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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennstoffzelle. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die mit aufgeschichteten
Separatoren versehen ist, um jeweils Gaskammern zu trennen, denen
Gas mit einem Aktivstoff zugeführt wird.
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Technischer
Hintergrund
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Um
die Gaskammern zu trennen, ist eine herkömmliche Brennstoffzelle mit
aufgeschichteten Separatoren versehen. Jede Gaskammer nimmt Gas mit
Aktivstoff auf, um elektrische Energie zu erzeugen. Typischerweise
enthält
eine herkömmliche Brennstoffzelle
eine Vielzahl von Gaskammern, die in Aufschichtungsrichtung der
Separatoren parallel zueinander angeordnet sind. Bei herkömmlichen Brennstoffzellen
ist es daher notwendig, jeder Gaskammer gleichmäßig Gas zuzuführen, um
auf effiziente Weise elektrischen Leistung zu erzeugen.
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In
der JP 08-124592 A, die am 17. Mai 1996 veröffentlicht wurde, ist eine
Brennstoffzelle offenbart, die dahingehend gestaltet ist, dass sie
eine verbesserte Gasverteilung erreicht. Wie in 8 gezeigt ist, enthält ein Separator 100 einen
Gasströmungskanal 101 und
eine Brücke 102.
In dem Versuch, die gleichmäßige Gasverteilung
zu den Gaskammern zu verbessern, teilt die Brücke 102 den Gasströmungskanal 101,
wie in 9 dargestellt
ist.
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Darüber hinaus
offenbart die JP 08-213044 A, die am 20. August 1998 veröffentlicht
wurde, das Vorsehen eines porösen
Körpers
in einem Gasströmungskanal
nahe einer Endplatte.
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Die
oben genannten Brennstoffzellen unterliegen jedoch nach wie vor
einer unzureichenden Gasverteilung, da die Gasdichte in jeder der
in Aufschichtungsrichtung der Separatoren aufgeschichteten Gaskammern
abweichen kann. Mit zunehmender Anzahl an Aufschichtungen können die
Abweichungen bei der Gasverteilung sogar noch deutlicher werden.
Bei diesen herkömmlichen
Brennstoffzellen besteht somit nach wie vor die Möglichkeit
von Problemen hinsichtlich des Fähigkeit
jeder Einheitszelle, auf gleichmäßige Weise
elektrischen Strom zu erzeugen.
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Angesichts
dessen besteht der Bedarf nach einer Brennstoffzelle, die nicht
den oben genannten Problemen unterliegt.
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Im
Hinblick auf die genannten, bei den bekannten Brennstoffzellen vorhandenen
Aufschichtungen wäre
eine Brennstoffzelle wünschenswert,
die dazu imstande ist, gleichmäßig Gas
zu jeder Gaskammer zu verteilen. Darüber hinaus sollte die Brennstoffzelle
eine höhere
Anzahl an aufgeschichteten Gaskammern haben, die die Gaszufuhr gleichmäßig aufnehmen.
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Offenbarung
der Erfindung
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In
Anbetracht des Vorstehenden sieht die Erfindung eine Brennstoffzelle
vor, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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Erfindungsgemäß beschränkt jede
Rektifizierplatte wirksam die direkte Gasströmung vom Oxidationsgas-Einlassloch
zur Gaseinlassöffnung.
Daher kann verglichen mit einer herkömmlichen Brennstoffzelle die
Anzahl an Gaskammern erhöht
werden. Trotz der höheren
Anzahl an Gaskammern kann jede Gaskammer aufgrund der durch die
Rektifizierplatten erzielten hervorragenden Gasverteilung gleichmäßig Gas
aufnehmen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 zeigt
eine Draufsicht auf einen Separator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur erfindungsgemäßen Verwendung
bei einer Brennstoffzelle.
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2 zeigt
eine Querschnittansicht der mit aufgeschichteten Separatoren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
versehenen Brennstoffzelle.
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3 zeigt
eine Querschnittansicht der in 2 gezeigten
Brennstoffzelle entlang der Schnittlinie III-III in 2.
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4 zeigt
eine Seitenansicht eines Abschnitts der Brennstoffzelle gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf einen Separator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur erfindungsgemäßen Verwendung
bei einer Brennstoffzelle.
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6 zeigt
eine Querschnittansicht der mit aufgeschichteten Separatoren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
versehenen Brennstoffzelle.
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7 zeigt
eine Darstellung eines Abschnitts der Brennstoffzelle gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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8 zeigt
eine Perspektivansicht eines herkömmlichen Separators.
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9 zeigt
eine Querschnittansicht der bei einem herkömmlichen Separator verwendeten
Brücke.
