DE112009002459T5

DE112009002459T5 - Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009002459T5
Application number: DE112009002459T
Authority: DE
Inventors: Toru Ozaki; Noboru Ishisone; Tsuneaki Tamachi; Norimasa Yanase; Takafumi Sarata; Kazutaka Yuzurihara; Fumiharu Iwasaki
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: CN102187505B; CN102187505A; GB2476742B; JPWO2010050377A1; WO2010050377A1; US9190674B2; JP5311586B2; GB2476742A; US20110217625A1; GB201103322D0; DE112009002459B4

Abstract

Bei einer Brennstoffzelle (200) mit einer Membranelektrodenanordnung (204) mit einer Elektrolytmembran (201) und einem Anodenkatalysator (202); mit einem Zuführelement (240) zum Zuführen eines Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung (204); und mit einer Gasdiffusionsschicht (230) zwischen dem Zuführelement (240) und der Membranelektrodenanordnung (204) weist das Zuführelement (240) einen Anodenfluid-Flußweg (241) zum Zuführen des Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung (204) auf, wobei die Öffnung des Anodenfluid-Flußwegs (241) an der Abgabeseite für das Anodenfluid mit der Gasdiffusionsschicht (230) in Kontakt steht, und wobei auf der Seite der Gasdiffusionsschicht (230), die dem Zuführelement (240) zugewandt ist, ein Bereich (A) zum Speichern eines Gases vorgesehen ist, das durch die Zufuhr des Anodenfluids verdrängt wird.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembran, wobei sich auf den beiden Seiten der Elektrolytmembran ein Anodenkatalysator bzw. ein Kathodenkatalysator befinden, sowie ein Brennstoffzellensystem mit der Brennstoffzelle.
[Stand der Technik]
Eine Brennstoffzelle enthält eine Membranelektrodenanordnung (im folgenden als MEA bezeichnet) mit einer Elektrolytmembran und auf den beiden Seiten der Elektrolytmembran einen Anodenkatalysator bzw. einen Kathodenkatalysator. Die Brennstoffzelle umfaßt ein Anodenelement (eine Anode) mit einem Flußweg für ein Anodenfluid, um das Anodenfluid über eine Gasdiffusionsschicht dem Anodenkatalysator der MEA zuzuführen, und ein Kathodenelement (eine Kathode) mit einem Flußweg für ein Kathodenfluid, um das Kathodenfluid dem Kathodenkatalysator der MEA zuzuführen.
Bei einer solchen Brennstoffzelle gelangt, wenn kein Strom erzeugt wird, über die Elektrolytmembran Luft aus der Atmosphäre (insbesondere das Inertgas Stickstoff) als Verunreinigungsgas auf die Anodenseite. Wenn dann der Betrieb wieder aufgenommen wird und dazu ein wasserstoffreiches Anodenfluid eingeführt wird, kann der Wasserstoff nicht sofort das Verunreinigungsgas ersetzen, so daß keine ausreichende elektrische Ausgangsleistung (oder kein ausreichendes Ausmaß an Stromerzeugung) erhalten wird. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle für eine lange Zeit nicht in Betrieb ist, tritt das Problem auf, daß der Partialdruck des in die Anode gelangten Verunreinigungsgases hoch ist und das Ausmaß der Stromerzeugung abnimmt.
Angesichts dieses Problems wurde vorgeschlagen (siehe zum Beispiel das Patentdokument 1), das Verunreinigungsgas, das sich an der Anode angesammelt hat, vor dem Beginn des Betriebs mit dem wasserstoffreichen Anodenfluid auszuspülen.
Konkret umfaßt das Patentdokument 1 ein Spülventil zum Ausspülen eines Verunreinigungsgases, das sich an der Anode angesammelt hat, mit dem wasserstoffreichen Anodenfluid, und des weiteren eine Abgas-Behandlungsvorrichtung zum Verdünnen des Abgases, das durch das Spülventil abgegeben wird und das Wasserstoff enthält, zur Abgabe des verdünnten Gases nach außen.
Bei diesem Aufbau nach Patentdokument 1 kann das Verunreinigungsgas auf der Anodenseite durch das wasserstoffreiche Anodenfluid ersetzt werden. Es wird damit verhindert, daß das Ausmaß der Stromerzeugung abnimmt.
[Druckschrift zum Stand der Technik]
[Patentdokument]
Patentdokument 1: JP-A-2004-193107
[Darstellung der Erfindung]
[Probleme, die mit der Erfindung gelöst werden sollen]
Bei dem Aufbau nach Patentdokument 1 ist es erforderlich, das Spülventil und die Abgas-Behandlungsvorrichtung vorzusehen, woraus sich das Problem ergibt, daß die Anlage als Ganzes größer wird und die Kosten dafür ansteigen.
Bei dem Aufbau nach Patentdokument 1 wird zwar durch das Spülen beim Hochfahren der Anlage das Verunreinigungsgas von der Anode entfernt. Das Verunreinigungsgas gelangt jedoch auch während der Stromerzeugung durch die Elektrolytmembran zur Anode. Bei einer lang andauernden Stromerzeugung muß daher, während der Status der Stromerzeugung laufend überwacht wird, ein genau gesteuertes Öffnen und Schließen des Spülventils erfolgen, wodurch die Steuerung insgesamt kompliziert wird.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts dieser Umstände. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit kleinen Abmessungen und ein Brennstoffzellensystem mit kleinen Abmessungen zu schaffen, bei der bzw. bei dem ein Ausfall der Stromerzeugung aufgrund von Verunreinigungsgas verhindert wird und mit der bzw. mit dem über lange Zeit eine kontinuierliche Stromerzeugung möglich ist.
