DE19964565B3 - Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Abstract

Polymer-Elektralyt-Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Mehrzahl auf- bzw. aneinandergestapelter Zellen (4), wobei zwischen den Zellen (4) Trennelemente (80) angeordnet sind und jede Zelle (4) eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode gehaltene Festpolymer-Elektrolytmembran aufweist. Jedes der Trennelemente (80) hat einen rechteckigen Umriß mit jeweils gegenüberliegenden Kurzseiten und Langseiten und Brennstoffgasdurchgänge (11) zum Versorgen der Anode mit einem Brennstoffgas und/oder Oxidationsgasdurchgänge zum Versorgen der Kathode mit einem oxidierenden Gas. Kühlmitteldurchgänge (82) sind in den Trennelementen (80) um die Brennstoffgasdurchgänge (11) bzw. die Oxidationsgasdurchgänge herum angeordnet, so dass ein Kühlmittel in einer zu Oberflächen der Trennelemente (80) senkrechten Richtung strömen kann. Ein Zufuhr-Verteilerrohr (13a) für das Oxidationsgas ist in einem Umfangsabschnitt der Trennelemente (80) an einer der Kurzseiten derselben vorgesehen und ein Auslaß-Verteilerrohr (13b) für das Oxidationsgas ist in einem Umfangsabschnitt der Trennelemente (80) an der anderen der Kurzseiten vorgesehen. Die Kühlmitteldurchgänge (82) sind ferner so angeordnet und miteinander verbunden, dass sich ein stromaufwärtiger Abschnitt der Kühlmitteldurchgänge (82) an der einen Kurzseite und ein stromabwärtiger Abschnitt der Kühlmitteldurchgänge (82) an der anderen Kurzseite befindet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Stapel für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, die als Elektrolyt ein Feststoff-Polymer mit Ionenleitfähigkeit verwenden, und insbesondere auf einen verbesserten Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der eine große Elektrodenfläche aufweist.
  • Heutzutage wird Brennstoffzellen Aufmerksamkeit entgegengebracht, die als Energieumwandlungsvorrichtungen mit hohem Wirkungsgrad dienen. Diese Brennstoffzellen werden grob in eine bei niedriger Temperatur betreibbare Brennstoffzelle, wie z. B. eine alkalische Brennstoffzelle, eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle etc., sowie eine bei hoher Temperatur betreibbare Brennstoffzelle, wie z. B. eine Karbonatschmelze-Brennstoffzelle, eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle etc., unterteilt.
  • Unter den oben erwähnten Brennstoffzellen wird von einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (nachstehend als ”PEFC” bezeichnet), die eine Feststoffpolymer-Elektrolytmembran mit Protonenleitfähigkeit verwendet, erwartet, daß sie als Energiequelle für den Weltraum oder für Fahrzeugausrüstung benutzt wird, da sie einen kompakten Aufbau aufweist, eine hohe Leistungsdichte bietet und durch ein einfaches System betreibbar ist.
  • Als Polymer-Elektrolytmembran (nachstehend als ”Polymermembran” bezeichnet) wird beispielsweise eine Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäuremembran bzw. -folie (z. B. Nafion: Handelsname, hergestellt von Dupont Company) verwendet. Diese Polymermembran wird zwischen einem Paar poröser Elektroden (einer Anode und einer Kathode) mit einem Katalysator, wie z. B. Platin, gehalten und bildet damit einen Membran-/Elektrodenaufbau. Die Polymermembran und die porösen Elektroden weisen die Form einer dünnen Platte bzw. Lage auf, und haben eine Dicke von etwa 1 mm oder weniger, um so den inneren Widerstand derselben zu verringern.
  • Ferner sind die Polymermembran und die Elektrodenlagen für gewöhnlich rechteckig. Die Fläche jeder Elektrode wird auf der Basis eines zur Energieerzeugung erforderlichen Stroms und eines Stromwerts pro Flächeneinheit, d. h. der Stromdichte, festgelegt. Die meisten Elektroden werden auf eine Fläche von etwa 100 cm2 oder mehr eingestellt, d. h. mit einer Seite von 10 cm oder mehr. Die Polymermembran hat auch eine Funktion des Verhinderns einer Durchmischung von der Anode und der Kathode zugeführten Gasen, und wird daher so festgelegt, daß sie eine größere Fläche als die Elektroden aufweist.
  • Um einen Strom aus der Membran-/Elektrodenanordnung zu extrahieren, sind außerhalb der Anode und der Kathode Stromkollektoren vorgesehen. Die Stromkollektoren weisen eine große Anzahl von Rillen bzw. Kanälen auf, die sich parallel zu den Oberflächen der Anode und der Kathode erstrecken. Diese Rillen dienen als Gasdurchgänge zur Versorgung der Anode und der Kathode mit einem Brennstoffgas und einem oxidierenden Gas bzw. Gas als Oxidant, die jeweils zur Reaktion in der Zelle erforderlich sind. Da ferner die durch eine einzelne Membran-/Elektrodenanordnung erzeugte Spannung nicht mehr als 1 Volt oder weniger beträgt, wird ein PEFC-Stapelaufbau durch Aufeinander- bzw. Aneinanderstapeln einer Mehrzahl von Membran-/Elektrodenanordnungen und durch ein in-Reihe-Verbinden derselben gebildet. Dieser Aufbau benötigt einen Kathodenstromkollektor und einen Anodenstromkollektor, und daher wird ein Trennelement verwendet, welches jeweils auf der Anodenseite und der Kathodenseite der benachbarten Membran-/Elektrodenanordnungen vorgesehene und integral als ein einziger Körper ausgebildete Kollektoren umfaßt.
  • Jede Membran-/Elektrodenanordnung erzeugt während der Reaktion in der Zelle Wärme. Eine normalerweise angewandte Kühlmethode besteht darin, eine Kühlplatte zwischen einer Mehrzahl von Membran-/Elektrodenanordnungen einzufügen und Kühlwasser in der Kühlplatte zirkulieren zu lassen. Diese Methode erfordert jedoch ein Trennelement zum Zuführen des Kühlwassers zusätzlich zu einem Trennelement zum Zuführen von Gasen. Dies ergibt eine Zunahme in der Dicke in der Stapelrichtung.
  • Die JP H10-21949 A offenbart als ein Verfahren zur Lösung des Problems ein Verfahren zur Ausbildung von Kühlwasserdurchgängen um die Gasdurchgänge herum, um ohne die zwischen die Membran-/Elektrodenanordnungen eingefügte Kühlplatte auszukommen. Im einzelnen sind bei der in dieser Veröffentlichung offenbarten Technik Durchgänge 202 zum Umwälzen von Kühlwasser in oberen, unteren, linken und rechten vier Abschnitten eines Trennelements 200 ausgebildet, welches als Gasdurchgänge ausgebildete Rillen 201 an einem zentralen Abschnitt desselben aufweist, wie 1 zeigt, wobei Kühlwasser in den Durchgängen 202 zirkuliert, um Reaktionswärme abzuführen.
  • Das obige Kühlverfahren weist jedoch die folgenden Probleme auf:
    Ein erstes Problem besteht darin, daß die Reaktionsfläche nicht vergrößert werden kann. Bei dem oben erwähnten Kühlverfahren wird von den das Trennelement 200 haltenden Membran-/Elektrodenanordnungen erzeugte Wärme auf das Trennelement 200 übertragen, in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung des Trennelements geleitet und mittels durch die Durchgänge 202 strömenden Kühlwassers abgeführt. Mit anderen Worten wird die Temperatur eines zentralen Reaktionsabschnitts des Trennelements höher als die in seinem Umfangsabschnitt.
  • Falls die Reaktionsfläche vergrößert wird, erhöht sich demgemäß der Abstand zwischen dem Zentrum des Reaktionsabschnitts und jedem Kühldurchgang, wobei sich auch ein Temperaturunterschied wie oben verstärkt. Andererseits kann eine größere Dicke des Trennelements, um damit den Querschnitt, d. h. die Wärmeübertragungsfläche zu erhöhen, vorgesehen werden, um den Temperaturunterschied zu verringern. Dieses Verfahren erhöht jedoch unweigerlich die Dicke der Zelle und daher die gesamte Zellengröße.
  • Ein zweites Problem besteht darin, daß eine dreidimensionale Temperaturverteilung in der Trennelementebene auftritt. Insbesondere bei der oben beschriebenen Kühlmethode wird die Temperatur so in der Trennelementebene verteilt, daß sie an einem zentralen Abschnitt höher ist als an den vier Umfangsseiten. Selbst wenn die Gasdurchgänge flach ausgebildet sind, kondensiert daher infolge der Reaktion erzeugte Feuchtigkeit an einem Umfangsabschnitt des Trennelements und kann folglich nicht effizient gesammelt werden.
  • Ein drittes Problem liegt darin, daß das Zufuhr-Verteilerrohr und das Austrag-Verteilerrohr für das Brennstoffgas bzw. das Oxidationsgas nicht vergrößert werden können. Wo Kühlwasserdurchgänge um die Gasdurchgänge angeordnet sind, wie in 1 gezeigt ist, müssen das Zufuhr-Verteilerrohr und das Austrag-Verteilerrohr für das Brennstoffgas und das Oxidationsgas an den vier Ecken angeordnet werden, wodurch die Querschnitte des Zufuhr-Verteilerrohrs und des Austrag-Verteilerrohrs stärker verringert werden als die der Kühlwasserdurchgänge.
