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AUFNAHME DURCH
BEZUGNAHME
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Die
Offenbarung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-014402, die am 22.
Januar 2004 eingereicht wurde, einschließlich deren Beschreibung, Zeichnungen
und Zusammenfassung wird hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit
mit aufgenommen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich eine Brennstoffzelle und insbesondere
auf eine Technologie zum Kühlen
der Brennstoffzelle unter Verwendung einer Abtrennung, die zwischen
Einheitszellen der Brennstoffzelle angeordnet ist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
Einheitszelle einer PEM-Brennstoffzelle, welche eine Bauart einer
Brennstoffzelle ist, hat eine Brennstoffelektrode (auch als „Wasserstoffelektrode" bezeichnet, da Wasserstoffgas
im Allgemeinen als Brennstoff verwendet wird), eine Oxidationsmittelelektrode
(nachfolgend ebenso als „Luftelektrode" bezeichnet, da Luft
als Sauerstoff enthaltendes Gas als Oxidationsmittel verwendet wird),
und eine Festpolymerelektrolytmembran die zwischen der Brennstoffelektrode
und der Luftelektrode angeordnet ist. Die Brennstoffelektrode und
die Luftelektrode haben jeweils eine Katalysatorschicht enthaltende Katalysatorsubstanz
und ein Elektrodenbasiselement. Das Elektrodenbasiselement wirkt
zur Unterstützung
der Katalysatorschicht und erlaubt, dass Reaktionsgas dort hindurchströmt. Des
Weiteren wirkt das Elektrodenbasiselement als Stromkollektor. Abtrennungen (Kollektorplatten)
sind außerhalb
der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode gestapelt. Gasströmungsfelder
sind auf den Abtrennungen ausgebildet, um den Wasserstoff und die
Luft als Reaktionsgase von außerhalb
der Zelle zu den Elektrodenflächen
gleichmäßig zuzuführen und
um übermäßiges Reaktionsgas
zur Außenseite
der Zelle abzuführen.
Im Allgemeinen werden die Gasströmungsfelder durch
Nuten ausgebildet, welche der Elektrodenfläche zugewandt sind. Die Abtrennungen
verhindern ein Gasentrinnen und ermöglichen, dass erzeugter elektrischer
Strom gesammelt wird und zur Außenseite übertragen
wird. Die Einheitszelle und die Abtrennungen bilden eine einzelne
Einheitszelle.
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In
einer tatsächlichen
Brennstoffzelle ist eine große
Anzahl an Einheitszellen seriell zusammen gestapelt, um ein Zellenmodul
auszubilden. In der Brennstoffzelle ist es erforderlich, um eine
ausreichende Leistungserzeugungseffizienz aufrecht zu erhalten,
die Feuchtigkeit der Festpolymerelektrolytmembran auf einem ausreichenden
Niveau beizubehalten. Da im Allgemeinen das Wasser, das bei der elektrochemischen
Reaktion erzeugt wird, nicht ausreicht, um eine angemessene Feuchte
beizubehalten, ist es erforderlich, eine Vorrichtung zum Zuführen von
Wasser an jede Einheitszelle zum Befeuchten bereitzustellen. Da
des Weiteren außerdem
Wärmeenergie
erzeugt wird (der Betrag dieser Wärmeenergie entspricht im Wesentlichen
der elektrischen Energie, die bei der elektrochemischen Reaktion
erzeugt wird), ist eine Kühlvorrichtung
zum Verhindern von Überhitzung
des Brennstoffzellenkörpers
vorgesehen.
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Verschiedene
Bauarten an Kühlvorrichtungen
für die
Brennstoffzelle wurden vorgeschlagen. In einigen Bauarten der Kühlvorrichtungen
wird Kühlen zusammen
mit der Befeuchtung der Elektrolytmembran ausgeführt (siehe beispielsweise die
offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 10-247505). Bei dieser
Technologie wird Wasser im Voraus zur Luft hinzugefügt, welche
zur Brennstoffzelle zugeführt wird.
Das Wasser wird in einem Kühlgasströmungsfeld
verdampft, sodass die Brennstoffzelle gekühlt wird und dann wird die
Luft, welche den Wasserdampf enthält, durch ein Luftströmungsfeld
zirkuliert.
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Des
Weiteren ist bei einer anderen Bauart der vorgeschlagenen Kühlvorrichtungen
ein Hohlraum getrennt von einem Gasströmungsfeld in einer Abtrennung
ausgebildet. Kühlwasser
strömt
durch den Hohlraum und Dampf des Kühlwassers wird an ein Luftströmungsfeld
durch eine poröse
Wandfläche zugeführt (siehe
beispielsweise die offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. Hei
06-338338).
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Jedoch
ist es mit der offenbarten Technologie vom Stand der Technik schwierig,
sowohl ein Kühlen
als auch ein Befeuchten der Membran auszuführen. Beispielsweise wird gemäß der Offenbarung der
offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 10-247505 das flüssige Wasser
in dem Kühlgasströmungsfeld
in Dampf verdampft und die Luft, welche den Dampf enthält, wird
dann erneut in das Luftströmungsfeld
zirkuliert. Infolgedessen ist es schwierig, die Temperatur des Kühlgasströmungsfeldes
in dem Zirkulationskanal aufrecht zu erhalten. Wenn beispielsweise
die Temperatur in dem Luftströmungsfeld ansteigt,
die in dem Zirkulationskanal verringert wurde, wird Feuchte aus
der Elektrolytmembran entfernt, was es schwierig macht, die Feuchtigkeit
in der Membran aufrecht zu erhalten.
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Des
Weiteren ist es mit der Technologie, die in der offengelegten Japanischen
Patentanmeldung Nr. 06-338338 offenbart ist, schwierig eine ausreichende
Zufuhr von Dampf unter Verwendung der Feuchte, welche durch die
poröse Wandfläche hindurchführt, zuzuführen, obwohl
der Dampf durch die poröse
Wandfläche
zugeführt
wird. Des Weiteren wird in dem Kühlwasserkanal
Kühlen
nur unter Verwendung der messbare Wärme durchgeführt. Um
somit ausreichendes Kühlen
durchzuführen
sind wesentliche Mengen an Energie oder mechanische Vorrichtungen
zur Zirkulation des Kühlwassers
erforderlich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung obiger Umstände hervorgebracht
und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle
bereitzustellen, in der Luft und Kühlwasser direkt an eine Luftelektrode
zugeführt
werden und in der sowohl Kühlen
als auch Membranbefeuchtung gleichzeitig unter Verwendung eines
einfachen Aufbaus aufrechterhalten werden können. Des Weiteren stellt die
vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle bereit, welche effektives
Kühlen
erreicht.
