasser, das einem Inneren des Lufteinlaßverteilers durch die Wasserzuführeinrichtungen zugeführt wird. In einer vorzuziehenden Ausführungsform weisen die Rotationsgebläseeinrichtungen ein oder mehrere Luftabsauggebläse auf, die an einem Lufteinlaßanschluß des Lufteinlaßverteilers angebracht sind, und die Wasserzuführeinrichtungen sind an einem Ort stromaufwärts vom Gebläse 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 Lufteinlaßverteiler einen negativen Druck (Unterdruck), so daß Wasser ohne Pumpeneinrichtungen oder mit weniger Kapazität der Pumpeneinrichtungen 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 Lufteinlaßverteiler, der in der Nähe des Stapels angebracht ist, um mehreren sich longitudinal erstreckenden Luftstromdurchgängen der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; Wasserzuführeinrichtungen, um dem Lufteinlaßverteiler Wasser zuzuführen; Luftzuführeinrichtungen, um der Kathode jeder der Brennstoffzellen im Stapel Luft zuzuführen; und Wasserstoffgaszuführeinrichtungen, um der Anode jeder der Brennstoffzellen im Stapel Wasserstoffgas zuzuführen, in welchen die Wasserstoffgaszuführeinrichtungen eine wasserstoffspeichernde Legierung aufweisen, die Wasserstoffgas erzeugt, wenn sie erwärmt wird, und Wärmeerzeugungseinrichtungen, 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 Wärmeerzeugungseinrichtungen und der wasserstoffspeichernden Legierung, um die endotherme Reaktion der letzteren, die Wasserstoffgas erzeugt, zu verbessern. Die Wärmeerzeugungseinrichtungen weisen vorzugsweise 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 Zeichnungen gelesen wird. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms die Struktur einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung ausführt;
-
2 eine schematische Ansicht, die die einzelne Brennstoffzellenstruktur in der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;
-
3 eine schematische Ansicht, die die Vorrichtung aus 1 zeigt, die in einem Fahrzeug angebracht ist;
-
4 eine Seitenansicht eines Aufbaus, der aus einem Lufteinlaßverteiler, einem Brennstoffzellenstapel, einem Kondensator und einem lufteinbringenden Gebläse besteht;
-
5 eine Draufsicht des Aufbaus aus 4;
-
6 eine Unteransicht des Aufbaus aus 4;
-
7 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms die Struktur des Aufbaus aus 4 zeigt;
-
8 ein Beispiel der Düsenanordnung in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;
-
9 eine schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel und eine Separatorstruktur desselben zeigt;
-
10 ein weiteres Beispiel der Separatorstruktur; und
-
11 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms eine andere Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
1 zeigt in Form eines Diagramms die Struktur einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen einen Protonenaustausch-Elektrolytbrennstoffzellenstapel 2, ein Brennstoffgaszuführsystem 10, das eine wasserstoffspeichernde Legierung 11 enthält, ein Luftzuführsystem 40, ein Wasserzuführsystem 50 und ein Leistungsabgabesystem 70 aufweist.
-
Der Brennstoffzellenstapel 2 weist mehrere einzelne Brennstoffzelleneinheiten U auf, die in Reihe geschaltet sind. In 2 wird eine Struktur einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit 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 angeordnet 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 Brennstoffzelleneinheiten U mehrere und unterschiedliche Strukturen aufweisen können, weist der Separator 6 im Beispiel der 2 mehrere sich longitudinal erstreckende Luftstromdurchgänge 8 auf, die Luft in Kontakt mit der Kathode 3 dort hindurch strömen lassen, wohingegen der Separator 7 mehrere sich transversal erstreckende Wasserstoffgasstromdurchgänge 9 aufweist, die Wasserstoffgas in Kontakt mit Anode 4 dort hindurch strömen lassen.