  • Dies bedeutet, daß, wenn die Reaktionsfläche vergrößert wird und eine große Menge Brennstoffgas oder Oxidationsgas erforderlich ist, das Brennstoffgas oder das Oxidationsgas nicht gleichmäßig auf jede Zelle eines Brennstoffzellenstapels verteilt werden können, da sich der Querschnitt der Zuführöffnung, d. h. der Querschnitt eines Gasverteilerrohrs, unweigerlich verringert.
  • Aus der US 5 804 326 A ist ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl auf- bzw. aneinandergestapelter Zellen bekannt, der insgesamt einen rechteckigen Umriß mit gegenüberliegenden Kurzseiten und Langseiten besitzt und in dem zwischen den Zellen Trennelemente und an den Enden des Stapels Endplatten angeordnet sind. In jedem Trennelement sind in den gegenüberliegenden Flächen mäanderförmige Oxidationsgasdurchgänge und Brennstoffgasdurchgänge vorgesehen, die eine Strömung des Oxidationsgases und des Brennstoffgases von einem Endabschnitt an einer der Kurzseiten zu dem Endabschnitt an der anderen der Kurzseiten ermöglichen. Im Randbereich der beiden Längsseiten der Trennelemente sind Kühlmitteldurchgangskanäle so angeordnet, dass diese in der Stapelrichtung miteinander fluchten und eine Kühlmittelströmung durch den Brennstoffzellenstapel senkrecht zur Ebene der Trennelemente und von einem Einlass an dem Endabschnitt der anderen der Kurzseiten zu dem Endabschnitt an der einen der Kurzsseiten und damit entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Oxidationsgases durch jedes Trennelement ermöglichen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der kompakt ist, aber eine grobe Reaktionsfläche aufweist, reibungslos Gas zuführen kann und eine verbesserte Kühlung aufweist.
  • Um die Aufgabe zu erfüllen, wird ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in Vorschlag gebracht.
  • Im folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen zur Erläuterung von Merkmalen der Erfindung und von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines in einem herkömmlichen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel verwendeten Trennelements,
  • 2 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einem ersten Beispiel,
  • 3 eine Schnittansicht zur Darstellung des Brennstoffzellenstapels von 2,
  • 4A und 4B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in dem ersten Beispiel eingesetzten Trennelements, wobei 4A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements und 4B eine Schnittansicht längs der Linien A-A in 4A ist,
  • 5 eine Ansicht, die zur Erklärung der Wärmeströmung durch jede Zelle in dem Brennstoffzellenstapel des ersten Beispiels dient,
  • 6 eine graphische Darstellung der Zellenspannungsverteilung des Brennstoffzellenstapels des ersten Beispiels,
  • 7 eine graphische Darstellung der vertikalen Temperaturverteilungen des herkömmlichen Trennelements und des Trennelements des ersten Beispiels,
  • 8 eine graphische Darstellung der horizontalen Temperaturverteilungen des herkömmlichen Trennelements und des Trennelements des ersten Beispiels,
  • 9 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einem zweiten Beispiel,
  • 10A und 10B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in dem zweiten Beispiel einsetzten Trennelements, wobei 10A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements ist, und 10B eine Schnittansicht längs der Linien B-B in 10A ist,
  • 11 eine Ansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur und der Dampfmenge bei der Erfindung,
  • 12 eine Ansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen einem Temperaturunterschied und dem Seitenverhältnis eines in der Erfindung verwendeten Trennelements aus expandiertem Graphit,
  • 13 eine Ansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen einem Temperaturunterschied und dem Seitenverhältnis eines in der Erfindung verwendeten Aluminium-Trennelements,
  • 14A und 14B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in einem fünften Beispiel einsetzten Trennelements, wobei 14A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements ist und 14B eine Schnittansicht längs der Linien C-C in 14A ist,
  • 15A und 15B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in einem sechsten Beispiel einsetzten Trennelements, wobei 15A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements ist, und 15B eine Schnittansicht längs der Linien D-D in 15A ist,
  • 16 eine Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines in einem siebten Beispiel eingesetzten Trennelements, und insbesondere eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements,
  • 17A und 17B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in einem achten Beispiel eingesetzten Trennelements, wobei 17A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgasdurchgangsseite des Trennelements und 17B eine Schnittansicht längs der Linien E-E in 17A ist,
  • 18A und 18B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in einem neunten Beispiel eingesetzten Trennelements, wobei 18A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements und 18B eine Schnittansicht längs der Linien F-F in 18A ist,
  • 19 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 20A und 20B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in der ersten Ausführungsform eingesetzten Trennelements, wobei 20A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements und 20B eine Schnittansicht längs der Linien G-G in 20A ist,
  • 21A und 21B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer in 19 vorkommenden vorderen Endplatte, wobei 21A eine Vorderansicht und 213 eine Schnittansicht längs der Linien H-H in 21A ist,
  • 22A und 22B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer in 19 vorkommenden hinteren Endplatte, wobei 22A eine Vorderansicht und 22B eine Schnittansicht längs der Linien I-I in 22A ist,
  • 23 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
  • 24A und 24B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer in 23 vorkommenden vorderen Endplatte, wobei 24A eine Vorderansicht und 243 eine Schnittansicht längs der Linien J-J in 24A ist,
  • 25A und 25B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer in 23 vorkommenden hinteren Endplatte, wobei 25A eine Vorderansicht und 25B eine Schnittansicht längs der Linien K-K in 25A ist,
  • 26 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
  • 27A und 27B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer in 26 vorkommenden vorderen Endplatte, wobei 27A eine Vorderansicht und 27B eine Schnittansicht längs der Linien J-J in 27A ist,
  • 28A und 28B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer in 26 vorkommenden hinteren Endplatte, wobei 28A eine Vorderansicht und 28B eine Schnittansicht längs der Linie L-L in 28A ist.
  • Im folgenden werden Beispiele zur Erläuterung von Merkmalen der Erfindung und die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • (Erstes Beispiel)
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einem ersten Beispiel.
  • Ein Brennstoffzellenstapel 1 umfaßt einen Zellenabschnitt 2 sowie Endplatten 3 (3a, 3b). Der Zellenabschnitt 2 ist aus einer Mehrzahl auf- bzw. aneinandergestapelter Zellen 4 gebildet. Die Endplatten 3 sind jeweils an einem der entsprechenden Vorder- und Hinterenden des Zellenabschnitts 2 vorgesehen und angeordnet, um den Zellenabschnitt 2 mit Zugstangen und Federn (nicht dargestellt) zusammenzuhalten. Eine Stromanschlußklemme (nicht dargestellt) ist an den Endplatten 3 zur Abnahme der im Brennstoffzellenstapel 1 gewonnenen Energie befestigt.
  • Rohrleitungen für Fluide sind an der vorderen Endplatte 3a befestigt. Im einzelnen ist an einem oberen rechten Ende der vorderen Endplatte 3a ein Oxidationsgaseinlaß 5a und an einem unteren linken Ende der Endplatte ein Oxidationsgasauslaß 5b vorgesehen. Ferner ist an einem oberen linken Abschnitt der Endplatte 3a ein Brennstoffgaseinlaß 6a und an einem unteren rechten Abschnitt derselben ein Brennstoffgasauslaß 6b vorgesehen. Ferner sind Kühlmitteleinlässe 7a an oberen und unteren Enden eines zentralen Abschnitts der vorderen Endplatte 3a vorgesehen. Andererseits sind Kühlmittelauslässe 7b an oberen und unteren Enden eines zentralen Abschnitts der hinteren Endplatte 3b vorgesehen.
  • 3 zeigt einen Querschnitt des Brennstoffzellenstapels 1 von 2, den man erhält, wenn der Stapel längs einer die Achsen der Kühlmitteleinlässe 7a und der Kühlmittelauslässe 7b enthaltenden Ebene durchschnitten wird. Wie gezeigt, umfaßt jede Zelle 4 eine Membran-/Elektrodenanordnung (MEA) 8, ein Paar Flachdichtungen 9 und ein Paar Trennelemente 10. Die Membran-/Elektrodenanordnung 8 umfaßt eine Elektrolytmembran 8a und zwei Elektroden, d. h. eine Anode 8b und eine Kathode 8c. Ferner weist jedes Trennelement 10 Rillen oder Kanäle auf, die für eine Gasströmung in gegenüberliegenden Oberflächen eines zentralen Abschnitts derselben ausgebildet sind. Genauer gesagt sind Brennstoffgasdurchgänge 11 in einer Oberfläche ausgebildet, die in Kontakt mit der Anode 8b steht, während Oxidationsgasdurchgänge 12 in einer Oberfläche ausgebildet sind, die in Kontakt mit der Kathode 8c steht. Bei jeder Flachdichtung 9 sind diejenigen Teile herausgeschnitten, die beiden Elektroden, einem Gasverteilerrohr und einem Kühlmitteldurchgang entsprechen, und sie weist im wesentlichen dieselbe Dicke wie die Elektroden auf.
  • Die 4A und 4B zeigen den Aufbau eines Trennelements, wobei 4A eine Vorderansicht eines Brennstoffgasdurchgangs-Seitenabschnitts eines Trennelements 10 ist, und 4B eine Schnittansicht längs der Linie A-A von 4A ist. Die Außenabmessungen jedes Trennelements 10 betragen 25 cm in der Länge, 7 cm in der Breite und 2 mm in der Dicke. Die Trennelemente 10 sind aus einer leitenden, massiven Struktur gebildet und sind daher in diesem Beispiel aus festem bzw. massivem Kohlenstoffmaterial gefertigt.