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Um
die vorstehende Aufgabe zu erreichen, ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung eine Brennstoffzelle durch Stapeln von Einheitszellen
(10A) und einer Abtrennung (10B), die zwischen
den Einheitszellen angeordnet ist, ausgebildet. Jede der Einheitszellen
hat eine Elektrolytmembran (11), eine Brennstoffelektrode
(13) und eine Luftelektrode (12), die an entsprechenden
Flächen
der Elektrolytmembran vorgesehen sind. Ein Mischfluid aus Luft und
Wasser wird zur Luftelektrode der Einheitszelle über die Abtrennung zugeführt. Die Abtrennung
hat einen Netzleiter (14) durch den das Mischfluid hindurchführt. Der
Netzleiter ist von den entsprechenden Flächen der Abtrennung, welche den
Elektroden zugewandt sind, zumindest auf der Fläche vorgesehen, die der Luftelektrode
zugewandt ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung haftet das Kühlwasser,
welches zusammen mit der Luft zugeführt wird am Netzleiter an und
wird von diesem zurückgehalten.
Deshalb ist es möglich,
eine gleichmäßige latente
Wärmekühlung über die
gesamte Elektrodenfläche
zu erreichen und somit wird die Kühlleistung verbessert. Des
Weiteren ist es im Vergleich zum Stand der Technik, in dem die Rückseite
der Abtrennung gekühlt
wird, um indirekt die Elektrode zu kühlen, möglich, einen Abschnitt zu kühlen, der
näher zur
Elektrode ist und somit wird die Kühlleistung verbessert. Des
Weiteren fungiert der Netzleiter als Kühlrippe, welche die zugeführte Luft
berührt,
wobei die Kühlleistung
weiter verbessert wird.
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Des
Weiteren ist gemäß dem vorstehend ersten
Aspekt der Erfindung zu bevorzugen, dass das Öffnungsverhältnis des Netzleiters 25% oder größer ist.
Des Weiteren ist zu bevorzugen, dass der Netzleiter einer Hydrophilbehandlung
unterworfen wird, sodass Wasser an den Netzleiter anhaftet und von
diesem zurückgehalten
wird. In diesem Fall kann der Netzleiter gebogen sein, sodass er
einen rechteckigen Querschnitt hat und die Gasunterbrechungsplatte
kann eine dünne
flache Platte sein. Insbesondere kann die Abtrennung durch Schichten
des Netzleiters und der Gasunterbrechungsbasisplatte (16) ausgebildet
werden. Des Weiteren kann der Netzleiter aus einem metallischen
Netz hergestellt sein, welches dem Mischfluid erlaubt, durch Räume zwischen Netzsträngen des
Netzleiters hindurchzuführen
oder der Netzleiter kann eine dünne
Metallplatte sein, die durch Stanzmetall hergestellt ist, welches
gestanzte Löcher
aufweist, durch welche das Mischfluid hindurchführen kann. Alternativ kann
der Netzleiter aus Streckmetall hergestellt sein, welches rhombische Schlitze
aufweist, durch welche das Mischfluid hindurchführen kann.
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Durch
Auslegen des Öffnungsverhältnisses des
Netzleiters auf 25% oder mehr kann ein ausreichend großer Kontaktbereich
zwischen der Luft als oxidierendes Gas und der Elektrode sichergestellt werden.
Durch Anwenden einer Behandlung am Leiter, sodass diesem hydrophile
Eigenschaften gegeben werden, haftet das Wasser an den Netzabschnitt an
und wird von diesem zurückgehalten
und folglich wird die Kühleffizienz
verbessert. Wenn des Weiteren der Netzleiter aus einem Metallnetz,
Stanzmetall oder Streckmetall hergestellt ist, sind die Öffnungen des
Netzleiters fein und gleichmäßig verteilt,
wodurch ein angemessenes Öffnungsverhältnis erreicht wird.
Des Weiteren wird das Mischfluid, welches durch die Öffnungen
der Kontaktfläche
mit der Elektrodendiffusionsschicht hindurchführt, was ermöglicht,
dass die vorstehenden beschriebenen Vorteile mit höherer Zuverlässigkeit
erreicht werden. Wenn des Weiteren Streckmetall verwendet wird,
ist der Kontaktwiderstand klein, weil das Streckmetall hinsichtlich
der Dicke, verglichen mit anderen Materialien, eine hohe Steifigkeit
hat. Wenn des Weiteren der Leiter eine gewellte Platte ist, ist
es verglichen mit dem Fall, bei dem eine flache Platte verwendet
wird, möglich,
die Proportion des Oberflächenbereichs
zu vergrößern, welcher
in Kontakt mit der Diffusionsschicht kommt und zusätzlich wird
die Menge an Wasser, welche in Kontakt mit der gewellten Platte kommt,
vergrößert. Infolgedessen
kann die Kühleffizienz
verbessert werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung, welche den Aufbau eines Brennstoffzellensystems
darstellt;
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2 ist
eine Draufsicht, welche ein Zellenmodul eines Brennstoffzellenstapels
gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ist
eine Vorderansicht, welche das Zellenmodul, wie von der Luftelektrodenseite
betrachtet, darstellt;
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4 ist
eine Vorderansicht, welche das Zellenmodul, wie von der Brennstoffelektrodenseite
betrachtet, darstellt;
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5 ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 3;
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6 ist
eine Längsschnittdarstellung
entlang der Linie B-B aus 3;
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7 ist
eine Ausschnitts-Explosionsdarstellung, welche eine Abtrennung des
Zellenmoduls darstellt;
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8 ist
eine Ausschnitts-Explosionsdarstellung, welche eine Abtrennung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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9 ist
eine Ausschnitts-Explosionsdarstellung, welche eine Abtrennung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
vorliegende Erfindung kann im Besonderen vorteilhaft bei Brennstoffzellen
angewendet werden, in denen Kühlwasser
direkt in Luft eingespritzt wird und mit dieser vermischt wird,
welche an eine Luftelektrode der Brennstoffzelle zugeführt wird.
In der vorliegenden Erfindung haftet das Kühlwasser gleichmäßig an einen
netzartigen Leiter an und wird auf diesem zurückgehalten. Infolgedessen kann
latente Wärmekühlung gleichmäßig über die
gesamte Elektrodenfläche
ausgeführt
werden, indem Wärme verwendet
wird, die bei der Reaktion erzeugt wird, wodurch die Kühlleistung
verbessert werden kann.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Zunächst
zeigen die Zeichnungen 1 bis 7 ein erstes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. 1 ist eine Darstellung, welche
einen beispielhaften Aufbau eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung
in einem Fahrzeug darstellt; wobei das Brennstoffzellensystem einen
Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist. Das Brennstoffzellensystem hat eine Brennstoffzellenhaupteinheit
mit dem Brennstoffzellenstapel 1 als Hauptkomponente, ein Luftzuführsystem 2 (siehe
die Volllinien in 1) und ein Luftabführsystem 3.
Das Luftzuführsystem 2 hat ein
Luftzuführgebläse 21,
das als Luftzuführvorrichtung
zum Zuführen
von Luft zum Brennstoffzellensystem 1 wirkt und das Luftabführsystem 3 weist
einen Wasserkondensator 31 auf. Des Weiteren hat das Brennstoffzellensystem
auch ein Brennstoffzuführsystem 4 (siehe
die Zweipunktstrichlinie in 1) und ein
Wasserzuführsystem 6 (siehe
die gestrichelte Linie in 1). Das
Brennstoffzuführsystem 4 hat einen
Wasserstofftank 41, der als Wasserstoffzuführvorrichtung
wirkt und das Wasserzuführsystem 6 befeuchtet
und kühlt
einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 1 wo die Reaktion
auftritt.