[Mittel zum Lösen der Probleme]
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt zum Lösen der obigen Probleme eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung mit einer Elektrolytmembran und einem Anodenkatalysator; mit einem Zuführelement zum Zuführen eines Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung; und mit einer Gasdiffusionsschicht zwischen dem Zuführelement und der Membranelektrodenanordnung, wobei das Zuführelement einen Anodenfluid-Flußweg zum Zuführen des Anodenfluids zu der Membranelektronenanordnung aufweist und der Anodenfluid-Flußweg an seiner Abgabeseite eine Öffnung für das Anodenfluid aufweist, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, und wobei sich auf der Seite der Gasdiffusionsschicht, die dem Zuführelement zugewandt ist, ein Bereich zum Speichern des Gases vorgesehen ist, das durch die Zuführung des Anodenfluids verdrängt wird.
Gemäß diesem ersten Aspekt wird das Anodenfluid durch den Anodenfluid-Flußweg der Membranelektrodenanordnung zugeführt. Dadurch wird an der Oberfläche des Anodenkatalysators vorhandenes Verunreinigungsgas vom Anodenfluid verdrängt, so daß das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt werden kann. Das Ausmaß der Stromerzeugung und insbesondere die Anfangsspannung bleiben dadurch hoch, und die Stromerzeugung kann für eine lange Zeit aufrecht erhalten werden.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach dem ersten Aspekt, wobei das Zuführelement einen vorstehenden Abschnitt aufweist, der zur Gasdiffusionsschicht hin vorsteht und in dem der Anodenfluid-Flußweg ausgebildet ist, wobei die vordere Endfläche des vorstehenden Abschnitts mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht.
Gemäß diesem zweiten Aspekt wird durch den vorstehenden Abschnitt zwischen der Gasdiffusionsschicht und dem Zuführelement in dem Bereich außerhalb des vorstehenden Abschnitts ein freier Raum ausgebildet. Das Verunreinigungsgas läßt sich leicht in diesen Raum verdrängen. In diesem Raum läßt sich außerdem eine große Menge des Verunreinigungsgases speichern, so daß die Stromerzeugung über eine sehr lange Zeit fortgeführt werden kann.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach dem zweiten Aspekt, wobei der vorstehende Abschnitt eine zu der Membranelektrodenanordnung hin zugespitzte konische Form hat.
Gemäß diesem dritten Aspekt läuft der vorstehende Abschnitt spitz zu, wodurch in dem Bereich außerhalb des vorstehenden Abschnitts ein großer freier Raum ausgebildet wird. In diesem Raum läßt sich eine entsprechend große Menge des Verunreinigungsgases speichern.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach einem der ersten bis dritten Aspekte, wobei der Anodenfluid-Flußweg eine zu der Membranelektrodenanordnung hin zugespitzte konische Form hat.
Gemäß diesem vierten Aspekt läuft der Anodenfluid-Flußweg spitz zu, wodurch die Fließgeschwindigkeit des vom Anodenfluid-Flußweg abgestrahlten Anodenfluids ansteigt und das an der Oberfläche des Anodenkatalysators befindliche Verunreinigungsgas wirkungsvoll vom Anodenfluid verdrängt wird.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach einem der ersten bis vierten Aspekte, wobei in dem einen Zuführelement eine Anzahl von Anodenfluid-Flußwegen vorgesehen ist.
Gemäß diesem fünften Aspekt kann das Anodenfluid durch eine Mehrzahl von Anodenfluid-Flußwegen einer relativ großen Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt werden.
Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach einem der ersten bis vierten Aspekte, wobei in dem einen Zuführelement eine Anzahl von Anodenfluid-Flußwegen vorgesehen ist und auf der der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzten Seite eine mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung stehende Kammer sowie eine Anodenfluid-Einführungsöffnung zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer vorgesehen sind, wobei das Zuführelement mit einem vorstehenden Abschnitt versehen ist, der zur Gasdiffusionsschicht hin vorsteht und in dem der Anodenfluid-Flußweg ausgebildet ist, wobei der vorstehende Abschnitt einen ersten vorstehenden Abschnitt und einen zweiten vorstehenden Abschnitt umfaßt und die Entfernung des zweiten vorstehenden Abschnitts von der Anodenfluid-Einführungsöffnung größer ist als die Entfernung des ersten vorstehenden Abschnitts von der Anodenfluid-Einführungsöffnung und das Ausmaß des Vorstehens des ersten vorstehenden Abschnitts größer ist als das Ausmaß des Vorstehens des zweiten vorstehenden Abschnitts, wobei die vordere Endfläche des vorsehenden Abschnitts mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht.
Gemäß diesem sechsten Aspekt wird das Anodenfluid mit einem gleichmäßigen Druck aus einer Mehrzahl von Anodenfluid-Flußwegen abgestrahlt, so daß das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators ziemlich gleichmäßig zugeführt wird.
Ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach einem der ersten bis sechsten Aspekte und des weiteren eine Kammer auf der der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzten Seite, die mit einer Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung steht, und eine Anodenfluid-Einführungsöffnung zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer, wobei der Druckverlust im Anodenfluid-Flußweg größer ist als der Druckverlust im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung zu jedem der Anodenfluid-Flußwege.