  • Eine Mehrzahl von Durchgangslöchern ist in den Umfangsabschnitten jedes Trennelements 10 ausgebildet. Genauer gesagt sind ein Oxidationsgas-Zufuhr-Verteilerrohr 13a und ein Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohr 13b in einem rechten Abschnitt bzw. einem linken Abschnitt jedes Trennelements 10 ausgebildet. Ferner sind ein Brennstoffgas-Zufuhr-Verteilerrohr 14a sowie acht Kühlmitteldurchgänge 15 in jenen Abschnitten jedes Trennelements 10 ausgebildet, die im wesentlichen parallel zu der Langseite gelegen sind, d. h. in oberen Abschnitten jedes Trennelements 10. Ein Brennstoffgas-Austrag-Verteilerrohr 14b sowie acht Kühlmitteldurchgänge 15 sind in unteren Abschnitten jedes Trennelements 10 ausgebildet.
  • Darüber hinaus ist eine Mehrzahl von Rillen bzw. Nuten oder Kanälen mit einer Breite von 1 mm und einer Tiefe von 0,5 mm durch maschinelle Bearbeitung in einem zentralen Abschnitt einer Oberfläche jedes Trennelements 10 ausgebildet. Diese Rillen kommunizieren mit dem Brennstoffgas-Zufuhr-Verteilerrohr 14a und dem Brennstoffgas-Austrag-Verteilerrohr 14b und bilden die Brennstoffgasdurchgänge 11. Wie durch die Pfeile in der Figur angedeutet ist, wird ein durch das Brennstoffgas-Zufuhr-Verteilerrohr 14a zugeführtes Brennstoffgas durch die Rillen jedes Trennelements 10 strömen gelassen, wobei nicht in Reaktion getretenes Brennstoffgas durch das Brennstoffgas-Austrag-Verteilerrohr 14b ausgetragen wird.
  • Rillen ähnlich den in der einen Oberfläche ausgebildeten sind in einem zentralen Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche jedes Trennelements 10 ausgebildet und zum Kommunizieren mit dem Oxidationsgas-Zuführverteilerrohr 13a und dem Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohr 13b vorgesehen, wodurch sie die Oxidationsgasdurchgänge 12 zum Zuführen und Austragen eines Oxidationsgases bilden.
  • Die rechteckige, unterbrochene Linie in 4A gibt die Größe der Anode 8b und der Kathode 8c an. Bei diesem Beispiel haben die Anode und die Kathode eine Länge von 5 cm und eine Breite von 20 cm.
  • Es kann zwar Wasser als in den Kühlmitteldurchgang 15 eingeleitetes Kühlmittel verwendet werden, eine Frostschutzflüssigkeit ist jedoch im Hinblick auf den Fall, daß das Kühlmittel in kalten Gegenden verwendet wird, bevorzugt. Bei diesem Beispiel wird eine Äthylenglykol-Wasserlösung verwendet. Dieses Kühlmittel wird gleichmäßig durch die zwei Kühlmitteleinlässe 7a, die an der vorderen Endplatte 3a gemäß 2 vorgesehen sind, in den Brennstoffzellenstapel 1 eingeleitet. Ein (nicht dargestellter) Verteilerkopf ist in der Endplatte 3a zum Verteilen des durch die Kühlmitteleinlässe 7a eingeleiteten Kühlmittels in acht obere Strömungswege und acht untere Strömungswege vorgesehen.
  • Das in acht Strömungswege aufgeteilte Kühlmittel strömt durch die in oberen und unteren Abschnitten der Trennelemente 10 vorgesehenen gemeinsamen Kühlmitteldurchgänge 15, die Flachdichtungen 9 und die Elektrolyt-Membran 8a in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen dieser Komponenten. Während des Srömens absorbiert das Kühlmittel Wärme von den Wänden der Kühlmitteldurchgänge 15 und kühlt sie. Nach der Abkühlung erreichen die Kühlmittelströme die hintere Endplatte 3b, werden dann durch einen in der hinteren Endplatte 3b vorgesehenen (nicht dargestellten) Sammelrohrkopf zu zwei Strömen gesammelt und durch die Kühlmittelauslässe 7b ausgetragen.
  • 5 ist eine Ansicht zur Darstellung der Wärmeströmung in jeder Zelle 4. Die aus der Reaktion in der Zelle resultierende Wärme wird durch die Anode 8b und die Kathode 8c übertragen, von den Kontaktflächen des Trennelements 10 und der Elektroden in die Trennelemente übertragen und in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen der Trennelemente geleitet. Danach wird die Wärme über die Wände der Kühlmitteldurchgänge 15 vertikal durch die Trennelemente auf das Kühlmittel übertragen. Die Wärme wird so abgeführt.
  • Ein Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Beispiel wurde durch Aufeinanderstapeln von hundert Zellen erstellt, von denen jede aus der oben beschriebenen Elektrode (5 cm × 20 cm) und den Trennelementen (7 cm × 25 cm × 2 mm) bestand. Außerdem wurde ein herkömmlicher Brennstoffzellenstapel ebenfalls durch Aufeinanderstapeln von hundert Zellen erstellt, von denen jede aus der oben beschriebenen Elektrode (10 × 10 cm) und den Trennelementen (12 cm 12 cm × 2 mm) bestand. H2 und Luft wurden als Reaktionsgase zugeführt (entsprechend einem Ausnutzungsgrad von 70% bzw. 40%) und eine Äthylenglykol-Wasserlösung wurde als Kühlmittel bei einer Einlaßtemperatur von 50°C und mit einer Strömungsrate von 1,5 kg/sek zugeführt. Unter diesen Bedingungen wurden Energiegewinnungstests bei einer Stromdichte von 0,5 A/cm2 ausgeführt, wodurch die Stapelspannungen beider Brennstoffzellenstapel, die Temperaturverteilungen ihrer Trennelemente und die Spannungsverteilung jeder Zelle in den Stapeln gemessen wurden. Als Ergebnis wurden die folgenden Resultate erzielt.
  • 6 zeigt die charakteristische Spannungsverteilung jeder in den Brennstoffzellenstapel des Beispiels eingegliederten Zelleneinheit und des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels, die durch die Erfinder festgestellt wurden. Die Zellen wurden mit Zellnummern in einer Reihenfolge versehen, die bei der der vorderen Endplatte nächstgelegenen Zelle beginnt, d. h. der mit dem Zuführverteilerrohr und dem Austrag-Verteilerrohr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases versehenen Endplatte.
  • Bei dem Brennstoffzellenstapel des Beispiels wiesen die Zelleneinheiten im wesentlichen die gleiche Spannung auf. Dies scheint daran zu liegen, daß das in einem im wesentlichen parallel zur kurzen Seite jedes Trennelements gelegenen Abschnitt vorgesehene Oxidationsgas- bzw-Oxidantzufuhr-Verteilerrohr eine ausreichende Querschnittsfläche aufweist (1 cm × 5 cm).
  • Andererseits wurden bei dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel Gaszufuhr-/Austrag-Verteilerrohre an den vier Ecken jedes Trennelements vorgesehen, wobei sie nur eine kleindimensionierte Querschnittsfläche von 1 cm × 1 cm besaßen. Entsprechend konnte das Oxidationsgas nicht gleichmäßig jeder Zelleneinheit zugeführt werden, mit dem Ergebnis, daß Abweichungen von ±30% in der Spannung gegenüber der Durchschnittsspannung auftraten. Wie daraus zu ersehen ist, weist das Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohr, das in einem im wesentlichen parallelen Abschnitt zur kurzen Seite jedes Trennelements vorgesehen ist, eine ausreichende Querschnittsfläche auf, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases zu jeder Zelleneinheit des Stapels ermöglicht wird, selbst wenn sich die Reaktionsfläche vergrößert und eine größere Menge von Brennstoffgas oder Oxidationsgas erforderlich ist.
  • 7 zeigt die durch die Erfinder festgestellte vertikale Temperaturverteilung jedes Brennelements, während 8 die Temperaturverteilung jedes Trennelements in der Horizontalrichtung darstellt. Wie aus den Figuren hervorgeht, ist bei dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel die Temperaturverteilung sowohl in der Vertikalrichtung als auch in der Horizontalrichtung identisch, da die Elektroden und die Trennelemente quadratisch sind und Kühlmitteldurchgänge um sie herum ausgebildet sind. Die Temperatur eines zentralen Abschnitts jeder Elektrode betrug jedoch 80°C, was um 10° höher ist als die eines Umfangsabschnitts, da ein Endabschnitt jeder Elektrode um 5 cm vom mittleren Abschnitt entfernt ist.
  • Andererseits beträgt bei dem Brennstoffzellenstapel des Beispiels die vertikale Länge jeder Elektrode nur 5 cm, was bedeutet, daß der Elektrodenendabschnitt vom zentralen Abschnitt nur um 2,5 cm entfernt ist. Entsprechend konnte der Temperaturunterschied zwischen dem Umfangsabschnitt und dem zentralen Abschnitt auf einen Wert von nur 2°C verringert werden. Da Wärme gemäß 5 vertikal übertragen wird, ist außerdem die horizontale Temperaturverteilung bei 72°C annähernd einheitlich (sh. 8).