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Das
Luftzuführgebläse 21,
das in der Brennstoffzellenhaupteinheit vorgesehen ist, ist mit
einer Luft-Rohrverzweigung 22 über einen Luftzuführkanal 20 verbunden.
Die Luft-Rohrverzweigung 22 ist mit einem Gehäuse (nicht
dargestellt) verbunden, welches den Brennstoffzellenstapel 1 enthält. Der
Wasserkondensator 31 ist in einem Luftabführkanal 30 des
Gehäuses
angeordnet und mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden.
Des Weiteren ist ein Abgastemperatursensor 32 ebenfalls
in dem Luftabführkanal 30 angeordnet.
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Das
Brennstoffzuführsystem 4 fördert den Wasserstoff,
der in dem Wasserstofftank 41 gespeichert ist, zu einem
Wasserstoffkanal des Brennstoffzellenstapels 1 über einen
Wasserstoffzuführkanal 40.
Ein Wasserstoffprimärdrucksensor 42,
ein Druckregelventil 43A, ein Zuführmagnetventil 44A,
ein Druckregelventil 43B, ein Zuführmagnetventil 44B und
ein Wasserstoffsekundärsensor 45 sind
in dieser Reihenfolge in dem Wasserstoffzuführkanal 40 zwischen
dem Wasserstofftank 41 und dem Brennstoffzellenstapel 1 vorgesehen.
Des Weiteren ist der Wasserstoffzuführkanal 40 mit einem
Wasserstoffrückführkanal 40a und
einem Wasserstoffabführkanal 50 verbunden.
Wasserstoffkonzentrationssensoren 46A und 46B,
eine Ansaugpumpe 47 und ein Absperrventil 48 sind
in dieser Reihenfolge in dem Wasserstoffrückführkanal 40a von dem
Brennstoffzellenstapel 1 ausgehend vorgesehen. Der Wasserstoffzuführkanal 40 ist
mit der stromabwärtigen
Seite des Absperrventils 48 verbunden. Der Wasserstoffabführkanal 50 ist
mit dem Wasserstoffrückführkanal 40a zwischen
der Ansaugpumpe 47 und dem Absperrventil 48 verbunden.
Des Weiteren sind ein Absperrventil 51, ein Abführmagnetventil 52 und
eine Brennkammer 53 im Wasserstoffabführkanal 50 vorgesehen.
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Das
Wasserzuführsystem 6 fördert Wasser, welches
in dem Wassertank 61 gespeichert ist, über einen Wasserzuführkanal 60 an
eine große
Anzahl an Düsen 63,
die in der Luft-Rohrverzweigung 22 des Brennstoffzellenstapels 1 vorgesehen
sind. Eine Pumpe 62 ist in dem Wasserzuführkanal 60 vorgesehen
und ein Pegelsensor 64 ist im Wassertank 61 vorgesehen.
Des Weiteren hat das Wasserzuführsystem 6 einen
Wasserrückführkanal 60a,
welcher den Brennstoffzellenstapel 1 mit dem Wassertank 61 verbindet.
Eine Pumpe 65 und ein Absperrventil 66 sind im
Wasserrückführkanal 60a vorgesehen.
Der Wasserrückführkanal 60a ist
mit dem Wasserkondensator 31 auf der stromaufwärtigen Seite
der Pumpe 65 verbunden. Es sollte ersichtlich sein, dass
in 1 die Bezugsnummer 71 ein Voltmeter zum Überwachen
der elektromotorischen Kraft der Brennstoffzellen kennzeichnet.
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Während dem
Betrieb des wie vorstehend beschrieben aufgebauten Brennstoffzellensystems wird
das Luftzuführgebläse 21 betrieben,
um Luft zur Luft-Rohrverzweigung 22 zuzuführen und
die Pumpe 62 wird betrieben, um Wasser vom Wasserzuführsystem 6 zuzuführen. Des
Weiteren werden die Zuführmagnetventile 44A und 44B betätigt, um
Wasserstoff vom Brennstoffzuführsystem 4 zuzuführen. Zu
diesem Zeitpunkt wird im Brennstoffzuführsystem 4 der Wasserstoffdruck
auf der Seite des Wasserstofftanks 41 durch den Wasserstoffprimärdrucksensor 42 überwacht.
Die Wasserstoffregelventile 43A und 43B regulieren
in geeigneter Weise den Druck des Wasserstoffs, der zum Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird.
Die Zuführmagnetventile 44A und 44B werden geöffnet oder
geschlossen, um die Zufuhr von Wasserstoffgas zum Brennstoffzellenstapel 1 elektrisch zu
steuern. Die Zufuhr von Wasserstoffgas wird durch Schließen der Zuführmagnetventile 44A und 44B unterbrochen.
Des Weiteren überwacht
der Wasserstoffsekundärdrucksensor 45 den
Druck des Wasserstoffgases unmittelbar bevor dieses zum Brennstoffzellenstapel
zugeführt
wird. Zusätzlich wird
in dem Wasserzuführsystem 6 das
Wasser in dem Wassertank 61 unter Druck an die Düsen 63 in der
Luft-Rohrverzweigung 22 durch die Pumpe 62 gefördert. Dann
wird das Wasser kontinuierlich oder in einer unterbrochenen Art
und Weise an den Düsen 63 in
die Luft-Rohrverzweigung 22 eingespritzt. Der resultierende
Wassersprühnebel
vermischt sich mit dem Luftstrom und wird zum Brennstoffzellenstapel 1 gefördert.
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Die 2 bis 7 zeigen
den Aufbau des Zellenmoduls 10, welches eine Einheit des
wie vorstehend beschrieben aufgebauten Brennstoffzellenstapels 1 des
Brennstoffzellensystems ist. 2 ist eine
Draufsicht, welche das Zellenmodul 10 darstellt (nachfolgend
werden vertikale und horizontale Positionsbeziehungen auf der Basis
der dargestellten Positionierung und Anordnung des Zellenmoduls 10 beschrieben). 2 zeigt
eine Einheitszelle (MEA) 10A, eine Abtrennung 10B und
zwei Bauarten von Rahmen, d.h. Rahmen 17 und 18,
welche die Einheitszelle 10A und die Abtrennung 10B unterstützen, die
als einzelne Gruppe von Strukturbauteilen betrachtet werden. Eine
Vielzahl dieser Gruppen (in 2 sind es
10 Gruppen) sind in der Dickenrichtung der Schichten gestapelt,
um das Brennstoffzellenmodul 10 auszubilden. Die Abtrennung 10B verbindet elektrisch
benachbarte Einheitszellen 10A und trennt Strömungsfelder
des Wasserstoffgases und die zur Einheitszelle 10A zugeführte Luft.