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Beste Ausführungsweise
für die
Erfindung
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Es
wird zunächst
auf 4 Bezug genommen, die einen Abschnitt einer Brennstoffzelle
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt, wobei die Brennstoffzelle eine Vielzahl von
Separatoren 1 umfasst, die in ihrer Dickenrichtung Y (nachstehend
als Aufschichtungsrichtung Y bezeichnet) aufeinander geschichtet
sind. Zwischen jedem Paar angrenzender aufeinander geschichteter Separatoren 1 ist
eine Einheitszelle 5 angeordnet. Jede Einheitszelle 5 umfasst
einen Festelektrolytfilm 50, eine Kathode 51 und
eine Anode 52. Der Festelektrolytfilm 50 ist zwischen
der Kathode 51 und der Anode 52 festgeklemmt oder
dazwischen angeordnet.
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Die
Separatoren 1 unterteilen den Raum um jede Einheitszelle 5 in
eine Oxidationsgaskammer 21 und eine Brennstoffgaskammer 22.
Die Oxidationsgaskammer 21 ist der Kathode 51 zugewandt
und nimmt Oxidationsgas als Kathodenaktivstoff auf. Die Brennstoffgaskammer 22 ist
der Anode 52 zugewandt und nimmt Brennstoffgas als Anodenaktivstoff auf.
Das Oxidationsgas kann Luft sein, die Sauerstoff und andere Stoffe
enthält.
Das Brennstoffgas kann Wasserstoffgas sein, das Wasserstoff und
andere Stoffe enthält.
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Es
wird nun auf die 2 und 3 Bezug genommen,
in denen die Einheitszelle zur Vereinfachung der Darstellung nicht
abgebildet ist. Wie in 2 gezeigt ist, ist an einem
Ende der aufgeschichteten Separatoren 1 eine erste Endplatte 61 angeordnet
und ist an dem entgegengesetzten Ende der aufgeschichteten Separatoren 1 eine
zweite Endplatte 62 angeordnet. Die Separatoren 1 sind
zwischen der ersten und zweiten Endplatte 61, 62 festgeklemmt oder
dazwischen angeordnet.
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Wie
in 3 gezeigt ist, ist in der Endplatte 61 eine
Oxidationsgas-Zuführungsöffnung 61a ausgebildet,
wobei in der Oxidationsgas-Zuführungsöffnung 61a ein
Widerstandselement 65 vorgesehen ist. Das Widerstandselement 65 besteht
aus einem porösen
Körper
wie etwa einem Metallschaum. In der zweiten Endplatte 62 ist
eine Oxidationsgas-Ablassöffnung 62a ausgebildet,
um Abluft abzugeben.
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Das
Widerstandselement 65 kann aus einem Material hergestellt
sein, das beim Vorhandensein von feuchter Luft rostbeständig ist,
und kann derart gestaltet sein, dass es einen geeigneten Druckverlust
y (kPa) ergibt. Dieser Druckverlust y wird durch die folgende Formel
ausgedrückt: y = (2 bis 6)·10–3·xwobei
x der Durchfluss (Nl/min) ist.
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Wie
in 1 gezeigt ist, sind um die Mitte des Separators 1 herum
viele Vertiefungen ausgebildet, um die Oxidationsgaskammer 21 zu
bilden. Die Oxidationsgaskammer 21 hat Seiten A und B und
ist rechteckig. Die Brennstoffgaskammer 22 ist auf der entgegengesetzten
Seite des Separators 1 ausgebildet.
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An
dem Randabschnitt 1k des Separators 1 ist ein
Oxidationsgas-Einlassloch 3 ausgebildet, um der Oxidationsgaskammer 21 Luft
zuzuführen.
Darüber
hinaus ist an dem generell diagonal gegenüberliegenden Randabschnitt 1k des
Separators 1 ein Oxidationsgas-Austrittsloch 4 ausgebildet,
um Abluft durch eine Gasaustrittsöffnung 42 hindurch
von der Oxidationsgaskammer 21 abzugeben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, enthält das Oxidationsgas-Einlassloch 3 ein
erstes Seiteneinlassloch 31, das einen Teil eines Hauptwegs
bildet, eine Gaseinlassöffnung 32 und
eine Rektifizierplatte 34. Jede Gaseinlassöffnung 32 ist
an einer Ecke 21k jeder Oxidationsgaskammer 21 gelegen.
Die Rektifizierplatte 34 ist über einem zweiten Seiteneinlassloch 33 gelegen,
das einen Teil des Oxidationsgas-Einlasslochs 3 bildet,
der sich in die X-Richtung erstreckt und in der gleichen Ebene wie
der Separator 1 den durch die ersten Seiteneinlasslöcher 31 gebildeten
Hauptweg mit der Gaseinlassöffnung 32 verbindet.