  • Die Stapelspannungen wurden ebenfalls gemessen. Es stellte sich heraus, daß die Stapelspannung des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels 40 Volt betrug, während die des Brennstoffzellenstapels des Beispiels 55 Volt betrug. Der Grund, warum eine so hohe Stapelspannung erzielt wurde, liegt darin, daß eine Temperaturerhöhung eines zentralen Abschnitts jeder Elektrode unterdrückt werden kann, wie in den 7 und 8 gezeigt ist, und daher ein Verdampfen von Wasser, welches die Leitfähigkeit der Membran aufrechterhält, verhindert werden kann.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Außenseite jedes Trennelements rechteckig ausgebildet, und Kühlmitteldurchgänge sind in denjenigen Abschnitten jedes Trennelements um dessen Gasdurchgänge ausgebildet, welche im wesentlichen parallel zu den Langseiten jedes Trennelements sind, so daß ein Kühlmittel in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche jedes Trennelements strömen kann. Diese Struktur kann in jeder Brennstoffzelle durch Reaktion erzeugte Wärme abführen und Temperaturunterschiede in jedem Trennelement minimieren.
  • Beim Vergrößern der Reaktionsfläche kann die Länge derjenigen Kurzseiten jedes Trennelements, durch welche Wärme übertragen wird, beibehalten werden, indem die Langseiten jeder Elektrode und jedes Trennelements verlängert werden. Somit können Temperaturunterschiede in jedem Trennelement wie im obigen Fall minimiert werden.
  • (Zweites Beispiel)
  • Dieses Beispiel ist eine Modifikation des ersten Beispiels, wobei das Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr und das Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr in Seitenabschnitten jedes Trennelements ausgebildet sind. 9 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß dem zweiten Beispiel. Die 10A und 10B sind Ansichten zur Darstellung der Struktur eines Trennelements, wobei 10A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brennstoffgas-Durchgangsseite des Trennelements und 10B eine Schnittansicht längs der Linien B-B in 10A ist.
  • Bei diesem Beispiel werden die Brennstoffgas-zufuhr-Verteilerrohre und die Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohre in dem Brennstoffzellenstapel des ersten Beispiels als Kühlmitteldurchgänge verwendet, während jedes der Oxidationsgas- bzw. Oxidantzufuhr-Verteilerrohre und der Oxidationsgas- bzw. Oxidantaustrag-Verteilerrohre in dem ersten Beispiel vertikal in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei einer der zwei Abschnitte als Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr 24a und einer der anderen Abschnitte als Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr 24b verwendet wird.
  • Genauer gesagt sind gemäß den 10A und 10B ein Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr 24a und ein Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohr 23b in denjenigen linken Umfangsabschnitten jedes Trennelements um Gasdurchgänge vorgesehen, die im wesentlichen parallel zu den Kurzseiten jedes Trennelements sind, während ein Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohr 23a und ein Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr 24b in denjenigen rechten Umfangsabschnitten jedes Trennelements um die Gasdurchgänge vorgesehen sind, die im wesentlichen parallel zu den Kurzseiten jedes Trennelements sind.
  • Gemäß dem obigen Aufbau sind ein Oxidationsgaseinlaß 25a und ein Brennstoffgasauslaß 26b vertikal an rechten Seitenabschnitten der vorderen Endplatte 23a vorgesehen, während ein Brennstoffgaseinlaß 26a und ein Oxidationsgasauslaß 25b vertikal an linken Seitenabschnitten der Endplatte 23a vorgesehen sind, wie in 9 dargestellt ist. Ein Kühlmitteleinlaß 7a und ein Kühlmittelauslaß 7b sind an denselben Stellen wie bei dem ersten Beispiel vorgesehen.
  • Wie in den 10A und 10B gezeigt ist, kommunizieren ferner in einem zentralen Abschnitt jedes Trennelements ausgebildete Brennstoffgasdurchgänge 11 mit dem in einem oberen linken Seitenabschnitt vorgesehenen Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr 24a und einem in einem unteren rechten Seitenabschnitt vorgesehenen Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr 24b, um ein Brennstoffgas, wie durch die Pfeile angegeben ist, einem Trennelement zuzuführen und von diesem auszutragen. Andererseits strömt das Kühlmittel durch neun in oberen und unteren Abschnitten jedes Trennelements vorgesehene Durchgänge in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche jedes Trennelements, wodurch Reaktionswärme von den Kühlmitteldurchgangswänden absorbiert wird und diese gekühlt werden.
  • Bei diesem Beispiel wurde jede Elektrode auf eine Länge von 20 cm und eine Breite von 5 cm festgelegt und jedes Trennelement wurde auf eine Länge von 25 cm, eine Breite von 7 cm und eine Dicke von 2 mm festgelegt. Ferner wurde massives Kohlenstoffmaterial als das Material der Trennelemente verwendet. Jede Zelleneinheit wurde unter Verwendung dieser Bestandteile ausgebildet, und es wurden hundert solcher Zelleneinheiten aufeinandergestapelt, um einen Energieerzeugungstest auszuführen. Die angewandten Testbedingungen waren dieselben wie bei dem ersten Beispiel.
  • Im Ergebnis betrug die Temperatur eines Umfangsabschnitts 70°C und die eines zentralen Abschnitts 71,7°C, was bedeutet, daß der Temperaturunterschied in der Vertikalrichtung noch geringer ist als bei dem ersten Beispiel. Dies scheint daran zu liegen, daß die Kühlmitteldurchgänge um zwei Durchgänge – obere und untere Durchgänge – vermehrt wurden, und daher die Wärmeübertragungsfläche erhöht wurde. Darüber hinaus war wie bei dem ersten Beispiel die Stapelspannung mit 56 Volt höher als die des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels.
  • Wie oben beschrieben wird die Struktur verwendet, bei der ein Brennstoffgas- oder Oxidationsgaszufuhr- oder -austrag-Verteilerrohr um Gasdurchgänge in demjenigen Abschnitt jedes Trennelements vorgesehen sind, der im wesentlichen parallel zu den Kurzseiten jedes Trennelements ist. Entsprechend können alle oberen und unteren Abschnitte jedes Trennelements, die in peripheren Abschnitten jedes Trennelements um die Gasdurchgänge herum liegen, als Kühlmitteldurchgänge verwendet werden. Dies ermöglicht eine Erweiterung in der Fläche der Kühlmitteldurchgangswände und folglich eine Zunahme der Wärmeübertragungsfläche, wodurch der Temperaturunterschied selbst im Fall einer großen Elektrodenfläche minimiert wird.
  • Ferner gestattet es das Vorsehen eines Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohrs und eines Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohrs in Abschnitten jedes Trennelements, die parallel zu dessen Kurzseiten sind, daß die Verteilerrohre einen großen Querschnitt haben. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung eines Brennstoffgases oder eines Oxidationsgases auf jede Zelleneinheit, selbst wenn die Reaktionsfläche vergrößert ist und eine große Menge an Brennstoffgas oder Oxidationsgas erforderlich ist.
  • (Drittes Beispiel)
  • Bei diesem Beispiel ist jedes Trennelement, das denselben Aufbau wie das in dem zweiten Beispiel verwendete aufweist, aus einer aus flexiblem Graphitkohlenstoff gefertigten Lage gebildet. Die aus flexiblem Graphitkohlenstoff gefertigte Lage wird auch ”expandiertes Graphitmaterial” genannt und ist dadurch gekennzeichnet, daß sie weich ist und folglich leicht geformt werden kann und eine ausgezeichnete Dichtungsleistung aufweist. Darüber hinaus ist die Lage zwischen ihrer Dickenrichtung und ihrer Oberflächenrichtung anisotropisch. Beispielsweise hat sie eine thermische Leitfähigkeit, die in der Oberflächenrichtung zehnmal höher als in der Dickenrichtung ist. Demgemäß ist das Lagenmaterial äußerst geeignet für das Kühlverfahren der Erfindung.
  • Bei diesem Beispiel wurde ein NICA-Film bzw. eine -Folie (ein Handelsname), hergestellt von Nihon Carbon Company, als Material der expandierten Graphitlage verwendet. Ferner wurde jedes Trennelement in dieselbe Form wie bei dem zweiten Beispiel gebracht. Genauer gesagt wurde jedes Trennelement durch Preßformen eines NICA-Films mit einer Dicke von 4 mm und einer Dichte von 0,5 g/cm3 gebildet.
  • Jede Elektrode wurde auf 5 cm Breite und 20 cm Länge festgelegt und mit Trennelementen nach obiger Beschreibung zu einer Zelleneinheit kombiniert. Dann wurde ein Brennstoffzellenstapel durch Aufeinander- bzw. Aneinanderstapeln von hundert solcher Zelleneinheiten gebildet, und es wurde ein Energiegewinnungstest unter denselben Bedingungen wie bei dem zweiten Beispiel ausgeführt, wodurch die vertikale Temperaturverteilung jedes Trennelements gemessen wurde. Im Ergebnis stellte sich heraus, daß die Temperatur eines Umfangabschnitts jedes Trennelements 70°C und die eines zentralen Abschnitts 71,5°C betrug, was bedeutet, daß die Temperaturdifferenz noch geringer ist als bei dem zweiten Beispiel.
  • Zusätzlich wurde der Temperaturunterschied zwischen einem zentralen Oberflächenabschnitt einer Kathode und einem zentralen Abschnitt jedes Trennelements gemessen und stellte sich im wesentlichen als gleich Null heraus. Selbst im Fall von expandiertem Graphit, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung aufweist, kommt es zu keinem Problem, da der Wärmeübertragungsbereich groß eingestellt ist.