Da die Einheitszellen 10A innerhalb des Rahmens 18 angeordnet
sind, sind die Einheitszellen 10A in 2 nicht
klar dargestellt. Im Zellenmodul 10 sind die Einheitszellen 10A und
die Abtrennungen 10B unter Verwendung der Rahmen 17 und 18 als
Beabstandungen, die abwechselnd angeordnet sind, aufeinander gestapelt, sodass
die benachbarten Einheitszellen 10A voneinander um eine
vorherbestimmte Distanz beabstandet sind. An einem Ende der Stapelrichtung
(oberste Fläche
in 2) hat das Zellenmodul 10, wie in 3 dargestellt,
eine Endfläche,
welche durch die längsgewellte
Fläche
der Abtrennung 10B und die Endflächen des Rahmens 17 ausgebildet
ist. Am anderen Ende (unterste Fläche in 2), wie
in 4 dargestellt, hat das Zellenmodul 10 eine
Endfläche,
die durch die seitlich gewellte Fläche der Abtrennung 10B und
die Endflächen
des anderen Rahmens 18 ausgebildet ist.
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Wie
in den expandierten Schnittdarstellungen der 5 und 6 dargestellt,
hat jede Einheitszelle 10A eine Festpolymerelektrolytmembran 10;
eine Luftelektrode 12 als eine Oxidationsmittelelektrode,
die auf einer Fläche
der Festpolymerelektrolytmembran 11 vorgesehen ist und
eine Brennstoffelektrode 13, die auf der anderen Fläche der
Festpolymerelektrolytmembran 11 vorgesehen ist. Jede Luftelektrode 12 und
Brennstoffelektrode 13 hat eine Diffusionsschicht und eine
Katalysatorschicht, die darauf ausgebildet sind. Die Diffusionsschicht
ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, die es einem
Reaktionsgas ermöglicht,
dort hindurch diffundiert zu werden und dort hindurchzuführen. Die
Katalysatorschicht hat eine Katalysatorsubstanz und ist in Kontakt
mit der Festpolymerelektrolytmembran 11, welche die Katalysatorsubstanz
unterstützt.
Unter den Komponenten der Einheitszelle 10A haben die Luftelektrode 12 und
die Brennstoffelektrode 13 seitliche Abmessungen, die etwas
größer als
die Breite der Öffnung
des Rahmens 13 sind, welche als Unterstützungselement der Luftelektrode 12 und
der Brennstoffelektrode 13 wirken. Des Weiteren hat die Luftelektrode 12 und
die Brennstoffelektrode 13 Längsabmessungen, die etwas kleiner
als die Höhe der Öffnung des
Rahmens 13 sind. Die Festpolymerelektrolytmembran 11 hat
Längs-
und Seiten-Abmessungen,
die größer als
die Abmessungen der Öffnung
des Rahmens 18 in der Längs-
und Lateralrichtung sind.
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Die
Abtrennung 10B hat eine Abtrennbasisplatte 16,
die als Gasunterbrechungselement zwischen den Einheitszellen 10A dient;
einen netzartigen Stromkollektor (nachfolgend als „luftelektrodenseitiger
Kollektor" bezeichnet) 14,
der auf einer Seite der Abtrennbasisplatte 16 vorgesehen
ist; und einen netzartigen Stromkollektor (nachfolgend als „brennstoffelektrodenseitiger
Kollektor" bezeichnet) 15,
der auf der anderen Seite der Abtrennbasisplatte 16 vorgesehen
ist. Der luftelektrodenseitige Kollektor 14 berührt die
Elektrodendiffusionsschicht der Luftelektrode 12 der Einheitszelle 10A,
wodurch das Sammeln des elektrischen Stroms ermöglicht wird und hat eine große Anzahl
an Öffnungen
die es dem Mischfluid aus Luft und Wasser erlauben, durch den luftelektrodenseitigen
Kollektor 14 hindurchzuführen. Der brennstoffelektrodenseitige
Kollektor 15 berührt
die Elektrodendiffusionsschicht der Brennstoffelektrode 13 der
Einheitszelle 10A, wodurch ermöglicht wird, dass elektrischer
Strom zur Außenseite
abgegeben wird. Um ein vorherbestimmtes Positionsverhältnis der
Strukturbauteile der Abtrennung 10B und der Einheitszelle 10A aufrecht
zu erhalten, ist der Rahmen 17 sowohl auf der linken als
auch auf der rechten Seite des luftelektrodenseitigen Kollektors 14 vorgesehen
(zu beachten ist, dass nur von dem Rahmen 17 das obere
und untere Ende mit den äußersten
Seiten der Stützplatten 17a und 17b verbunden
sind, um eine Rahmenform auszubilden (siehe 3)) und der
Rahmen 18 ist um den brennstoffelektrodenseitigen Kollektor 15 und
die Einheitszelle 10A vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind
die Kollektoren 14 und 15 dünne Metallplatten, beispielsweise mit
einer Dicke von ungefähr
0,2mm. Des Weiteren ist die Abtrennbasisplatte 16 als dünne Metallplatte ausgebildet,
die noch dünner
als die Kollektoren 14 und 15 ist. Das Metall,
welches für
die Platten verwendet wird, ist beispielsweise ein elektrisch leitendes
nicht korrodierendes Metall, wie beispielsweise Edelstahl, eine
Nickellegierung oder Titanlegierung, die mit Gold oder dergleichen
beschichtet worden ist, indem es einer elektrisch leitenden Antikorrosionsbehandlung
unterworfen worden wird. Des Weiteren sind die Rahmen 17 und 18 aus
einem geeigneten Isolationsmaterial hergestellt.
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Wie
in 3 dargestellt, ist die Gesamtform des luftelektrodenseitigen
Kollektors 14 ein in Lateralrichtung längliches Rechteck (nur die
Bodenseite ist geneigt, um die Wasserabführeffizienz zu verbessern).
Wie detailliert in der expandierten Ausschnittsdarstellung aus 7 dargestellt,
hat der luftelektrodenseitige Kollektor 14 netzartige Öffnungen 143 mit einem Öffnungsverhältnis von
59% (um die Plattenoberflächenform
leicht verständlich
zu machen ist die Netzform nur für
einen Abschnitt des luftelektrodenseitigen Kollektors 14 dargestellt).
Der luftelektrodenseitige Kollektor 14 ist aus einer Streckmetallplatte hergestellt,
welche eine gewellte Platte ist, die feine hervorstehende Wellen 141 hat,
die durch Pressformgebung hergestellt sind. Die hervorstehenden Wellen 141 sind
parallel zueinander, in gleichen Intervallen entlang der Längsseiten
der Platte (die kurze Seite im veranschaulichten Ausführungsbeispiel) ausgebildet
und erstrecken sich über
die gesamte Plattenfläche
in der Längsrichtung.