Gemäß diesem siebten Aspekt wird das Anodenfluid kräftig aus dem Anodenfluid-Flußweg ausgestoßen, um das Verunreinigungsgas von der Oberfläche des Anodenkatalysators wegzublasen.
Ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach einem der fünften bis siebten Aspekte und des weiteren eine Kammer auf der der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzten Seite, die mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung steht, und eine Anodenfluid-Einführungsöffnung zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer, wobei die Anzahl der Anodenfluid-Flußwege einen ersten Anodenfluid-Flußweg und einen zweiten Anodenfluid-Flußweg umfaßt, dessen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung größer ist als die Entfernung des ersten Anodenfluid-Flußwegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung, und wobei der Druckverlust im ersten Anodenfluid-Flußweg größer ist als der Druckverlust im zweiten Anodenfluid-Flußweg.
Gemäß diesem achten Aspekt wird das Anodenfluid mit einem gleichmäßigen Druck aus der Mehrzahl der Anodenfluid-Flußwege abgestrahlt, so daß das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt wird.
Ein neunter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach einem der fünften bis achten Aspekte und des weiteren eine Kammer auf der der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzten Seite, die mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung steht, und eine Anodenfluid-Einführungsöffnung zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer, wobei die Anzahl der Anodenfluid-Flußwege einen ersten Anodenfluid-Flußweg und einen zweiten Anodenfluid-Flußweg umfaßt, dessen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung größer ist als die Entfernung des ersten Anodenfluid-Flußwegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung, und wobei der Druckverlust in einem ersten Führungsweg in der Kammer im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung zum ersten Anodenfluid-Flußweg größer ist als der Druckverlust in einem zweiten Führungsweg in der Kammer im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung zum zweiten Anodenfluid-Flußweg.
Gemäß diesem neunten Aspekt wird das Anodenfluid mit einem gleichmäßigen Druck aus der Mehrzahl der Anodenfluid-Flußwege abgestrahlt, so daß das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators gleichmäßig zugeführt wird.
Ein zehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach dem achten Aspekt, wobei die Abstände zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen in der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege des Zuführelements von den Anodenfluid-Flußwegen, die der Anodenfluid-Einführungsöffnung näher liegen, zu den Anodenfluid-Flußwegen, die von der Anodenfluid-Einführungsöffnung weiter weg sind, allmählich abnehmen.
Durch die Änderung des Druckverlustes in den Anodenfluid-Flußwegen treten Unterschiede in der Fließgeschwindigkeit des Anodenfluids auf, und der Bereich, in dem das Anodenfluid verteilt wird, differiert entsprechend der Verteilung der Fließgeschwindigkeit. Gemäß dem zehnten Aspekt werden jedoch die Abstände zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen derart verändert, daß Ungleichmäßigkeiten in der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene ausgeglichen werden.
Ein elfter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach einem der ersten bis zehnten Aspekte mit einer Entfernungsvorrichtung zum Entfernen des Gases aus dem Bereich, der das Gas enthält, das von Anodenfluid verdrängt wurde.
Gemäß diesem elften Aspekt wird das Gas, etwa ein Verunreinigungsgas, das aus dem mit dem Anodenfluid beaufschlagten Raum verdrängt wurde, aus dem mit dem Anodenfluid beaufschlagten Raum entfernt. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrecht erhalten werden.
Ein zwölfter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach dem elften Aspekt, wobei die Entfernungsvorrichtung ein herausführender Weg ist, der mit dem Bereich in Verbindung steht, in dem das durch die Zuführung des Anodenfluids verdrängte Gas gespeichert ist, um das Gas zu einem Pufferspeicher abzuführen.
Gemäß diesem zwölften Aspekt kann das Gas, etwa das Verunreinigungsgas, über den herausführenden Weg gepuffert abgeführt werden. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrecht erhalten werden.
Ein dreizehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach dem zwölften Aspekt, wobei der herausführende Weg mit einem Rückschlagventil versehen ist, das einen Fluß des Gases aus dem Bereich mit dem gespeicherten Gas zum Pufferspeicher erlaubt, den Fluß des Gases in die umgekehrte Richtung jedoch verhindert.
Gemäß diesem dreizehnten Aspekt kann das zum Pufferspeicher abgeführte Gas aufgrund des Rückschlagventils nicht zurückströmen. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrechterhalten werden.
Ein vierzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Brennstoffzelle nach dem elften Aspekt, wobei die Entfernungsvorrichtung ein Adsorbens ist, das in dem Bereich vorgesehen ist, in dem das durch die Zuführung des Anodenfluids verdrängte Gas gespeichert wird.
Gemäß diesem vierzehnten Aspekt wird das Gas, etwa das Verunreinigungsgas, vom Adsorbens selektiv adsorbiert und dadurch entfernt. Das Ausmaß der Stromerzeugung wird damit größer, und die Stromerzeugung kann über lange Zeit aufrecht erhalten werden.
Ein fünfzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit der Brennstoffzelle nach einem der ersten bis vierzehnten Aspekte und einer Brennstoff-Zuführeinrichtung zum Zuführen des Anodenfluids zu der Brennstoffzelle.