  • Obwohl bei dem obigen Beispiel der Temperaturunterschied zwischen einem Umfangsabschnitt und einem Zentralabschnitt jedes Trennelements 1,5°C betrug, ist es erwünscht, den zulässigen Temperaturunterschied zwischen dem Umfangs- bzw. Randabschnitt und dem zentralen Abschnitt jedes Trennelements auf nicht mehr als 5°C zu begrenzen. 11 zeigt die durch die Erfinder festgestellte Beziehung zwischen der Temperatur eines Reaktionsabschnitts und der durch ein Reaktionsgas ausgetragenen Dampfmenge. Diese Figur zeigt angenommene Relativwerte, wenn die Dampfmenge bei 70°C als 1 angenommen wird. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt der Druck gesättigten Dampfs zu, wodurch sich die durch das Reaktionsgas ausgetragene Dampfmenge erhöht. Die Temperatur einer Oberfläche senkrecht zu einer Richtung, in der ein Oxidationsgas strömt, ist in einem zentralen Abschnitt derselben höher als an einem Endabschnitt derselben. Entsprechend ist die ausgetragene Dampfmenge am zentralen Abschnitt groß und am Endabschnitt klein. Daher kommt es am Endabschnitt zu einer Kondensation.
  • Die in dem Reaktionsabschnitt erzeugte Wassermenge beträgt hinsichtlich des oben erwähnten Relativwerts 0,4. Falls die Differenz in der ausgetragenen Menge zwischen dem zentralen Abschnitt und dem Endabschnitt geringer ist als dieser Wert, fällt die ausgetragene Menge in den Bereich der erzeugten Wassermenge, was bedeutet, daß es nicht zu einer größeren Kondensations- oder Verdampfungsmenge als die erzeugte Wassermenge kommt. Daher ist es erwünscht, daß die ausgetragene Menge in diesem Bereich festgelegt wird. Mit anderen Worten ist es erwünscht, die Temperatur des zentralen Abschnitts auf 75°C oder weniger einzustellen, wobei davon ausgegangen wird, daß die Temperatur des Endabschnitts 70°C beträgt.
  • 12 zeigt die durch die Erfinder festgestellte Beziehung zwischen dem Verhältnis (Seitenverhältnis) der Langseite außen an jedem Trennelement zu seiner Kurzseite, und den Temperaturunterschied zwischen einem zentralen Abschnitt und einem Endabschnitt jedes Trennelements, der erhalten wird, wenn jedes Trennelement aus einer expandierten Graphitlage (mit einer Wärmeleitfähigkeit von 140 W/mK) gebildet ist. Man geht davon aus, daß die Reaktionsfläche auf einen konstanten Wert von 100 cm2 festgelegt ist. Aus 12 ist ersichtlich, daß der Temperaturunterschied nicht mehr als 5°C beträgt und folglich die oben genannte Bedingung erfüllt ist, falls das Verhältnis der Langseite zur Kurzseite nicht weniger als 3 beträgt.
  • 13 zeigt die durch die Erfinder festgestellte Beziehung zwischen dem Verhältnis (Seitenverhältnis) der Langseite außen an jedem Trennelement zu seiner Kurzseite und den Temperaturunterschied zwischen einem zentralen Abschnitt und einem Endabschnitt jedes Trennelements, die bzw. der erhalten wird, wenn jedes Trennelement aus Aluminium (mit einer Wärmeleitfähigkeit von 200 W/mK) gebildet ist. Man geht davon aus, daß die Reaktionsfläche auf einen konstanten Wert von 100 cm2 festgelegt ist. Aus 13 ist ersichtlich, daß der Temperaturunterschied nicht mehr als 5°C beträgt und folglich die oben genannte Bedingung erfüllt ist, falls das Verhältnis der Langseite zur Kurzseite nicht weniger als 2,5 beträgt.
  • Wie oben beschrieben wurde, ermöglichte das Ausbilden jedes Trennelements aus einer Lage oder Schicht flexiblen Graphitkohlenstoffs und das Einstellen des Verhältnisses der Langseite außen an jedem Trennelement zu dessen Kurzseite auf nicht weniger als 3, den Temperaturunterschied klein zu halten, selbst wenn eine große Elektrodenfläche verwendet wurde. Darüber hinaus ermöglichte das Ausbilden jedes Trennelements aus einer Lage flexiblen Graphitkohlenstoffs die Anwendung eines Preßformverfahrens, das einen Brennstoffzellenstapel ergab, der für die Massenproduktion geeignet und kostengünstig ist.
  • (Viertes Beispiel)
  • Bei einem vierten Beispiel ist jedes Trennelement mit derselben Struktur wie der bei dem zweiten Beispiel angewandte aus Aluminium gefertigt. Aluminium ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein Material extrem hoher Wärmeleitfähigkeit und daher ein besonders geeignetes Material für das Kühlverfahren der Erfindung ist, und daß es leicht geformt werden kann, da es flexibel ist.
  • Bei diesem Beispiel wurde ein Verkleidungsmaterial als Aluminiummaterial verwendet. Ferner wurde jedes Trennelement durch Preßformen einer Aluminiumplatte mit einer Dicke von 1,5 mm in dieselbe Form gebracht wie bei dem zweiten Beispiel. Außerdem wurde jedes Trennelement mit einer rostfreien und leitenden Beschichtung versehen.
  • Jede Elektrode wurde auf 5 cm Breite und 20 cm Länge festgesetzt und mit nach obiger Beschreibung aufgebauten Trennelementen zu einer Zelleneinheit kombiniert. Dann wurde ein Brennstoffzellenstapel durch Aufeinanderstapeln von 100 solcher Zelleinheiten gebildet und ein Energiegewinnungstest unter denselben Bedingungen wie bei dem zweiten Beispiel ausgeführt, wodurch die vertikale Temperaturverteilung jedes Trennelements gemessen wurde. Als Ergebnis stellte sich heraus, daß die Temperatur eines Umfangsabschnitts jedes Trennelements 70°C und die des Zentralabschnitts 71,5°C betrug, was bedeutet, daß der Temperaturunterschied so gering wie bei der dritten Beispiel gehalten wurde. Jedes Trennelement konnte auch auf eine Dicke von 1,5 mm festgesetzt werden, was bedeutet, daß es um 0,5 mm dünner gemacht werden konnte als das des ersten oder zweiten Beispiels.
  • Bei dem obigen Beispiel betrug der Temperaturunterschied zwischen einem zentralen Abschnitt und einem Umfangsabschnitt jedes Trennelements 1,5°C. Angenommen, die zulässige maximale Temperaturdifferenz zwischen dem zentralen Abschnitt und dem Umfangsabschnitt jedes Trennelements beträgt 5°C, so kann jede Elektrode eine Breite von maximal 66 mm haben, wenn sie aus Aluminium gefertigt ist. Dabei beträgt die Länge jeder Elektrode 152 mm, und daher ist es vorzuziehen, daß jedes Trennelement auf eine Breite von 80 mm und eine Länge von 200 mm festgesetzt wird. Mit anderen Worten ist es erwünscht, daß das Verhältnis der Langseite der Außenseite jedes Trennelements zu seiner Kurzseite auf nicht weniger als 2,5 festgelegt wird.
  • Der Temperaturunterschied konnte selbst dann reduziert werden, wenn eine große Elektrodenfläche verwendet wurde, indem jedes Trennelement aus einer dünnen Platte eines Materials auf Aluminiumbasis gebildet wurde und das Verhältnis der Langseite außen an jedem Trennelement zu seiner Kurzseite auf nicht weniger als 2,5 festgesetzt wurde. Da jedes Trennelement dünn gestaltet werden konnte, konnte außerdem ein kompakter und kostengünstiger Brennstoffzellenstapel erzeugt werden.
  • Der gleiche Vorteil wie oben konnte auch dann erhalten werden, wenn ein anderes Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, als Material für jedes Trennelement verwendet wurde.
  • (Fünftes Beispiel)
  • Die 14A und 14B zeigen den Aufbau eines in ein fünftes Beispiel eingegliederten Trennelements, wobei 14A eine Vorderansicht eines Abschnitts der Brenngasdurchgangsseite des Trennelements ist, und 14B eine Schnittansicht längs der Linien C-C in 14A ist.
  • Bei diesem Beispiel werden acht Durchgänge 15 für ein Kühlmittel in jedem jener drei Abschnitte, d. h. dem oberen, unteren und mittleren Abschnitt, jedes Trennelements 30 ausgebildet, die parallel zu den Ober- und Unterseiten desselben einander gegenüberliegen. Mit anderen Worten werden insgesamt 24 Durchgänge 15 in jedem Trennelement ausgebildet. Jedes Trennelement wird auf 13 cm Breite, 25 cm Länge und 2 mm Dicke festgelegt und aus Aluminium gebildet.
  • Ferner wird jede Elektrode auf 10 cm Breite und 20 cm Länge festgelegt und vertikal in zwei Abschnitte unterteilt. Gemäß den 14A und 14B ist ein Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr 34a in einen oberen linken Abschnitt jedes Trennelements 30 ausgebildet, und ein Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr 34b in einem unteren rechten Abschnitt jedes Trennelements 30 ausgebildet. Darüber hinaus ist ein Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohr 33a sowie ein Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohr 33b in linken bzw. rechten Seitenabschnitten jedes Trennelements vorgesehen.
  • Eine Oberfläche jedes Trennelements 30 weist darin definierte obere und untere Zonen auf, in denen Brennstoffgasdurchgänge so ausgebildet sind, daß sie mit dem Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr 34a und dem Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr 34b kommunizieren, wodurch sie Brennstoffgasdurchgänge 31 bilden. Ein Brennstoffgas wird von dem Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr 34a den Kanälen bzw. Rillen jedes Trennelements 30 zugeführt, wie durch die Pfeile angedeutet ist, wobei ein nicht in Reaktion getretener Teil des Brennstoffgases durch das Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr 34b abgeführt wird.