Jede der hervorstehenden Wellen 141 hat einen im Wesentlichen rechteckigen
halbwellenartigen Querschnitt, der eine Basis hat, die aufgrund
des Schneideprozesses zum Zeitpunkt der Pressformgebung etwas erweitert
ist. Die Höhe
dieser hervorstehenden Wellen 141 und die Dicke des Rahmens 17 ist
im Wesentlichen die Gleiche. Wenn deshalb die Komponenten des Brennstoffzellenstapels 1 aufeinander
gestapelt sind, wird ein Luftströmungsfeld
mit einem vorherbestimmten Öffnungsbereich
ausgebildet, das sich in der Längsrichtung
zwischen den gegenüberliegenden
Seiten des Rahmens 17 erstreckt. Flache obere Flächen 142 der
hervorstehenden Wellen 141 berühren die Diffusionsschicht
der Luftelektrode 12 und Nuten 144 zwischen den
hervorstehenden Wellen 141 berühren die Basisplatte 16.
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Zu
beachten ist, dass der luftelektrodenseitige Kollektor 14,
infolgedessen das er hydrophil behandelt wurde, hydrophile Eigenschaften
hat. Für dieses
Behandlungsverfahren wird Hydrophilbehandlungsmittel auf die Oberfläche des
luftelektrodenseitigen Kollektors 14 aufgebracht. Das Behandlungsmittel,
das auf die Oberfläche
des Luftelektrodenkollektors 14 aufgebracht ist, kann beispielsweise Polyacrylamidharz,
Polyurethanharz oder Titanoxid (TiO2) sein.
Des Weiteren kann eine Behandlung, die ermöglicht, dass eine raue Metalloberfläche erzeugt wird,
als alternative Hydrophilbehandlung durchgeführt werden. Beispielsweise
kann eine Plasmabehandlung als Hydrophilbehandlung angewendet werden.
Bevorzugterweise wird die Hydrophilbehandlung auf den Bereich angewendet,
der wahrscheinlich die höchste
Temperatur hat, beispielsweise die oberen Flächen 142 der hervorstehenden
Wellen 141, welche die Einheitszelle 10A berühren und
insbesondere die Luftströmungsfeldseite.
Als Ergebnis der Hydrophilbehandlung wird (a) die Benetzbarkeit der
Kontaktfläche
zwischen dem Kollektor 14 und der Diffusionsschicht der
Luftelektrode 12 verbessert und (b) der Effekt, der durch
die latente Wärmekühlung von
Wasser erreicht wird, vergrößert. Da
des Weiteren die Netzöffnungen
durch das Wasser nicht leicht verstopft werden, ist es unwahrscheinlich,
dass die Zufuhr von Luft durch das Wasser beeinflusst wird.
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Der
brennstoffelektrodenseitige Kollektor 15 hat netzartige Öffnungen 153,
welche die gleichen Abmessungen wie jene des luftelektrodenseitigen Kollektors 14 haben
(um die Plattenoberflächenform leichter
verständlich
zu machen, ist die Netzform nur für einen Abschnitt des luftelektrodenseitigen
Kollektors 15 dargestellt). Der brennstoffelektrodenseitige Kollektor 15 ist
aus einer Streckmetallplatte mit einer Rechteckform hergestellt.
Der brennstoffelektrodenseitige Kollektor 15 hat eine Vielzahl
an hervorstehenden Wellen 151 die durch Extrusion bei der Pressformgebung
hergestellt werden. Jede hervorstehende Welle 151 hat eine
flache obere Fläche 152 und
hat eine im Wesentlichen rechteckige halbwellenartige Form, wie
die der vorstehend beschriebenen hervorstehenden Wellen 141.
Im Fall des Kollektors 15 erstrecken sich die hervorstehenden
Wellen 151 so, dass sie die gesamte Plattenfläche in der
Lateralrichtung überqueren
und sind mit gleichen Abständen
in der Längsrichtung
dazwischen ausgebildet. Die flachen oberen Flächen 152 der hervorstehenden
Wellen 151 berühren
die Brennstoffelektrode 13 und Nuten 154 zwischen
den hervorstehenden Wellen 151 berühren die Abtrennbasisplatte 16.
Des Weiteren hat jede hervorstehende Welle 151 einen im
Wesentlichen rechteckigen halbwellenartigen Querschnitt, wobei sich
eine Basis aufgrund des Schneideprozesses zum Zeitpunkt der Pressformgebung
leicht ausdehnt. Die Höhe
der hervorstehenden Wellen 151 und die Dicke der Einheitszelle 10A sind im
kombinierten Zustand im Wesentlichen gleich zur Dicke des Rahmens 18.
Wenn deshalb diese Strukturbauteile des Brennstoffzellenstapels 1 aufeinander
gestapelt sind, wird ein Brennstoffströmungsfeld mit einem vorherbestimmten Öffnungsbereich,
der sich in der Lateralrichtung innerhalb des Rahmens 18 erstreckt,
ausgebildet.
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Die
Abtrennbasisplatte 16 wird zwischen den wie vorstehend
beschrieben aufgebauten Kollektoren 14 und 15 angeordnet,
sodass die entsprechenden hervorstehenden Wellen 141 und 151 Außen positioniert
sind. Zu diesem Zeitpunkt berühren
die Nuten 144 und 154 der Kollektoren 14 und 15 die
Abtrennbasisplatte 16 und sind elektrisch miteinander verbunden.
Wenn des Weiteren die Kollektoren 14 und 15 auf
der Abtrennbasisplatte 16 gestapelt sind, wird das Luftströmungsfeld
auf einer Fläche
der Abtrennbasisplatte 16 ausgebildet und das Brennstoffströmungsfeld
wird auf der anderen Fläche
der Abtrennbasisplatte 16 ausgebildet. Somit strömen Luft und
Wasser durch das in der Längsrichtung
ausgebildete Luftströmungsfeld
und werden zur Luftelektrode 12 der Einheitszelle 10A zugeführt. Ähnlich strömt Wasserstoff
durch das Brennstoffströmungsfeld,
das in der Lateralrichtung ausgebildet ist und wird dann zur Brennstoffelektrode 13 der
Einheitszelle 10A zugeführt.
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Die
Rahmen 17 und 18 sind um die vorstehend beschriebenen
Abtrennungen 10B vorgesehen. Wie in den 5 und 6 dargestellt
hat jeder der Rahmen 17 (außer dem Rahmen 17 der
am Außenende
des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet ist (der oberste
Rahmen 17 in 5) und dem Rahmen 17 an
der linken Endposition in 6), der
den Kollektor 14 umgibt, nur Längsrahmenabschnitte 171, welche
beide Seiten des Kollektors 14 umgeben, d.h. die sich entlang
dessen kurzen Seiten erstrecken. Ein Langloch 172, welches
als Kanal für
den Brennstoff wirkt, erstreckt sich durch jeden der Längsrahmenabschnitte 171 in
der Dickenrichtung. Die Dicke des Rahmens 17 ist gleich
zur Dicke des Kollektors 14, der in der wellenplattenartigen
Form ausgebildet ist. Deshalb ist das Positionsverhältnis der
Strukturbauteile des Brennstoffzellenstapels 1 so ausgelegt, dass
die hervorstehenden Wellen 141 des Kollektors 14 die
Luftelektrode 12 der Einheitszelle 10A berühren und
die Nuten 144 mit dem Kollektor 15 über die Abtrennbasisplatte 16 in
Verbindung stehen, wenn der Rahmen 17 und der Kollektor 14 zusammengebracht
sind. Zu beachten ist das die Außenabmessungen der Abtrennbasisplatte 16 der
Höhe und
der gesamten Breite des Rahmens 17 entsprechen. Die Abtrennbasisplatte 16 hat
ein Langloch 162 ähnlich zum
Langloch 172, das so angeordnet ist, dass es sich mit dem
Langloch 172 überlappt.