Gemäß diesem fünfzehnten Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem verwirklicht, bei dem ein Ausfall der Stromerzeugung aufgrund eines Verunreinigungsgases vermieden wird, mit dem über eine lange Zeit kontinuierlich eine Stromerzeugung erfolgen kann, und die klein ausgestaltet werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung fließt das Anodenfluid über den Anodenfluid-Flußweg und die Gasdiffusionsschicht direkt zu der Membranelektrodenanordnung. Dadurch wird das Verunreinigungsgas von der Oberfläche des Anodenkatalysators verdrängt, und das Anodenfluid wird der ganzen Oberfläche des Anodenkatalysators zugeführt. Es besteht nicht die Notwendigkeit, einen komplizierten Mechanismus wie ein Spülventil oder eine Gasbehandlungsvorrichtung vorzusehen. Auch wird ein Ausfall der Stromerzeugung oder eine Abnahme der Stromerzeugung aufgrund des Verunreinigungsgases vermieden, es ist im Gegenteil das Ausmaß der Stromerzeugung erhöht, und es kann über eine lange Zeit die Stromerzeugung aufrecht erhalten werden. Dazu reicht es aus, den Anodenfluid-Flußweg vorzusehen, um das Anodenfluid zu der Membranelektrodenanordnung zu bringen. Das Vorsehen eines Spülventils oder eines Verfahrens mit einem komplizierten Öffnen und Schließen des Spülventils ist daher unnötig, die Anlage kann klein ausgestaltet werden, und der Kostenaufwand dafür ist gering.
[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
1 ist eine Blockdarstellung des schematischen Aufbaus einer Ausführungsform 1 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Brennstoffzelle von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Schnittansicht der Brennstoffzelle von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen zur Darstellung der Zuführung eines Anodenfluids in der Brennstoffzelle von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Modifikation der Brennstoffzelle von Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Aufsicht auf wesentliche Teile einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Aufsicht auf wesentliche Teile einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Aufsicht auf wesentliche Teile einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse eines Tests der vorliegenden Erfindung.
[Ausführungsart der Erfindung]
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung auf der Basis der Ausführungsformen näher erläutert.
Ausführungsform 1:
Die 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in der 1 gezeigt, umfaßt das Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoff-Zuführeinrichtung 100, eine Brennstoffzelle 200 und eine Steuerschaltung 300.
Die Brennstoff-Zuführeinrichtung 100 führt der Brennstoffzelle 200 einen Brennstoff als Anodenfluid zu. Als Brennstoff ist Wasserstoff optimal, und die Brennstoff-Zuführeinrichtung 100 kann daher eine Wasserstoff absorbierende oder speichernde Legierung, eine Wasserstoff enthaltende Gasflasche usw. umfassen. Die Brennstoff-Zuführeinrichtung 100 kann den Wasserstoff auch erst erzeugen, ein Beispiel dafür ist ein Aufbau, in dem eine Wasserstoff abgebende Substanz und ein Beschleuniger für die Wasserstofferzeugung vermischt werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Zum Beispiel kann für die Wasserstoff abgebende Substanz Natriumborhydrid verwendet werden und als Beschleuniger für die Wasserstofferzeugung eine wässrige Apfelsäurelösung. Als Brennstoff kann auch eine Methanollösung zugeführt werden.
Die Steuerschaltung 300 ist mit der Brennstoffzelle 200 verbunden und wird mit der Spannung betrieben, die von der Brennstoffzelle 200 erzeugt wird.
Anhand der 2 bis 4 wird die Brennstoffzelle 200 genauer beschrieben. Die 2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die schematisch den Aufbau der Brennstoffzelle zeigt. Die 3 ist eine Schnittansicht der Brennstoffzelle. Die 4 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen, die die Zuführung des Anodenfluids in der Brennstoffzelle zeigt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfaßt die Brennstoffzelle 200 eine Membranelektrodenanordnung 204 (im folgenden auch als MEA bezeichnet), die aus einer festen Polymerelektrolytmembran 201 als Elektrolytmembran sowie einem Anodenkatalysator 202 und einem Kathodenkatalysator 203 auf den beiden Seiten der festen Polymerelektrolytmembran 201 besteht.
An den beiden Oberflächen der MEA 204 ist ein Anodenelement 210 bzw. ein Kathodenelement 220 angeordnet. Das heißt, daß die MEA 204 sich zwischen dem Anodenelement 210 und dem Kathodenelement 220 befindet.
Das Kathodenelement 220 besteht aus einem plattenförmigen Element auf der Seite der MEA 204, auf der sich der Kathodenkatalysator 203 befindet. Das Kathodenelement 220 weist einen Kathodenfluid-Flußweg 221 zum Zuführen eines oxidierenden Mittels (Sauerstoff enthaltende Luft) als Kathodenfluid zum Kathodenkatalysator 203 auf. Das heißt, daß das Kathodenelement 220 als Zuführelement zum Zuführen des Kathodenfluids zum Kathodenkatalysator 203 dient. Der Kathodenfluid-Flußweg 221 hat bei der vorliegenden Ausführungsform eine konkave Form, die an der Seite des Kathodenelements 220 offen ist, die dem Kathodenkatalysator 203 zugewandt ist. In der Bodenfläche des Kathodenfluid-Flußwegs 221 ist eine Kathodenfluid-Einführungsöffnung 222 vorgesehen, um Luft in den Kathodenfluid-Flußweg 221 einführen zu können.