  • Andererseits weist die (nicht dargestellte) Rückfläche 2 darin definierte Zonen auf, in denen Oxidationsgasdurchgänge so ausgebildet sind, daß sie mit dem Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohr 33a und dem Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohr 33b kommunizieren, die in den rechten bzw. linken Seitenabschnitten ausgebildet sind. Ein Kühlmittel wird in die vierundzwanzig Kühlmitteldurchgänge 15, d. h. in die drei Abschnitte – den oberen, unteren und mittleren Abschnitt – jedes Trennelements eingeleitet, von denen jeder acht Durchgänge enthält. Dieses Kühlmittel wird in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche jedes Trennelements geleitet, um durch Reaktion in jeder Brennstoffzelle erzeugte Wärme abzuführen.
  • Die wie oben aufgebauten Trennelemente wurden mit jeder Elektrode zu einer Zelleneinheit kombiniert. Dann wurde ein Brennstoffzellstapel durch Aufeinanderstapeln von fünfzig solcher Zelleneinheiten gebildet und ein Energiegewinnungstest ausgeführt. Die für den Test angewandten Bedingungen waren identisch mit denen des zweiten Beispiels. Im Ergebnis zeigten die zwei vertikalen Zonen von Gasdurchgängen eine einheitliche Temperaturverteilung. Die oberen und unteren Enden jedes Trennelements hatten 69°C, ein zentraler Abschnitt der Gasdurchgänge hatte 72°C und ein zentraler Abschnitt jedes Trennelements hatte 71°C.
  • Da bei diesem Beispiel in den zwei vertikalen Zonen erzeugte Reaktionswärme durch das Kühlmittel abgeführt wurde, welches durch die in einem zentralen Abschnitt jedes Trennelements vorgesehenen Kühlmitteldurchgänge 15 strömt, war die Temperatur des zentralen Abschnitts jedes Trennelements höher als die seiner unteren und oberen Enden. Sein Temperaturunterschied konnte jedoch auf einen geringeren Wert wie bei dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel reduziert werden.
  • (Sechstes Beispiel)
  • Die 15A und 15B sind Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in ein sechstes Beispiel eingebauten Trennelements, wobei 15A eine Vorderansicht eines Brennstoffgasdurchgangs-Seitenabschnitts des Trennelements und 15B eine Schnittansicht längs der Linien D-D in 15A ist.
  • Bei diesem Beispiel sind neun Durchgänge 15 für ein Kühlmittel in jedem jener drei Abschnitte, d. h. des oberen, unteren und mittleren Abschnitts jedes Trennelements 30 ausgebildet, welche parallel zu den oberen und unteren Seiten desselben einander gegenüberliegen. Mit anderen Worten sind insgesamt siebenundzwanzig Durchgänge in jedem Trennelement ausgebildet. Jedes Trennelement ist auf 13 cm Breite, 25 cm Länge und 2 mm Dicke festgesetzt und aus Aluminium gefertigt.
  • Ferner ist jede Elektrode auf 10 cm Breite und 20 cm Länge festgesetzt und vertikal in zwei gleiche Abschnitte unterteilt. Wie in den 15A und 15B dargestellt ist, sind zwei Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohre 44a und zwei Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohre 44b in linken Seitenabschnitten jedes Trennelements 40 ausgebildet, während zwei Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohre 43a und zwei Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohre 43b in rechten Seitenabschnitten jedes Trennelements 40 ausgebildet sind. Mit anderen Worten sind acht Verteilerrohre in jedem Trennelement 40 ausgebildet.
  • Eine Oberfläche jedes Trennelements 40 weist darin festgelegte obere und untere Zonen auf, in denen Brennstoffgasdurchgänge so ausgebildet sind, daß sie mit den Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohren 44a und den Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohren 44b kommunizieren, wodurch sie Brennstoffgasdurchgänge 41 bilden. Ein Brennstoffgas wird von den Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohren 44a in die Kanäle bzw. Rillen jedes Trennelements 40 eingeleitet, wie durch die Pfeile angegeben ist, und der nicht in Reaktion getretene Teil des Brennstoffgases wird durch die Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohre 44b abgeführt.
  • Andererseits weist die (nicht dargestellte) Rückfläche zwei darin festgelegte Zonen auf, in denen Oxidationsgasdurchgänge derart ausgebildet sind, daß sie mit den Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohren 43a und den Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohren 43b kommunizieren, die in den rechten bzw. linken Seitenabschnitten ausgebildet sind. Ein Kühlmittel wird in die siebenundzwanzig Kühlmitteldurchgänge 15 eingeleitet, d. h. in die drei Abschnitte – den oberen, unteren und mittleren Abschnitt – jedes Trennelements, die jeweils neun Durchgänge enthalten. Dieses Kühlmittel wird in eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche jedes Trennelements geleitet, um durch Reaktion in jeder Brennstoffzelle erzeugte Wärme abzuführen.
  • Nach obiger Beschreibung aufgebaute Trennelemente wurden mit jeder Elektrode zu einer Zelleneinheit kombiniert. Dann wurde ein Brennstoffzellenstapel durch Aufeinanderstapeln von fünfzig solcher Zelleneinheiten gebildet und ein Energiegewinnungstest ausgeführt. Die für den Test angewandten Bedingungen waren identisch mit denjenigen bei dem zweiten Beispiel. Im Ergebnis zeigten die beiden vertikalen Zonen von Gasdurchgängen eine einheitliche bzw. gleichmäßige Temperaturverteilung. Die oberen und unteren Enden jedes Trennelements hatten 69°C, ein zentraler Abschnitt der Gasdurchgänge hatte 72°C und ein zentraler Abschnitt jedes Trennelements hatte 71°C.
  • Da bei diesem Beispiel in den zwei vertikalen Zonen erzeugte Reaktionswärme durch das Kühlmittel abgeführt wurde, welches durch die in einem zentralen Abschnitt jedes Trennelements vorgesehenen Kühlmitteldurchgänge 15 strömt, war die Temperatur des zentralen Abschnitts jedes Trennelements höher als die seiner unteren und oberen Enden. Sein Temperaturunterschied konnte jedoch wie beim fünften Beispiel auf einen geringeren Wert als bei dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel verringert werden.
  • (Siebtes Beispiel)
  • 16 ist eine Darstellung des Aufbaus eines in einem siebten Beispiel eingebauten Trennelements und insbesondere eine Vorderansicht eines Brennstoffgasdurchgangs-Seitenabschnitts des Trennelements.
  • Bei diesem Beispiel ist eine Mehrzahl von Kühlflächen bzw. Kühlbereichen 51 an einem zentralen Abschnitt jedes Trennelements 50 vorgesehen, und ein Kühlmitteldurchgang 52 zum Durchleiten eines Kühlmittels ist in einem zentralen Abschnitt jedes Kühlbereichs 51 ausgebildet. Im einzelnen wird jedes Trennelement auf 13 cm Breite, 25 cm Länge und 2 mm Dicke festgelegt. Wie durch die unterbrochenen Linien angedeutet ist, sind einundzwanzig Kühlbereiche 51 mit einer Breite von 4 cm und einer Länge von 3 cm mit einem Verhältnis von 7 entlang der Langseite zu 3 entlang der Kurzseite in einer Fläche von 12 cm × 21 cm angeordnet, die einem Reaktionsabschnitt zur Energiegewinnung entspricht. Ein Kühlmitteldurchgang 52 ist in einem zentralen Abschnitt jedes Kühlbereichs vorgesehen, um Kühlmittel in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche jedes Trennelements zu leiten.
  • Ferner sind gemäß 16 ein Brennstoffgaszufuhr-Verteilerrohr 54a und ein Oxidationsgasaustrag-Verteilerrohr 53b in einem linksseitigen Abschnitt jedes Trennelements 50 vorgesehen, während ein Brennstoffgasaustrag-Verteilerrohr 54b und ein Oxidationsgaszufuhr-Verteilerrohr 53a in dessen rechtsseitigem Abschnitt vorgesehen sind. Brennstoffgasdurchgänge sind in der Oberfläche jedes Trennelements so ausgebildet, daß sie die Kühlmitteldurchgänge 52 vermeiden, und mit den linken und rechten Zufuhr-Verteilerrohren und Austrag-Verteilerrohren kommunizieren.
  • Das Kühlmittel wird in die einundzwanzig Kühlmitteldurchgänge 52 eingeleitet und in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche jedes Trennelements strömen gelassen, wodurch während der Reaktion in jeder Brennstoffzelle erzeugte Wärme abgeführt wird. Bei diesem Beispiel ist jeder Kühlmitteldurchgang so angeordnet, daß er erzeugte Reaktionswärme in einem entsprechenden Kühlbereich abführt. Die Innenwand jedes Kühlmitteldurchgangs 52 dient als Wärmeübertragungsbereich. Da jeder Kühlmitteldurchgang 52 in einem zentralen Abschnitt eines entsprechenden Kühlbereichs 51 gelegen ist, wird die gesamte Innenwand jedes Kühlmitteldurchgangs 52 als Wärmeübertragungsbereich verwendet, und daher kann eine wirksame Kühlung ausgeführt werden.
  • (Achtes Beispiel)
  • Dieses Beispiel ist eine Abwandlung des vierten Beispiels, bei der die Innenwandkonfiguration jedes Kühlmitteldurchgangs modifiziert ist. Die 17A und 17B zeigen den Aufbau eines in dieses Beispiel aufgenommenen Trennelements, wobei 17A eine Vorderansicht eines Brennstoffgasdurchgang-Seitenabschnitts des Trennelements und 17B eine Schnittansicht längs der Linien E-E in 17A ist.