Die Richtung X ist senkrecht zu der Aufschichtungsrichtung Y der
Separatoren 1. Zudem ragt, wie in 2 gezeigt
ist, die Rektifizierplatte 34 von dem Ende der Gaseinlassöffnung 32 zu
dem Hauptweg vor.
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Wie
in 2 gezeigt ist, verläuft der von den ersten Seiteneinlasslöchern 31 gebildete
Hauptweg von der Oxidationsgas-Zuführungsöffnung 61a aus so,
dass Luft in die Aufschichtungsrichtung Y des Separators 1 strömt. Die
Rektifizierplatte 34 kann die direkte Luftströmung von
dem Hauptweg zu der Gaseinlassöffnung 32 beschränken.
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Wie
in 1 gezeigt ist, hat die Gaseinlassöffnung 32 eine
Breite La, wobei diese Breite La kleiner als die Breite Lc des Oxidationsgas-Einlasslochs 3 ist.
Die Gasaustrittsöffnung 42 hat
bezüglich
dem Oxidationsgas-Austrittsloch 4 das
gleiche Abmessungsverhältnis
wie die Gaseinlassöffnung 32.
Das Verhältnis
zwischen den Breiten La und Lc kann wie folgt sein:
La : Lc
= 1 : (2 bis 5); vorzugsweise La : Lc = 1 : (3 bis 4)
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Demnach
ist die Öffnungsfläche der
Gaseinlassöffnung 32 vergleichsweise
klein.
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Wie
darüber
hinaus in 1 zu erkennen ist, sind an dem
Randabschnitt 1k des Separators 1 an entgegengesetzten
Seiten des Separators 1 ein Brennstoffgas-Einlassloch 7 und
ein Brennstoffgas-Austrittsloch 8 ausgebildet. Von dem
Brennstoffgas-Einlassloch 7 wird der Brennstoffgaskammer 22 Wasserstoffgas
zugeführt,
und von der Brennstoffgaskammer 22 tritt Abgas zu dem Brennstoffgas-Austrittsloch 8 aus.
Das Brennstoffgas-Einlassloch 7 kann mit einer Gaseinlassöffnung versehen sein,
um der Brennstoffgaskammer 22 von dem Gaseinlassloch aus
Wasserstoffgas zuzuführen,
und das Brennstoffgas-Austrittsloch 8 kann mit einer Gasaustrittsöffnung versehen
sein, um das abgelassene Brennstoffgas von der Brennstoffgaskammer 22 zu dem
Brennstoffgas-Austrittsloch austreten zu lassen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist die Dicke t1 der Rektifizierplatte 34 kleiner
als die Dicke t2 des Separators 1 (t1 < t2). Demnach sind an beiden Seiten
der Rektifizierplatte 34 Zwischenräume 33e, 33f gebildet. Darüber hinaus
ist die Breite D1 der Rektifizierplatte 34 größer als
die Dicke t1 der Rektifizierplatte 34 (t1 < D1).
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
umfasst der Separator 1 eine gepresste Platte aus rostfreiem Stahl
und eine Gummibeschichtung, die die gesamte Oberfläche der
Platte aus rostfreiem Stahl bedeckt. Dementsprechend kann die Rektifizierplatte 34 ein Flachabschnitt
des gepressten rostfreien Stahls sein, der mit dem Separator 1 eine
Einheit bildet.
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Wenn
von der Oxidationsgas-Zuführungsöffnung 61a Luft
zugeführt
wird, geht die zugeführte
Luft durch das Widerstandselement 65 hindurch und strömt in den
durch die ersten Seiteneinlasslöcher 31 gebildeten
Hauptweg in die Richtung Y1. Dann strömt die Luft entlang der Richtung
X1 über
die Rektifizierplatte 34 in das zweite Seiteneinlassloch 33. Die
Luft strömt
weiter von dem zweiten Seiteneinlassloch 33 durch die Gaseinlassöffnung 32 hindurch entlang
der Richtung Z1 in die Oxidationsgaskammer 21.
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Die
Luft wird von der Oxidationsgaskammer 21 durch die Gasaustrittsöffnung 42 hindurch
in das Oxidationsgas-Austrittsloch 4 austreten
gelassen. Die Luft wird wie in 3 gezeigt
von der Oxidationsgas-Ablassöffnung 62a abgegeben.
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Das
Wasserstoffgas strömt
andererseits von dem Brennstoffgas-Einlassloch 7 aus durch
die Brennstoffgaskammer 22 hindurch zum Brennstoffgas-Austrittsloch 8.