Das Anodenelement 210 besteht aus einem plattenförmigen Element auf der Seite der MEA 204, auf der sich der Anodenkatalysator 202 befindet. Das Anodenelement 210 weist eine Kammer 211 mit konkaver Form auf, die zum Anodenkatalysator 202 hin offen ist. In der Bodenfläche der Kammer 211 ist in der Dickenrichtung davon als Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 eine Durchgangsöffnung vorgesehen.
Die Öffnungsfläche der Kammer 211 ist vergleichbar mit der Oberfläche des Anodenkatalysators 202. Durch die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 in der Bodenfläche der Kammer 211 wird dem Inneren der Kammer 211 das Anodenfluid zugeführt.
Zwischen dem Anodenelement 210 und der MEA 204 befindet sich eine Gasdiffusionsschicht 230 und ein Zuführelement 240 zum Zuführen des Anodenfluids, das sich in der Kammer 211 befindet, zu der Gasdiffusionsschicht 230.
Die Gasdiffusionsschicht (GDS) 230 ist zwischen dem Anodenelement 210 und der MEA 204 vorgesehen und liegt der MEA 204 gegenüber, das heißt sie befindet sich auf dem Anodenkatalysator 202 der MEA 204. Die Gasdiffusionsschicht 230 besteht aus einem Element, das für das Anodenfluid durchlässig ist und durch das das Anodenfluid fließen kann. Für die Gasdiffusionsschicht 230 kann ein bekanntes Material verwendet werden, zum Beispiel ein Metallgewebe oder ein Material mit einer porösen Struktur wie ein Kohlenstofftuch, ein Kohlenstoffpapier oder ein Kohlenstoff-Filz.
Das Zuführelement 240 besteht aus einem plattenförmigen Element, das bezüglich der MEA 204 auf der anderen Seite der Gasdiffusionsschicht 230 angeordnet ist. Das Zuführelement 240 ist so angeordnet, daß eine Oberfläche davon mit der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt steht. Die andere Oberfläche des Zuführelements 240 auf der Seite, die der mit der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt stehenden Oberfläche des Zuführelements 240 entgegengesetzt ist, verschließt eine Seite der Kammer 211.
Das Zuführelement 240 ist mit einem Anodenfluid-Flußweg 241 versehen, der das Zuführelement 240 in seiner Dickenrichtung durchsetzt, um dadurch die Kammer 211 und die Gasdiffusionsschicht 230 miteinander zu verbinden. Das heißt, daß sich das eine Ende des Anodenfluid-Flußwegs 241 zur Kammer 211 hin öffnet und das andere Ende davon zur Gasdiffusionsschicht 230 hin öffnet, um dadurch eine Verbindung zwischen der Gasdiffusionsschicht 230 und der Kammer 211 herzustellen. Wie beschrieben steht die eine Seite des Zuführelements 240 mit der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt, wodurch die Öffnung des Anodenfluid-Flußwegs 241 an der Abgabeseite für das Anodenfluid (das heißt die Öffnung, die auf der Seite liegt, die der Gasdiffusionsschicht 230 zugewandt ist) mit der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt steht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform gibt es zwei Reihen von Anodenfluid-Flußwegen 241, wobei jede Reihe eine Anzahl (sechs) der Anodenfluid-Flußwege 241 in vorgegebenen Abständen enthält, so daß insgesamt zwölf Anodenfluid-Flußwege 241 vorgesehen sind. Der Anodenfluid-Flußweg 241 ist jeweils so ausgestaltet, daß der Druckverlust im Anodenfluid-Flußweg 241 größer ist als der Druckverlust in dem Bereich, der sich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zu jedem der Anodenfluid-Flußwege 241 erstreckt. Konkret hat bei der vorliegenden Ausführungsform die Kammer 211 eine solche Größe, daß sie mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege 241 in gemeinsamer Verbindung steht (das heißt die Öffnungsfläche der Kammer 211 ist vergleichbar mit der Oberfläche des Anodenkatalysators 202), und die Öffnungsflächen (die Querschnittflächen) der Anodenfluid-Flußwege 241 sind sehr viel kleiner als die Öffnungsfläche der Kammer 211. Folglich ist der Druckverlust im Anodenfluid-Flußweg 241 größer als der Druckverlust in dem Bereich, der sich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der Kammer 211 zu jedem der Anodenfluid-Flußwege 241 erstreckt. Durch das Erhöhen des Druckverlustes im Anodenfluid-Flußweg 241 wird das in die Kammer 211 eingeführte Anodenfluid vom Anodenfluid-Flußweg 241 als Strahl mit einem gewünschten Druck auf die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 abgegeben. Die Einzelheiten dieses Vorgangs werden später noch erläutert. Der Anodenfluid-Flußweg 241 kann eine Form haben, die zum Anodenkatalysator 202 hin zugespitzt ist. Für den Anodenfluid-Flußweg 241 gibt es natürlich hinsichtlich der Größe (der Öffnungsfläche), der Anzahl und der Position keine Einschränkungen, und die Größe, Anzahl und Position der Anoedenfluid-Flußwege 241 können auf der Basis des Drucks des Anodenfluids in der Kammer 211, des Partialdrucks eines Verunreinigungsgases an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202, der Fließgeschwindigkeit des Anodenfluids, das dem Anodenkatalysator 202 zugeführt wird, um das Verunreinigungsgas zu verdrängen, und dergleichen geeignet gewählt werden. Wenn der Anodenfluid-Flußweg 241 so geformt ist, daß er zum Anodenkatalysator 202 hin zugespitzt oder konisch ist, wird die Fließgeschwindigkeit des vom Anodenfluid-Flußweg 241 abgestrahlten Anodenfluids erhöht. Dadurch kann das Anodenfluid leicht der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt werden, das heißt ein Verunreinigungsgas kann leicht von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 weggedrückt werden. Die Einzelheiten davon werden später noch beschrieben.