-
Das Brennstoffgaszuführsystem 10 weist eine wasserstoffspeichernde Legierung 11 und einen Wasserstoffgas-Einlaßdurchgang 20 auf, durch den Wasserstoffgas, das aus der wasserstoffspeichernden Legierung 11 ausströmt, den Wasserstoffgasstromdurchgängen 9 an den Anoden 4 der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten U im Stapel 2 zugeführt wird. Der Durchgang 20 weist auf: ein Drucksteuerventil 21, das gesteuert wird, um den Wasserstoffgasdruck 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 Legierung, 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 Reaktion 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 Wasserstoffgasablaßdurchgang 30 mit einem Rückschlagventil 31 und einem elektromagnetischen Ventil 33 auf. Das Rückschlagventil 31 erlaubt 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 Anoden 4 im Stapel 2 verbleibt, wird durch den Durchgang 30 ins Freie abgelassen. Das elektromagnetische Ventil 33 wird mit Unterbrechungen 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 Brennstoffzelleneinheiten 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 Luftstromdurchgang 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 Verteiler 45 strömt. Der größte Teil des gesprühten Wassers erreicht den Kondensator 51 noch im flüssigen Zustand, aber ein Teil davon verdampft, der vom Kondensator 51 kondensiert wird, um flüssiges Wasser zu sammeln, während es durch den Stapel 2 strömt. Die Ablaßluft von der Kathode 3 kann durch die Brennstoffzellenreaktion in Stapel 2 erzeugten Dampf enthalten, der auch vom Kondensator 51 behandelt wird, um flüssiges Wasser zu sammeln. Die Temperatur des Ablaßgases vom Stapel 2, die gleich der Stapeltemperatur sein sollte, wird durch einen Temperatursensor 47 überwacht.
-
Das Wasserzuführsystem 50 ist ein im wesentlichen geschlossenes System, in dem das Wasser in einem Tank 53 durch die Düsen 55 dem Lufteinlaßverteiler 45 und das Rücklaufwasser vom Kondensator 51 dem Tank 53 zugeführt wird. Weil es praktisch unmöglich ist, das System 50 vollständig geschlossen zu gestalten, ist ein Wasserstandssensor 56 angebracht, der ständig einen 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 Wassers 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 Unterbrechungen 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 Temperaturbereiches zu halten.
-
Das Leistungsabgabesystem 70 empfängt die Leistungsabgabe vom Stapel 2, um einen Motor 77 anzutreiben. Das Leistungsabgabesystem 70 weist ein Schaltrelais 71, eine Batterie 75 und eine Gleichrichterdiode 73 zwischen dem Relais 71 und der Batterie 75 auf. Die Batterie 75 ist als eine Hilfsstromquelle vorgesehen, die dem Motor 77 Strom zuführt, wenn der Stapel 2 während des Fahrens eines Fahrzeugs ausfällt. Die (nicht gezeigte) Steuereinheit arbeitet als Reaktion auf die Ausgangsspannung von Stapel 2, die ständig durch einen Spannungsmesser 76 überwacht wird, um den Öffnungsgrad des elektromagnetischen Ventils 33 zu regeln.
-
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 4–6 gezeigt wird. Unter weiterer Bezugnahme auf 7 ist das Innere von Kondensator 51 durch eine geneigte Trennwand 513 in einen oberen Ablaßanschluß 511 und einen unteren Ansauganschluß 513 aufgeteilt. Die Trennwand 513 besteht aus einem wärmeleitenden Material 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 niedrigerer Temperatur gekühlt wird, und wird dann durch eine Ablaßöffnung 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 geneigten 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 Ablaßöffnung 516 abgelassene Wasser wird dem Wassertank 53 zugeführt, um das Wasserzuführsystem 50 zu bilden, in welchem Wasser zirkuliert.