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Infolgedessen
wird die sauerstoffhaltige Luft der Oxidationsgaskammer 21 zugeführt, die
der Kathode 51 zugewandt ist. Gleichzeitig wird das Wasserstoffgas
der Brennstoffgaskammer 22 zugeführt, die der Anode 52 zugewandt
ist. An der Anode 52 werden durch die folgende chemische
Reaktion Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen erzeugt: H2 → 2H+ + 2e–
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Die
Wasserstoffionen bewegen sich durch den Festelektrolytfilm 50 hindurchgehend
zu der Kathode 51, und die Elektronen bewegen sich durch eine
externe elektrische Schaltung fließend zu der Kathode 51.
Auf diese Weise wird in der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle Elektrizität erzeugt.
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Bei
diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist es vorteilhafter Weise möglich,
eine größere Anzahl
aufgeschichteter Separatoren 1 zu verwenden als im Fall
einer herkömmlichen
Brennstoffzelle. Obwohl die Anzahl Oxidationsgaskammern 21 größer ist,
kann jede Oxidationsgaskammer aufgrund der durch die Rektifizierplatten 34 erzielten hervorragenden
Luftverteilung gleichmäßig Luft
aufnehmen. Daher ist jede Einheitszelle 5 dazu imstande,
gleichmäßig Elektrizität zu erzeugen.
Dies liegt daran, dass jede Rektifizierplatte 34 wirksam
die direkte Luftströmung
von dem Hauptweg zu der Gaseinlassöffnung 32 beschränkt. Dieses
vorteilhafte Ergebnis konnte durch Computersimulationen und Experimente
bestätigt
werden.
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Die 5 und 6 stellen
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind Bauteile,
die denen des ersten Ausführungsbeispiels
entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Das zweite
Ausführungsbeispiel
zeigt die gleiche generelle Funktion und die gleichen Vorteile wie
das erste Ausführungsbeispiel.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
sind in der gleichen Ebene wie der Separator 1 über dem Oxidationsgas-Einlassloch 3 parallel
zueinander zwei Rektifizierplatten 34a, 34c vorgesehen.
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7 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Dieses dritte Ausführungsbeispiel
hat die gleiche generelle Funktion und die gleichen Vorteile wie
das erste und zweite Ausführungsbeispiel. Bei
dem dritten Ausführungsbeispiel
ist an die Oxidationsgas-Zuführungsöffnung 61a ein
Schaltventil 68 angeschlossen, wobei das Schaltventil 68 dazu
imstande ist, einen von zwei Luftwegen zu wählen, und zwar einen ersten
Luftweg 66 oder einen zweiten Luftweg 67. Wie
in 7 dargestellt ist, ist das Widerstandselement 65 nur
in dem ersten Luftweg 66 vorgesehen. Das Schaltventil 68 kann
den zweiten Luftweg 67 wählen, um das Widerstandselement 65 zu
umgehen, wenn der Luftdurchfluss mit zum Beispiel 250 (Nl/min) kleiner
als ein bestimmter Wert ist. Andererseits kann das Schaltventil 68 auch
den ersten Luftweg 66 wählen,
um zu gewährleisten,
dass die Luft durch das Widerstandselement 65 hindurchgeht,
wenn der Durchfluss größer oder
gleich dem vorbestimmten Wert ist. Das Schaltventil 68 kann elektronisch
oder manuell gesteuert werden.
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Es
ist des Weiteren zu beachten, dass sich das Schaltventil 68 auch
bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel verwenden lässt.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist in dem Oxidationsgas-Austrittsloch 4 keine
Rektifizierplatte 34 ausgebildet. Jedoch wird darauf hingewiesen,
dass sich eine derartige Rektifizierplatte 34 in dem Oxidationsgas-Austrittsloch 4 ausbilden
ließe,
um auf leichte Weise den Separator 1 herzustellen.
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Bei
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Rektifizierplatten 34 in
dem Oxidationsgas-Einlassloch 3 vorgesehen, um die gleichmäßige Verteilung
der sauerstoffhaltigen Luft zu verbessern. Vorteilhafter Weise lassen
sich die Rektifizierplatten auch auf ähnliche Weise bei dem Brennstoffgas-Einlassloch 7 verwenden,
um die gleichmäßige Verteilung
des Wasserstoffgases zu verbessern.
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In
der vorstehenden Beschreibung sind die Prinzipien, die bevorzugten
Ausführungsbeispiele und
die Funktion der Erfindung beschrieben. Jedoch soll sich der angestrebte
Schutz nicht allein auf die hierin beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiel
beschränken.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele
sind als veranschaulichend nicht aber als beschränkend anzusehen. Im Rahmen
der Erfindung können
Varianten und Änderungen
vorgenommen werden und Äquivalente
zum Einsatz kommen, sofern sie in den Schutzumfang der Erfindung
fallen.