  • Jedes bei diesem Beispiel verwendete Trennelement 60 ist aus Aluminium gefertigt, und drei Vorsprünge 63 mit einer Breite von 2 mm und einer Länge von 5 mm sind an der Innenwand jedes Kühlmitteldurchgangs 62 vorgesehen. Der übrige Aufbau ist ähnlich dem des vierten oder zweiten Beispiels, und seine Beschreibung wird daher weggelassen.
  • Ein Kühlmittel wird in achtzehn Kühlmitteldurchgänge 62 eingeleitet, die in den oberen und unteren Abschnitten jedes Trennelements längs seiner Langseiten vorgesehen sind, und wird in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche jedes Trennelements geleitet, wodurch während der Reaktion in jeder Brennstoffzelle erzeugte Wärme abgeführt wird. Die Innenwand jedes Kühlmitteldurchgangs 62 dient als Wärmeübertragungsfläche bzw. -bereich. Bei diesem Beispiel vergrößern die an der Innenwand jedes Kühlmitteldurchgangs 62 vorgesehenen Vorsprünge 63 die Länge der Innenwand und daher den Wärmeübertragungsbereich, was eine wirksame Kühlung ermöglicht.
  • (Neuntes Beispiel)
  • Dieses Beispiel ist eine Abwandlung des dritten und achten Beispiels, wobei die Innenwandkonfiguration jedes Kühlmitteldurchgangs modifiziert ist. Die 18A und 18B sind Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in diesem Beispiel eingebauten Trennelements, wobei 18A eine Vorderansicht eines Brennstoffgasdurchgang-Seitenabschnitts des Trennelements und 18B eine Schnittansicht längs der Linien F-F in 18A ist.
  • Jedes Trennelement 70 ist aus einer Lage bzw. Schicht oder Folie flexiblen Graphitkohlenstoffs gebildet und so angeordnet, daß ein Innenwand-Zentralabschnitt jedes Kühlmitteldurchgangs 72 um 2 mm nach innen verlängert ist. Jeder verlängerte Abschnitt wird preßgeformt, um dieselbe Dicke aufzuweisen, d. h. 1 mm, wie Abschnitte, in denen die Brennstoffgasdurchgänge und Oxidationsgasdurchgänge ausgebildet sind. Im Ergebnis werden Verlängerungsabschnitte 73 gebildet. Der übrige Aufbau ist ähnlich dem des dritten oder zweiten Beispiels, und seine Beschreibung wird daher weggelassen.
  • Ein Kühlmittel wird in achtzehn Kühlmitteldurchgänge 72 eingeleitet, die in oberen und unteren Abschnitten jedes Trennelements entlang seiner Langseiten vorgesehen sind, und in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche jedes Trennelements geleitet, wodurch während der Reaktion in jeder Brennstoffzelle erzeugte Wärme abgeführt wird. Die Innenwand jedes Kühlmitteldurchgangs 72 dient als Wärmeübertragungsbereich. Bei diesem Beispiel vergrößert der an der Innenwand jedes Kühlmitteldurchgangs 72 vorgesehene Verlängerungsabschnitt 73 den Wärmeübertragungsbereich bzw. die Wärmeübertragungsfläche, und daher kann eine wirksame Kühlung ausgeführt werden.
  • Außerdem ist expandierter Graphitkohlenstoff, welcher jedes Trennelement bildet, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn er dünner gestaltet und seine Dichte erhöht wird, seine Wärmeleitfähigkeit zunimmt. Demgemäß kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch Ausdünnen bzw. Verschmälern des Verlängerungsabschnitts auf eine Dicke von 1 mm erzielt werden, mit dem Ergebnis, daß eine noch wirksamere Kühlung realisiert werden kann.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Diese Ausführungsform ist eine Modifikation des ersten Beispiels, bei der obere und untere Kühlmitteldurchgänge 82 in zwei Reihen entlang der Langseiten jedes Trennelements 80 vorgesehen sind, und wobei diejenigen der oberen und unteren Kühlmitteldurchgänge, welche einander in einer Strömungsrichtung eines Kühlmittels entsprechen, miteinander in Reihe verbunden sind.
  • 19 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die 20A und 20B sind Ansichten zur Darstellung des Aufbaus eines in die erste Ausführungsform eingebauten Trennelements, wobei 20A eine Vorderansicht eines Brennstoffgasdurchgang-Seitenabschnitts des Trennelements und 20B eine Schnittansicht längs der Linien G-G in 20A ist.
  • Bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung so, daß ein Kühlmittel in Reihe durch acht Kühlmitteldurchgänge 82 strömt, die jeweils in oberen und unteren Abschnitten jedes Trennelements vorgesehen sind. Der übrige Aufbau ist ähnlich dem des ersten Beispiels, und seine Beschreibung wird deshalb weggelassen.
  • Die Außenseite jedes Trennelements 80 wurde auf 25 cm Länge, 7 cm Breite und 2 mm Dicke festgelegt und wurde aus einem leitenden und massiven Material, z. B. bei dieser Ausführungsform aus massivem Kohlenstoff, gebildet.
  • Die 21A und 21B sind Ansichten zur Darstellung einer vorderen Endplatte 83a, die in 19 erscheint, während die 22A und 22B Ansichten zur Darstellung einer hinteren Endplatte 83b sind. Die vorderen und hinteren Endplatten 83a und 83b weisen darin ausgebildete Verbindungs-Kühlmitteldurchgänge 82b auf, die in Reihe die oberen und unteren Reihen von Kühlmitteldurchgängen 82 des Trennelements 80 verbinden.
  • Ferner weist gemäß 19 die vordere Endplatte 83a daran befestigte Rohre für Fluid auf. Im einzelnen ist ein Oxidationsgaseinlaß 85a an einem oberen rechten Ende der vorderen Endplatte 83a vorgesehen, während ein Oxidationsgasauslaß 85b an einem unteren linken Ende der Endplatte vorgesehen ist. Ein Brennstoffgaseinlaß 86a und ein Brennstoffgasauslaß 86b sind an einem oberen linken Abschnitt bzw. einem unteren rechten Abschnitt der Endplatte 83a vorgesehen. Zusätzlich sind Kühlmitteleinlässe 87a an oberen und unteren rechten Abschnitten der vorderen Endplatte 83a, und Kühlmittelauslässe 87b an oberen und unteren linken Abschnitten der vorderen Endplatte 83a vorgesehen. Es kann zwar Wasser als Kühlmittel verwendet werden, ein Frostschutzmittel ist jedoch im Hinblick auf den Fall einer Verwendung des Kühlmittels an kalten Orten vorzuziehen. Bei diesem Beispiel wurde eine Äthylenglykol-Wasserlösung verwendet.
  • Das Kühlmittel wird durch die zwei an der vorderen Endplatte 83a vorgesehenen Kühlmitteleinlässe 87a eingeleitet und gleichmäßig zum Strömen gebracht. Genauer gesagt, strömt das Kühlmittel durch den äußersten rechten von acht gemeinsamen Kühlmitteldurchgängen, die in oberen und unteren Abschnitten jedes Trennelements vorgesehen sind, durch Flachdichtungen und Elektrolytmembranen in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen der Bestandteile. Während des Strömens absorbiert das Kühlmittel Wärme durch die Wände der Durchgänge, wodurch eine Kühlung erfolgt.
  • Wie in den 19, 21A und 21B gezeigt ist, erreicht das durch die zwei an der vorderen Endplatte 83a vorgesehenen Kühlmitteleinlässe 87a eingeleitete Kühlmittel die hintere Endplatte 83b, durchströmt dann jeden in der hinteren Endplatte 83b vorgesehenen Verbindungs-Kühlmitteldurchgang 82b, erreicht den linken Kühlmitteldurchgang und kehrt zur vorderen Endplatte 83a zurück. Danach strömt gemäß 19 das Kühlmittel nacheinander durch die acht Kühlmitteldurchgänge, wobei es Wärme von den Wänden der Durchgänge absorbiert, um den Brennstoffzellenstapel zu kühlen.
  • Da bei dieser Ausführungsform die Einlässe des Kühlmittels an rechten Endabschnitten vorgesehen sind und die Auslässe an linken Endabschnitten, um das Kühlmittel von rechts nach links strömen zu lassen, ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels die gleiche wie die der Oxidationsgasströmung in jedem Trennelement. Infolgedessen ist es möglich, eine Temperaturverteilung zu realisieren, bei der die Temperatur der rechten Endabschnitte, an denen die Kühlmitteleinlässe vorgesehen sind, niedrig ist, und die Temperatur der linken Endabschnitte, an denen die Kühlmittelauslässe vorgesehen sind, hoch ist. Indem die Oxidationsgasauslässe auf eine hohe Temperatur eingestellt werden, kann verhindert werden, daß Dampf an den Oxidationsgasauslässen kondensiert, mit dem Ergebnis, daß während der Reaktion erzeugtes Wasser wirksam ausgetragen und eine entsprechend wirksamere Kühlung ausgeführt werden kann.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Diese Ausführungsform ist eine Modifikation der ersten Ausführungsform, wobei ein durch obere und untere, in zwei Reihen entlang der Langseiten jedes Trennelements 90 vorgesehene Kühlmitteldurchgänge 92 strömendes Kühlmittel teilweise vereint bzw. gleichgerichtet und durch jene der oberen und unteren Kühlmitteldurchgänge 92 aller Trennelemente 90 geleitet wird, welche einander entsprechen.
  • 23 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß der zweiten Ausführungsform, wobei die 24A und 24B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer vorderen Endplatte 93a und die 25A und 25B Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer hinteren Endplatte 93b sind.