Auf diese Art und Weise wird das Luftströmungsfeld zwischen den Längsrahmenabschnitten 171 auf
beiden Seiten des Rahmens 17 definiert. Das Luftströmungsfeld
wird von der Oberfläche
der Luftelektrode 12 der Einheitszelle 10A und
der Abtrennbasisplatte 16 umgeben und erstreckt sich über die
gesamte Fläche
der Luftelektrode 12 in der Längsrichtung.
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Die
Größe des Rahmens 18 umgibt
den Kollektor 15 und die Einheitszelle 10A ist
identisch zur Größe des Rahmens 17.
Jedoch unterscheidet sich der Rahmen 18 vom Rahmen 17 dadurch,
dass der Rahmen 18 eine vollständige Rahmenform hat, einschließlich linker
und rechter Längsrahmenabschnitte
und oberer und unterer Lateralrahmenabschnitte 182. Zu
beachten ist, dass der linke und rechte Längsrahmenabschnitt nicht dargestellt
ist, da er an einer Position weiter rechts als der Bereich, der
in 5 dargestellt ist, angeordnet ist. Die linken
und rechten Längsrahmenabschnitte
des Rahmens 18 haben Seitenenden, die im Wesentlichen die
gleiche Größe wie die
linken und rechten Seitenenden der Längsrahmenabschnitte 171 des
Rahmens 17 haben. Jeder der Rahmen 18 (außer dem
Rahmen 18, der am Außenende
des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet ist (der unterste
Rahmen 18 in 2, d.h. die Oberfläche, die
in 4 dargestellt ist)) hat eine dünne Stützplatte 18a und eine
dünne Stützplatte 18b,
die sich parallel zum linken und rechten Längsrahmenabschnitt erstrecken.
Die Stützplatte 18a und die
Stützplatte 18b überlappen
sich mit dem linken und rechten Ende des Kollektors 15.
Ein Raum, der die Stützplatte 18a umgibt
und ein Längsrahmenabschnitt
bilden das Brennstoffströmungsfeld
in Ausrichtung mit dem Langloch 172, das sich durch den Rahmen 17 in
der Dickenrichtung erstreckt. Die Dicke des Rahmens 18 ist
gleich zur Dicke des Kollektors 15, der in der wellenplattenartigen
Form ausgebildet ist und der Dicke der Einheitszelle 10A.
Deshalb ist das Positionsverhältnis
der Strukturbauteile des Brennstoffzellenstapels 1 so entworfen,
dass die hervorstehenden Wellen 151 des Kollektors 15 die Brennstoffelektrode 13 der
Einheitszelle 10A berühren
und die Nuten 154 mit dem Kollektor 14 über die Abtrennbasisplatte 16 verbunden
sind, wenn der Rahmen 18 und der Kollektor 15 zusammengebracht sind.
Somit wird das Brennstoffströmungsfeld
in der Rahmenstapelrichtung in Ausrichtung mit dem Langloch 172 des
Längsrahmenabschnittes 171 des
Rahmens 17 zwischen sowohl dem Längsabschnitt des Rahmens 18 als
auch der Stützplatte 18a ausgebildet.
Des Weiteren definiert in jedem der Rahmen 18 der gewellte
Kollektor 15 das Brennstoffströmungsfeld, welches als Strömungskanal
wirkt, der sich in der Lateralrichtung zwischen der Abtrennbasisplatte 16 und
der Stützplatte 18a erstreckt.
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Die
vorstehend beschriebenen Rahmen 17 und 18 unterstützen die
Kollektoren 14 und 15 und die Abtrennbasisplatte 16,
um die Abtrennung 10B auszubilden. Die Abtrennungen 10B und
die Einheitszellen 10A werden abwechselnd gestapelt, um das
Zellenmodul 10 auszubilden. Wie in 2 dargestellt,
hat der Stapel der Zellenmodule 10 ein schlitzartiges Luftströmungsfeld,
das sich in der Längsrichtung über den
gesamten Bereich der von dem Rahmen 18 umgeben wird, erstreckt,
von der oberen Fläche
des Zellenmoduls 10 zur unteren Fläche des Zellenmoduls 10.
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Ein
Vielzahl an wie vorstehend beschrieben aufgebauten Zellenmodulen 10 sind
in dem Gehäuse angeordnet,
um einen Brennstoffzellenstapel 1 auszubilden (siehe 1).
Die Luft und das Wasser, die in der Luft-Rohrverzweigung 22 vermischt
werden, werden von einem oberen Bereich des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt. Der
Wasserstoff wird von der Seite des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt, wodurch
Leistungserzeugung ermöglicht
wird. Wenn die Luft und das Wasser zum Luftströmungsfeld zugeführt werden,
wird der Sprühnebel
aus Wassertropfen mit dem Luftfluid vermischt (die Mischung des Wassers
und der Luft wird nachfolgend als „Mischfluid" bezeichnet) und
das Mischfluid strömt
in den oberen Bereich des Luftströmungsfeldes. Während dem Normalbetrieb
der Brennstoffzelle wird das Mischfluid in dem Luftströmungsfeld
erhitzt, da Wärme
durch die Reaktion in der Einheitszelle 10A erzeugt wird.
In Folge der Hydrophilbehandlung haften einige Wassertropfen an
den Netzabschnitt der Abtrennung 14 und die Luftelektrode 12 der
Einheitszelle 10A an und werden von diesen zurückgehalten.
Die Wassertropfen, die nicht an dem Netzabschnitt der Abtrennung 14 anhaften
werden in der Gasphase zwischen der Abtrennung 14 und der
Elektrodendiffusionsschicht erhitzt, um einen latenten Wärmekühleffekt
zu verursachen, d.h. um Verdampfen von Wasser zum Entfernen von
Wärme von
der Abtrennung 14 zu verursachen. Der Wasserdampf hemmt
das Verdampfen von Wasser in der Festpolymerelektrolytmembran 11 von
der Seite der Luftelektrode 12 und befeuchtet die Festpolymerelektrolytmembran 11.
Dann werden Überschusswasser
und Dampf in dem Luftströmungsfeld
von der Öffnung
des Luftströmungsfeldes, die
im unteren Bereich des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet
ist, abgeführt.
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Der
Wasserstoff wird zum Brennstoffströmungsfeld von dem Langloch
des Längsrahmenabschnitts
des äußersten
Rahmens 18, der in 4 dargestellt
ist, zugeführt.