Der Anodenfluid-Flußweg 241 des Zuführelements 240 durchsetzt das Zuführelement 240 in dessen Dickenrichtung und verläuft daher in einer Richtung, die die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 schneidet. Dadurch kann das in die Kammer 211 eingeführte Anodenfluid mittels des Anodenfluid-Flußweges durch die Gasdiffusionsschicht 230 geleitet und der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt werden. Das heißt es reicht aus, wenn die Anodenfluid-Flußwege 241 des Zuführelements 240 in einer Richtung verlaufen, die die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 schneidet. Die Anodenfluid-Flußwege 241 können senkrecht zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verlaufen oder bezüglich dieser Oberfläche unter einem vorgegebenen Winkel geneigt sein.
Bei der beschriebenen Brennstoffzelle 200 ist der Kathodenfluid-Flußweg 221 zur Atmosphäre hin offen. Wenn die Brennstoffzelle für eine lange Zeit herumsteht, dringt daher die Luft aus der Atmosphäre (insbesondere Stickstoff als Inertgas) als Verunreinigungsgas durch die feste Polymerelektrolytmembran 201 in den Raum ein, in dem sich der Anodenkatalysator 202 befindet, das heißt in die Gasdiffusionsschicht 230. Ein Anstieg des Partialdrucks des Verunreinigungsgases (Stickstoff) bewirkt einen Abfall des Partialdrucks des Anodenfluids im Anodenkatalysator 202. Es kann daher keine ausreichende Menge an Anodenfluid für die Stromerzeugung mehr zugeführt werden, so daß das Ausmaß der Stromerzeugung sinkt.
Bei der Brennstoffzelle 200 der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch das Anodenfluid, das durch die Anodenfluid-Flußwege 241 zugeführt wird, auf die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geblasen, wie es in der 4 gezeigt ist. Ein an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 befindliches Verunreinigungsgas wird daher weggedrückt, und das Anodenfluid kann zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 gelangen. Das heißt, daß das durch die Anodenfluid-Flußwege 241 der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 (in einer Richtung, die die Oberfläche schneidet) zugeführte Anodenfluid sich entlang der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verteilt und dabei das Verunreinigungsgas in der Gasdiffusionsschicht 230 verdrängt, das aus der Atmosphäre durch den Anodenkatalysator 202 eingesickert ist. Dabei bleibt das von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängte Verunreinigungsgas in den Bereichen A auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 230, die vom Anodenkatalysator 202 abgewandt ist, das heißt in den Bereichen A auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 230, die dem Zuführelement 240 zugewandt ist.
Wie beschrieben wird das Anodenfluid durch die Anodenfluid-Flußwege 241 so zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geführt, daß das Verunreinigungsgas (Stickstoff) von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt wird, wodurch die Wirksamkeit der Stromerzeugung und der der Strom-Wirkungsgrad des Anodenkatalysators 202 ansteigen. Ohne das Vorsehen der Anodenfluid-Flußwege 241, das heißt wenn die Kammer 211 direkt der Gasdiffusionsschicht 230 gegenüberliegt, wird das an der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 eingeführte Anodenfluid längs der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt. Wenn das Anodenfluid auf diese Weise in der Richtung der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, erfolgt die Stromerzeugung nur an den Stellen, zu denen das Anodenfluid auch hinkommt. In einem Bereich längs der Seite, an der das Anodenfluid zugeführt wird, ist der Partialdruck des Verunreinigungsgases jedoch so hoch, daß im wesentlichen keine Stromerzeugung stattfindet. Das heißt, daß, wenn das Anodenfluid längs der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, nicht die gesamte Oberfläche des Anodenkatalysators 202 wirksam genutzt werden kann, so daß das Ausmaß der Stromerzeugung abnimmt. Mit den Anodenfluid-Flußwegen 241 der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch das Anodenfluid so zugeführt werden, daß es gegen die Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geblasen wird, wodurch das Anodenfluid gleichmäßig der ganzen Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt werden kann. Die Stromerzeugung erfolgt somit an der ganzen Oberfläche des Anodenkatalysators 202, und das Ausmaß der Stromerzeugung und insbesondere die Anfangsspannung sind hoch.