  • Wie in 23 gezeigt ist, ist diese Ausführungsform so aufgebaut, daß das durch vier in jedem der oberen und unteren Abschnitte jedes Trennelements vorgesehenen acht Kühlmitteldurchgängen 92 enthaltene Kühlmitteldurchgänge 92 in den strömende Kühlmittel parallel in der gleichen Richtung strömt. Um diese Art der Strömung zu realisieren, wird ferner das Kühlmittel, das durch die zwei an der vorderen Endplatte 93a vorgesehenen Kühlmitteleinlässe 97a eingeleitet wird, auf die vier im Abschnitt der rechten Hälfte gelegenen Kühlmitteldurchgänge 92 verteilt, passiert dann diese und erreicht die hintere Endplatte 93b, wie in den 24A und 24B dargestellt ist.
  • Das Kühlmittel, das die hintere Endplatte 93b erreicht hat, durchströmt in der hinteren Endplatte ausgebildete Verbindungs-Kühlmitteldurchgänge 92b, erreicht dann die vier Kühlmitteldurchgänge 92, die in dem Abschnitt der linken Hälfte gelegen sind, und kehrt zu der vorderen Endplatte 93a zurück, wie in den 25A und 25B dargestellt ist.
  • Somit ermöglicht ein Gruppieren von acht Kühlmitteldurchgängen 92 in zwei Teilen, von denen jeder vier Durchgänge 92 umfaßt, und durch Leiten des Kühlmittels durch die betreffenden Teile das Einstellen von rechten und linken Abschnitten jedes Trennelements auf eine niedrige bzw. eine hohe Temperatur, wie bei dem neunten Beispiel. Dies ermöglicht das Einstellen des Oxidationsgasauslasses und seiner Umgebung auf eine hohe Temperatur, wodurch eine wirksame Abführung von während der Reaktion erzeugtem Wasser ermöglicht wird.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Diese Ausführungsform ist eine Abwandlung der ersten Ausführungsform, wobei obere und untere Kühlmitteldurchgänge in zwei Reihen entlang der Langseiten jedes Trennelements vorgesehen sind, und diejenigen der oberen und unteren Kühlmitteldurchgänge, welche einander in einer Strömungsrichtung eines Kühlmittels entsprechen, miteinander in Reihe verbunden sind.
  • 26 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß der dritten Ausführungsform. Die 27A und 27B zeigen den Aufbau einer in 26 erscheinenden vorderen Endplatte 100a, und die 28A und 28B zeigen den Aufbau einer hinteren Endplatte 100b. Die vorderen und hinteren Endplatten 100a und 100b sowie die Trennelemente 100 weisen jeweils darin ausgebildete obere und untere Kühlmitteldurchgänge 102 auf, die im wesentlichen parallel zu den Kurzseiten des Trennelements 100 sind.
  • Ein durch den an der vorderen Endplatte 100a vorgesehenen einzelnen Kühlmitteleinlaß eingeleitetes Kühlmittel strömt durch die am weitesten rechts gelegenen der oberen Kühlmitteldurchgänge 102 und erreicht die hintere Endplatte 100b. Die hintere Endplatte 100b weist obere und untere Verbindungs-Kühlmitteldurchgänge 102b auf, und das Kühlmittel wird in die am weitesten rechts gelegenen unteren Durchgänge 102b geleitet. Das in die unteren, am äußersten rechts gelegenen Durchgänge 102b geleitete Kühlmittel durchströmt einen ähnlichen Verbindungsdurchgang in der vorderen Endplatte 100a und erreicht den zweiten von rechts der oberen Kühlmitteldurchgänge 102.
  • Somit ermöglicht ein alternierendes Strömenlassen des Kühlmittels durch die oberen und unteren Kühlmitteldurchgänge 102 vom rechten Ende zum linken Ende das Einstellen von rechten und linken Abschnitten jedes Trennelements 100 auf niedrige bzw. hohe Temperaturen wie bei dem neunten Beispiel. Dies ermöglicht das Einstellen des Oxidationsgasauslasses und seiner Umgebung auf eine hohe Temperatur, wodurch ein wirksames Abführen von während der Reaktion erzeugtem Wasser ermöglicht wird.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie oben beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung einen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel bereitstellen, bei dem der Temperaturunterschied in jedem Trennelement und auch die Dicke in der Stapelrichtung der Zellen minimiert wird, wodurch eine große Reaktionsfläche sichergestellt wird, obwohl der gesamte Zellenstapel kompakt ist.

Claims (9)

  1. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Mehrzahl aneinandergestapelter Zellen (4), wobei zwischen den Zellen (4) Trennelemente (80; 90; 100) angeordnet sind, jede Zelle (4) eine Anode (8b), eine Kathode (8c) und eine zwischen der Anode (8b) und der Kathode (8c) gehaltene Festpolymer-Elektrolytmembran (8a) aufweist, jedes der Trennelemente (80; 90; 100) einen rechteckigen Umriß mit jeweils gegenüberliegenden Kurzseiten und Langseiten aufweist und Brennstoffgasdurchgänge (11) zum Versorgen der Anode (8b) mit einem Brennstoffgas und/oder Oxidationsgasdurchgänge (12) zum Versorgen der Kathode (8c) mit einem oxidierenden Gas aufweist, Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) in den Trennelementen (80; 90; 100) vorgesehen und um die Brennstoffgasdurchgänge (11) bzw. die Oxidationsgasdurchgänge (12) herum angeordnet sind, so dass ein Kühlmittel in einer zu Oberflächen der Trennelemente (80; 90; 100) senkrechten Richtung strömen kann, wobei ein Zufuhr-Verteilerrohr (13a) für das Oxidationsgas in einem Umfangsabschnitt der Trennelemente (80; 90; 100) an einer der Kurzseiten derselben vorgesehen ist, wobei ein Auslaß-Verteilerrohr (13b) für das Oxidationsgas in einem Umfangsabschnitt der Trennelemente (80; 90; 100) an der anderen der Kurzseiten derselben vorgesehen ist, und wobei die Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) ferner in einem Umfangsabschnitt der Trennelemente (80; 90; 100) an den Langseiten derselben vorgesehen und so angeordnet und miteinander verbunden sind, dass sich ein – auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel bezogen – stromaufwärtiger Abschnitt der Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) an dem Endabschnitt der Trennelemente befindet, welcher an der einen der Kurzseiten liegt, und sich ein – auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel bezogen – stromabwärtiger Abschnitt der Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) an dem Endabschnitt der Trennelemente befindet, welcher an der anderen der Kurzseiten liegt, so dass die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel die gleiche ist wie die der Oxidationsgasströmung durch jedes Trennelement (80; 90; 100).
  2. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 1, wobei die Kühlmitteldurchgänge (102) in Reihe miteinander verbunden sind.
  3. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 1, wobei die Kühlmitteldurchgänge (82; 92) eine erste und eine zweite Gruppe von Kühlmitteldurchgängen (82; 92) bilden und sich ein – auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel bezogen – stromaufwärtiger Abschnitt der Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) jeder Gruppe an dem Endabschnitt der Trennelemente befindet, welcher an der einen der Kurzseiten liegt, und sich ein – auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel bezogen – stromabwärtiger Abschnitt der Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) jeder Gruppe an dem Endabschnitt der Trennelemente befindet, welcher an der anderen der Kurzseiten liegt.
  4. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 3, wobei die Kühlmitteldurchgänge (82; 92) jeder Gruppe in Reihe miteinander verbunden sind.
  5. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, mit: einer parallel zu den Trennelementen (80; 90; 100) angeordneten Endplatte (83a; 93a; 100a), einem an der Endplatte (83a; 93a; 100a) vorgesehenen Einlaß (85a; 95a) für das Oxidationsgas, der mit dem Einlaß-Verteilerrohr (13a) für das Oxidationsgas in Verbindung steht, einem an der Endplatte (83a; 93a; 100a) vorgesehenen Auslaß (85b; 95b) für das Oxidationsgas, der mit dem Auslaß-Verteilerrohr (13b) für das Oxidationsgas in Verbindung steht, einem an der Endplatte (83a; 93a; 100a) vorgesehenen Einlaß (87a; 97a) für das Kühlmittel, der mit dem stromaufseitigen Ende der Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) in Verbindung steht, und einem an der Endplatte (83a; 93a; 100a) vorgesehenen Auslaß (87b; 97b) für das Kühlmittel, der mit dem stromabseitigen Ende der Kühlmitteldurchgänge (82; 92; 102) in Verbindung steht.
  6. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 5, wobei die Endplatte (83a; 93a; 100a) einen rechteckigen Umriß mit jeweils gegenüberliegenden Kurzseiten und Langseiten aufweist, und die Ein- und Auslässe (85a, 85b; 95a, 95b) für das Oxidationsgas sowie die Ein- und Auslässe (87a, 87b; 97a, 97b) für das Kühlmittel in einem Randabschnitt einer der Kurzseiten angeordnet sind.
  7. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jedes Trennelement (80; 90; 100) aus einer aus flexiblem Graphitkohlenstoff gefertigten Lage gebildet ist, und bei jedem Trennelement das Verhältnis der Langseite zur Kurzseite ≥ 3 ist.
  8. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jedes Trennelement (80; 90; 100) aus einer Kupfer oder Aluminium enthaltenden dünnen Metallplatte gebildet ist, und bei jedem Trennelement das Verhältnis der Langseite zur Kurzseite ≥ 2,5 ist.
  9. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zufuhr- oder Austrags-Verteilerrohre (13a, 13b) für das Brennstoffgas und das Oxidationsgas im wesentlichen parallel zu der jeweilgen Kurzseite jedes Trennelements (80; 90; 100) sind.
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