Der Wasserstoff strömt durch
die Langlöcher 162 und 172 der
Abtrennbasisplatte 16 und dem Längsabschnitt 171 des
Rahmens 17, die aufeinander gestapelt sind und strömt in den Raum,
der durch die Längs-
und Lateralrahmenabschnitte und die Stützplatte 18a jedes
Rahmens 18 umgeben ist. Der Wasserstoff wird dann zur Seite
der Brennstoffelektrode 13 der Einheitszelle 10A über den
Raum zwischen der Abtrennbasisplatte 16 und der Stützplatte 18a zugeführt. Auf
diese Art und Weise wird der Wasserstoff zur Brennstoffelektrode 13 der
Einheitszelle 10A zugeführt.
Der Wasserstoff wird verbraucht während er in der Lateralrichtung entlang
der Brennstoffelektrode 13 strömt. Überschusswasserstoff, der nicht
in der Reaktion verwendet wurde, wird von der gegenüberliegenden
Seite des Wasserstoffströmungsfeldes
ausgestoßen.
Der Wasserstoff wird durch ein Rohr zirkuliert, welches mit dem
Wasserstoffströmungsfeld
verbunden ist, wie in 1 dargestellt. Schließlich wird
der Wasserstoff zur Brennkammer 53 abgeführt.
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Zu
beachten ist, dass das Wasser zusammen mit der Luft zum Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben wird das Wasser teilweise auf dem Netzabschnitt
der Abtrennung 14 zurückgehalten
und verdampft. Das zurückbleibende
Wasser, das nicht auf dem Netzabschnitt der Abtrennung 14 zurückgehalten
wird, wird in der Gasphase verdampft, um die latente Wärme zu entfernen.
Deshalb wird Verdampfen von Wasser in der Elektrolytmembran 11 der
Luftelektrode 12 gehemmt. Somit wird die Elektrolytmembran 11 nicht
von der Seite der Luftelektrode 12 ausgetrocknet und der gleichmäßig befeuchtete
Zustand der Elektrolytmembran 11 wird immer durch Wasser,
welches bei der Reaktion erzeugt wird, aufrechterhalten. Des Weiteren
entfernt das Wasser, welches zur Oberfläche der Luftelektrode 12 zugeführt wird,
die Wärme
von der Luftelektrode 12 selbst und kühlt die Luftelektrode 12. Auf
diese Art und Weise ist es möglich,
die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 zu steuern.
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Die
Strömung
an Wasserstoff im Brennstoffzellenstapel 1 wurde vorstehend
beschrieben. In dem Brennstoffzuführsystem 4 wird die
Konzentration des Wasserstoffgases, welches durch Ansaugen der Pumpe 47 von
dem Wasserstoffkanal des Brennstoffzellenstapels 1 abgeführt wird,
durch die Konzentrationssensoren 46A und 46B gemessen.
Wenn die Konzentration des Wasserstoffgases ein vorherbestimmtes
Niveau oder höher
ist, wird das Magnetventil 52 geschlossen, sodass der Wasserstoff über das
Zirkulationsabsperrventil 48 zurück zum Wasserstoffzuführkanal 40 strömen kann.
Wenn des Weiteren die Konzentration des Wasserstoffgases geringer als
ein vorherbestimmtes Niveau ist, wird das Abführmagnetventil 52 in
einer unterbrochenen Art und Weise geöffnet, wodurch die Abfuhr von
Wasserstoff zur Brennkammer 53 über das Absperrventil 51 und
das Magnetventil 52 ermöglicht
wird. Nachdem der Wasserstoff in der Brennkammer 53 komplett
verbrannt ist, wird das Abgas zur Außenseite abgeführt.
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Somit
wird in diesem System Wasser zum Brennstoffzellenstapel 1 unter
Verwendung der Luftströmung
zugeführt,
obwohl kein spezielles Kühlwassersystem
für den
Brennstoffzellenstapel 1 vorgesehen ist. Deshalb ist es
möglich
den Brennstoffzellenstapel 1 ausreichend zu befeuchten
und zu kühlen. Zu
diesem Zeitpunkt wird die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 durch
geeignetes Steuern der Leistungsabgabe oder des Betriebsintervalls
der Pumpe 62 entsprechend der Temperatur der Luft, die vom Brennstoffzellenstapel 1 abgeführt wird,
welche durch den Abgastemperatursensor 32 gemessen wird,
gesteuert. Dementsprechend wird die Einspritzmenge der Luft, die
in die Luft-Rohrverzweigung 22 von den Düsen 63 eingespritzt
wird, gesteuert und eine gewünschte
Temperatur beibehalten. Wenn insbesondere die Strömungsrate
des Wassers, welches zum Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird,
ansteigt, wird die Verdampfungsmenge erhöht und wenn die Strömungsrate
an Wasser abnimmt wird die Verdampfungsmenge verringert. Wenn des
Weiteren die Strömungsrate
der Luft erhöht
wird, wird die Temperatur verringert und wenn die Strömungsrate
der Luft verringert wird, wird die Temperatur erhöht. Deshalb
ist es durch Steuern der Strömungsrate
an Wasser und der Strömungsrate
an Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird,
möglich,
die Betriebstemperatur zu steuern. Zu beachten ist, dass Wasser
vom Brennstoffzellenstapel 1 zusammen mit der Luft abgeführt wird.
Zu diesem Zeitpunkt verbleibt das meiste abgeführte Wasser in einem flüssigen Zustand.
Deshalb wird das Wasser, welches durch den Wasserrückführkanal 60a strömt, durch
die Strömungspumpe 65 angesaugt
und strömt
zurück
zum Wassertank 61 über
das Absperrventil 66. Der Wasserdampf oder das verbleibende
Wasser, welches nicht im Wasserrückführkanal 60a gesammelt
wird, wird entweder (a) durch den Wasserkondensator 31 in
einen flüssigen
Zustand kondensiert oder (b) strömt
durch den Wasserkondensator 31 ohne kondensiert zu werden
und wird von der Pumpe 65 zurück zum Wassertank 61 gesaugt.
Es sollte beachtet werden, dass der Dampf im Abgas aufgrund des Wassers,
das bei der Leistungserzeugungsreaktion erzeugt wird, vorhanden
ist. Der Wasserpegel des Wassertanks wird durch den Wasserpegelsensor 64 überwacht.