Bei der Brennstoffzelle 200 gelangt auch während der Stromerzeugung ein Verunreinigungsgas wie der Stickstoff der Luft in den Anodenkatalysator 202 (die Gasdiffusionsschicht 230). Ohne Anodenfluid-Flußweg 241 kann daher die Stromerzeugung nicht über eine lange Zeit aufrecht erhalten werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch das Anodenfluid durch die Anodenfluid-Flußwege 241 zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geführt. Dadurch wird das Anodenfluid der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 kontinuierlich zugeführt, und es wird das Verunreinigungsgas konstant von der der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt, so daß über lange Zeiträume eine Stromerzeugung möglich ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform stehen die Öffnungen der Anodenfluid-Flußwege 241 direkt mit der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt, die dem Zuführelement 240 zugewandt ist, wodurch dem Anodenkatalysator 202 konstant das Anodenfluid in hoher Konzentration zugeführt werden kann. Wenn es zwischen den Öffnungen der Anodenfluid-Flußwege 241 und der Gasdiffusionsschicht 230 einen freien Raum gibt, füllt das vom Anodenfluid verdrängte Verunreinigungsgas diesen Raum, mit dem Ergebnis, daß sowohl das durch die Anodenfluid-Flußwege 241 zugeführte Anodenfluid als auch das den freien Raum füllende Verunreinigungsgas dem Anodenkatalysator 202 zugeführt werden. Deshalb stehen die Öffnungen der Anodenfluid-Flußwege 241 direkt mit der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt, damit das Anodenfluid direkt in die Gasdiffusionsschicht 230 strömt. Es wird dabei kaum noch Verunreinigungsgas mit zu dem Anodenkatalysator 202 befördert, so daß dem Anodenkatalysator 202 das Anodenfluid in hoher Konzentration zugeführt wird. Mit dieser Zuführung des Anodenfluids in hoher Konzentration zu dem Anodenkatalysator 202 wird verhindert, daß die Wirksamkeit der Stromerzeugung (das Ausmaß der Stromerzeugung) abnimmt.
Ausführungsform 2:
Die 5 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile einer Brennstoffzelle bei einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Gleiche Elemente wie bei der Ausführungsform 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und doppelte Erläuterungen werden vermieden.
Wie in der 5 gezeigt, umfaßt die Brennstoffzelle 200A der Ausführungsform 2 die MEA 204, das Anodenelement 210, das Kathodenelement (nicht gezeigt), die Gasdiffusionsschicht 230 und ein Zuführelement 240A.
Die Oberfläche des Zuführelements 240A ist auf der der Gasdiffusionsschicht 230 zugewandten Seite mit vorstehenden Abschnitten 242 versehen, die zur Gasdiffusionsschicht 230 hin vorstehen und innerhalb denen jeweils ein Anodenfluid-Flußweg 241 ausgebildet ist. Das heißt, daß der vorstehende Abschnitt 242 eine zylindrische, düsenartige Form hat, innerhalb der der Anodenfluid-Flußweg 241 ausgebildet ist. Die Form des vorstehenden Abschnitts 242 ist nicht auf die zylindrische Form beschränkt, es kann auch eine prismatische Form oder eine konische Form sein, die zur Gasdiffusionsschicht 230 hin zugespitzt ist. Zum Beispiel kann der vorstehende Abschnitt 242 eine konische Form haben, die zur Gasdiffusionsschicht 230 hin spitz zuläuft, wodurch das Volumen des Raumes zwischen benachbarten vorstehenden Abschnitten 242 größer ist als das Volumen des Raums zwischen benachbarten zylindrischen vorstehenden Abschnitten 242, wobei auch die Menge an Verunreinigungsgas größer ist, die in diesem Raum gespeichert werden kann, so daß es möglich wird, eine Stromerzeugung über eine lange Zeit aufrecht zu erhalten. Die Einzelheiten dieses Vorgangs werden später noch beschrieben.
Die vorstehende, vordere Endfläche des vorstehenden Abschnitts 242 steht mit der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt, und zwischen dem Zuführelement 240A und der Gasdiffusionsschicht 230 wird in dem Bereich des Zuführelements 240A außerhalb des vorstehenden Abschnitts 242 ein freier Raum 243 ausgebildet.
Bei der beschriebenen Brennstoffzelle 200A wird das Anodenfluid wie bei der Ausführungsform 1 durch die Anodenfluid-Flußwege 241 zur Oberfläche des Anodenkatalysators 202 geführt. Ein Verunreinigungsgas wie Stickstoff wird dabei verdrängt, so daß das Ausmaß der anfänglichen Stromerzeugung groß ist und die Stromerzeugung über eine lange Zeit aufrecht erhalten werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist darüberhinaus zwischen der Gasdiffusionsschicht 230 und dem Zuführelement 240A in dem Bereich des Zuführelements 240A außerhalb des vorstehenden Abschnitts 242 der Raum 243 ausgebildet. Durch diesen Aufbau kann ein Verunreinigungsgas wie Stickstoff, das von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt wurde, im Bereich A' gespeichert werden, der diesen Raum 243 beinhaltet. Das Verunreinigungsgas an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 läßt sich daher leicht in den Bereich A' verdrängen. Darüberhinaus kann das verdrängte Verunreinigungsgas in dem relativ großen Bereich A' gespeichert werden, so daß eine Stromerzeugung über einen noch längeren Zeitraum möglich ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform steht die vordere Endfläche des vorstehenden Abschnitts 242 mit der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 230 in Kontakt. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar, und der vordere Endabschnitt des vorstehenden Abschnitts 242 kann zum Beispiel auch in die Gasdiffusionsschicht 230 eingebettet sein. Ein Beispiel dafür ist in der 6 dargestellt. Die 6 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen bei einer Modifikation der Brennstoffzelle nach der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
Wie in der 6 gezeigt, ist an der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 230A, die dem Zuführelement 240A zugewandt ist, jeweils an der Stelle, die dem vorstehenden Abschnitt 242 des Zuführelements 240A gegenüberliegt, eine Vertiefung 231 ausgebildet. Der vorstehende Abschnitt 242 ist paßgenau in die Vertiefung 231 eingesetzt, wodurch der vordere Endabschnitt des vorstehenden Abschnitts 242 in die Gasdiffusionsschicht 230A eingebettet ist. Mit dieser Ausgestaltung werden die gleichen Ergebnisse erhalten wie bei der Ausführungsform 2.