-
Nun auf 8 bezugnehmend, weist der Lufteinlaßverteiler 45 eine äußere Umgebungswand 451 und eine innere Umgebungswand 453 auf, um dazwischen einen Wasserzuführdurchgang 455 zu definieren, der durch einen Nippel 457 mit dem Wasserzuführsystem 50 verbunden ist. Die Diesen 55, durch die Wasser im Durchgang 455 durch die Wirkung der Pumpe 61 in das Innere des Lufteinlaßverteilers 45 gesprüht wird, sind an der inneren Wand 453 an deren gegenüberliegenden Seiten angebracht. In dieser Ausführungsform 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 denen auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet, wohingegen die mittleren versetzt angeordnet sind. Obwohl der Wassereinspritzwinkel von Düse 55 eingeschränkt ist (zum Beispiel in der in 8 gezeigten Ausführungsform auf annähernd 70 Grad), erleichtert eine solche versetzte Anordnung der Düsen 55 eine gleichmäßige und gleichförmige Verteilung des gesprühten Wassers über den Querschnitt des Lufteinlaßverteilers 45, wie in 8 gezeigt, was das gesprühte Wasser in alle Luftstromdurchgänge der jeweiligen, unter einem einzelnen Lufteinlaßverteiler 45 angeordneten Brennstoffzellen 10 eintreten läßt.
-
Erneut auf 2 und ferner auf 9 bezugnehmend, die die Struktur des Brennstoffzellenstapels 2 an dessen Lufteinlaßabschnitt zeigen, weist jeder Separator 6 mehrere sich longitudinal erstreckende Luftstromdurchgänge 9 mit vergrößerten oberen Endabschnitten 801 auf. Insbesondere weist jede der Trennwände 803, die die Luftstromdurchgänge 8 dazwischen definieren, 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 9 gezeigten Beispiel weisen die Luftstromdurchgänge 820 an beiden Enden des Separators 6 eine Breite oder einen Durchmesser auf, der im wesentlichen größer ist, als jener anderer Luftstromdurchgänge 8, und weisen auch starker vergrößerte obere Endeinlässe 821 auf. Eine solche Gestaltung wird die Tendenz kompensieren, daß der Abschnitt am Umfang des Lufteinlaßverteilers 45 weniger von dem durch die Düsen gesprühten Wasser aufnimmt, sogar bei einer solch versetzten Anordnung wie in 8 gezeigt. Jede Trennwand 803 kann eine oder mehrere (nicht gezeigte) Umgehungsleitungen zur Verbindung zwischen angrenzenden Luftstromdurchgängen 8 aufweisen.
-
Die Form der Trennwand kann modifiziert werden, wie in 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 Luftstromdurchgänge 8 erleichtert. Die Form der Trennwand 803, 813 kann einer großen Vielfalt von Gestaltungen unterworfen werden. Wichtig ist, daß der obere Endabschnitt der jeweiligen Trennwände 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 wurde und folglich ein Hindernis für den Eintritt des gesprühten Wassers dort hindurch sein könnte.
-
11 zeigt eine andere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 200, in der gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugsziffern wie in der Ausführungsform in 1 bezeichnet sind. Dieses Brennstoffzellensystem 200 weist im allgemeinen einen Brennstoffzellenstapel 2, ein Brennstoffgaszuführsystem 210, ein Luftzuführsystem 240, ein Wasserzuführsystem 250 und ein Leistungsabgabesystem 270 auf. Das Brennstoffgaszuführsystem 210 weist im wesentlichen dieselbe Anordnung wie das System 10 im System der 1 auf, obwohl die Ventile 21, 23 und der Sensor 25 in 11 nicht gezeigt werden. Im System 210 aus 11 ist jedoch ein wärmeerzeugendes Element 271 in Kontakt mit einer wasserstoffspeichernden Legierung 11 angebracht. Ein Wärmeaustausch zwischen dem Element 271 und der wasserstoffspeichernden Legierung 11 wird die letztere erwärmen, um daraus Wasserstoffgas ausströmen zu lassen. Sogar wenn zusätzliche Heizeinrichtungen angebracht werden müssen, um die Legierung 11 auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der sie aktiviert wird, um Wasserstoffgas zu verströmen, können die Heizeinrichtungen 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 angetrieben wird. Von dem ähnlichen Gesichtspunkt der Energiezirkulation 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 Temperatur als die atmosphärische Luft aufweist, wenn solche zusätzliche 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 sprühen, 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 dispergiert 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 spezifischen Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist zu verstehen, daß sie zu einer beträchtlichen Variation und Modifikation fähig ist, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