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Dieses
System hat die charakteristischen Merkmale, dass jeder Kollektor 14 und 15 den
feinen netzartigen Abschnitt aufweist und die Öffnungen auf der Oberfläche ausgebildet sind,
welche die Elektrodendiffusionsschicht berühren. Wenn deshalb das Mischfluid
aus Luft und Wasser durch Öffnungen strömt, werden
das Wasser und die Luft umgerührt und
das Mischungsgas wird zu den Kontaktflächen zwischen den Kollektoren 14 und 15 und
der Elektrodendiffusionsschicht zugeführt. Somit ist es möglich, die
Luft zu allen Elektrodenflächen
des Kraftstoffzellenstapels 1 zuzuführen und die Konzentrationspolarisation
wird verringert. Da des Weiteren die Elektrode den netzartigen Abschnitt
des Kollektors berührt, wird
ein Stromsammeln gleichmäßig von
der gesamten Elektrode ausgeführt
und der Stromsammelwiderstand wird verringert. Da des Weiteren der
Katalysator über
die gesamte Elektrode effektiv verwendet wird, wird eine Aktivierungspolarisation
verringert. Zusätzlich
wird der effektive Bereich der Elektrode, der zur Leistungserzeugung
verwendet wird, vorteilhaft vergrößert.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel,
das beispielhaft dargestellt ist, sind die Abschnitte der Abtrennung,
welche die Elektrodendiffusionsschicht berühren, d.h. der Kollektor 14 und
der Kollektor 15 aus Streckmetall hergestellt. Alternativ
können
jedoch die Kollektoren 14 und 15 aus einem anderen
Material, wie beispielsweise Metallharz, porösem Metall, zweidimensional
gewobenen Metallgewebe, nicht gewobenem Metallgewebe, einem gewellten
Metallkörper, einem
Metallkörper
mit Nuten, einem Metallnetz oder Stanzmetall hergestellt werden.
Als nächstes
wird ein anderes Ausführungsbeispiel
beschrieben, in dem das Material des Kollektors verändert ist.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
das in 8 dargestellt ist, sind beiden Kollektoren 14 und 15 beispielhaft
aus Stanzmetall hergestellt. Um des Weiteren in diesem Fall ein
herkömmliches
Material für
beide Kollektoren 14 und 15 zu verwenden, sind
die Abmessungen der Wellen, d.h. die Höhe und die Breite der Wellen
die gleichen wie jene des brennstoffelektrodenseitigen Kollektors
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Wenn dieser Aufbau verwendet wird um eine ausreichende Querschnittsfläche des Strömungsfeldes
auf der Luftelektrodenseite zu erreichen, wo die Höhe der Wellen
niedriger ist, hat die Abtrennung 16 auch hervorstehende
Wellen 161, welche hin zum Kollektor 14 hervorstehen
und sie so beabstandet sind, dass sie mit den Abständen der Nuten 144 des
Kollektors 14 zusammenpassen. In Folge dieses Aufbaus hat
die Abtrennbasisplatte 16 eine gewellte plattenartige Form.
In der folgenden Beschreibung werden die Strukturbauteile, welche identisch
zu jenen des ersten Ausführungsbeispiels sind
mit den gleichen Bezugsnummern gekennzeichnet und deren Beschreibung
wird weggelassen. Nur Abschnitte des Aufbaus, welche sich vom ersten Ausführungsbeispiel
unterscheiden, werden beschrieben.
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In
dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist die Dicke der Kollektoren 14 und 15 die Gleiche
wie die Dicke der Kollektoren 14 und 15 des ersten
Ausführungsbeispiels.
Jedoch unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel vom ersten Ausführungsbeispiel
in einer großen
Anzahl an Löchern
die in den Platten der Kollektoren 14 und 15 durch
Stanzen ausgebildet sind. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
haben die Platten eine Dicke von 0,2mm und die Löcher haben Längs- und
Lateral-Durchmesser von 0,1mm und sind in Intervallen von 0,1mm
ausgebildet. In 8 sind die Öffnungen der Löcher 143 und 153 in
der Längsrichtung
und in der Lateralrichtung angeordnet. Jedoch ist die Anordnung
der Öffnungen
nicht auf diesen Aufbau beschränkt.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel können die
Löcher 143 und 153 in
irgendeiner Richtung einschließlich
einer Schrägrichtung
angeordnet sein. Die Höhe
der hervorstehenden Wellen 161 der Abtrennbasisplatte 16 kann
in diesem Ausführungsbeispiel
so entworfen sein, dass die Höhe
der hervorstehenden Wellen 161 und die Höhe der hervorstehenden
Wellen 141 des Kollektors 14 im kombinierten Zustand
gleich der Höhe
der hervorstehenden Wellen des Kollektors 14 des ersten
Ausführungsbeispiels
ist. Wenn solch ein Aufbau verwendet wird, ist der Querschnitt des
Strömungsfeldes
auf der Luftelektrodenseite der Gleiche wie der im ersten Ausführungsbeispiel.
Im zweiten Ausführungsbeispiel,
wie im ersten Ausführungsbeispiel,
hat jeder der Kollektoren 14 und 15 einen feinen
netzartigen Abschnitt, der die Diffusionsschicht berührt. Deshalb
ist es möglich,
die Luft zu allen Elektrodenflächen
des Brennstoffzellenstapels 1 zuzuführen und eine Konzentrationspolarisation
wird verringert. Da des Weiteren die Elektrode den netzartigen Abschnitt
des Kollektors berührt
wird ein Stromsammeln gleichmäßig durch die
gesamte Elektrode ausgeführt
und der Stromsammelwiderstand wird verringert. Da darüber hinaus
der Katalysator über
die gesamte Elektrode effektiv verwendet wird, wird eine Aktivierungspolarisation
verringert. Zusätzlich
wird der effektive Bereich der Elektrode, der für die Leistungserzeugung verwendet
wird, vorteilhaft vergrößert.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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In
dem dritten Ausführungsbeispiel,
das in 9 dargestellt ist, sind wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel
beide Kollektoren 14 und 15 aus Stanzmetall hergestellt.
Jedoch unterscheidet sich das dritte Ausführungsbeispiel vom zweiten
Ausführungsbeispiel
darin, dass der Kollektor 15 der Brennstoffelektrodenseite eine
flache Platte ohne irgendwelche Wellen ist. Um in diesem Beispiel
einen ausreichenden Querschnitt der Strömungsfelder auf beiden Seiten
der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode zu erreichen, hat
die Abtrennbasisplatte 16 hervorstehende Wellen 161 und 162,
die zur Luftelektrode und zur Brennstoffelektrode von einer Basisfläche der
Basisplatte hervorstehen. Die anderen Strukturbauteile des dritten
Ausführungsbeispiels
sind identisch zu jenen des zweiten Ausführungsbeispiels. Deshalb sind diese
Strukturbauteile mit den gleichen Bezugsnummern gekennzeichnet und
deren Beschreibung wird weggelassen.
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Eine
Brennstoffzelle hat eine Abtrennung (10B), die zwischen
benachbarten Einheitszellen (10A) angeordnet ist. Ein Mischfluid
aus Luft und Wasser wird an eine Luftelektrode (12) jeder
Einheitszelle zugeführt.
Die Abtrennung hat einen Netzleiter (14) auf zumindest
einer Fläche,
welche der Luftelektrode der Einheitszelle zugewandt ist und das Mischfluid
führt durch
den Netzleiter hindurch. Wasser wird auf dem Netzabschnitt des Leiters
zurückgehalten.
Mit diesem Aufbau ist es möglich,
dass die Einheitszelle durch Freigeben latenter Wärme gekühlt wird,
wenn das Wasser durch die Wärme
der Einheitszelle verdampf wird, ohne irgendeinem Verstopfen, welches
den Kontakt zwischen der Elektrode und der Luft unterbindet.