Wenn der vorstehende Abschnitt 242 in die Gasdiffusionsschicht 230A eingebettet ist, ist es zum Beispiel möglich, den Raum 243 zwischen dem Zuführelement 240A und der Gasdiffusionsschicht 230A in dem Bereich des Zuführelements 240A außerhalb des vorstehenden Abschnitts 242 nicht auszubilden. Das heißt es ist möglich, die ganze Oberfläche des Zuführelements 240A, die der Gasdiffusionsschicht 230A zugewandt ist, mit der Gasdiffusionsschicht 230A in Kontakt zu bringen. Auch in diesem Fall werden die gleichen Ergebnisse erhalten wie bei der Ausführungsform 1.
Weitere Ausführungsformen
Oben wurden einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die grundlegenden Merkmale der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf die dabei genannten Merkmale beschränkt.
Zum Beispiel ist bei der Ausführungsform 1 und bei der Ausführungsform 2 im Zuführelement 240, 240A eine Anzahl von Anodenfluid-Flußwegen 241 mit jeweils der gleichen Öffnungsfläche vorgesehen. Dies unterliegt jedoch keiner Einschränkung, und es kann zum Beispiel der Druckverlust in jedem der Anodenfluid-Flußwege 241 entsprechend der Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 geändert werden. Ein konkretes Beispiel ist in der 7 gezeigt. Die 7 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform 1, die Ausgestaltung der 7 kann jedoch auch bei der Ausführungsform 2 verwendet werden. Wie in der 7 gezeigt, haben von der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege 241 diejenigen Anodenfluid-Flußwege 241 in einer kleineren Entfernung (Abstand L₁) von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A, die durch eine Projektion der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 erhalten wird) eine kleinere Querschnittfläche, um einen größeren Druckverlust aufzuweisen, während die Anodenfluid-Flußwege 241 in einer größeren Entfernung (Abstand L₆) von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 eine größere Querschnittfläche haben, um einen kleineren Druckverlust aufzuweisen. Es sei ein Anodenfluid-Flußweg 241 in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der erste Anodenfluid-Flußweg und ein Anodenfluid-Flußweg 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der zweite Anodenfluid-Flußweg. In diesem Fall ist der Druckverlust im ersten Anodenfluid-Flußweg größer als der Druckverlust im zweiten Anodenfluid-Flußweg.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 in der Bodenfläche der Kammer 211 außerhalb der Reihen der nebeneinanderliegenden Anodenfluid-Flußwege 241 ausgebildet. Die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 kann jedoch auch auf halber Strecke der Reihen der nebeneinanderliegenden Anodenfluid-Flußwege 241 angeordnet sein. Die Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zu den einzelnen Anodenfluid-Flußwegen 241 kann immer unter der Voraussetzung bestimmt werden, daß die Position der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 die Position der projizierten Öffnung 212A ist, die durch eine Projektion der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 auf das Zuführelement 240 erhalten wird.
Wie angegeben wird die Öffnungsfläche (die Querschnittfläche) des Anodenfluid-Flußweges 241 auf der Basis der Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 variiert, wodurch der Druckverlust im jeweiligen Anodenfluid-Flußweg 241 auf der Basis der Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 verändert wird. Bei einer kleinen Öffnungsfläche des Anodenfluid-Flußwegs 241 ist der Druckverlust im Anodenfluid-Flußweg 241 groß, und bei einer großen Öffnungsfläche des Anodenfluid-Flußwegs 241 ist der Druckverlust im Anodenfluid-Flußweg 241 klein. Bei einer kleinen Entfernung des Anodenfluid-Flußwegs 241 von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 ist der Weg von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zum Anodenfluid-Flußweg 241 in der Kammer 211 kurz und daher der Druckverlust des Anodenfluids auf diesem Weg in der Kammer 211 klein. Je länger der Weg ist, den das Anodenfluid auf seinem Weg durch die Kammer 211 von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 bis zur Einführung in den Anodenfluid-Flußweg 241 zurücklegt, um so größer wird der Druckverlust. Der unterschiedliche Druckverlust des Anodenfluids auf dem Weg durch die Kammer 211 wird durch die Änderung des Druckverlustes im Anodenfluid-Flußweg 241 ausgeglichen, wodurch der Druck des durch die einzelnen Anodenfluid-Flußwege 241 zugeführten Anodenfluids gleichmäßig wird. Durch die beschriebene Maßnahme wird somit das Anodenfluid gleichmäßig der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt, so daß in der Ebene des Anodenkatalysators 202 eine gleichmäßige Stromerzeugung erfolgt und der Wirkungsgrad der Stromerzeugung (d. h. die Stromausbeute) insgesamt größer wird.
Bei dem in der 7 gezeigten Beispiel ist die Durchflußrate des an jedem Anodenfluid-Flußweg 241 zugeführten Anodenfluids gleichmäßig. Mit zunehmender Entfernung des Anodenfluid-Flußwegs 241 von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A, die durch eine Projektion der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 erhalten wird) ändert sich jedoch die Bohrung für den Anodenfluid-Flußweg 241 derart, daß sich die Fließgeschwindigkeit des aus dem Anodenfluid-Flußweg 241 ausströmenden Anodenfluids ändert. Wenn sich die Fließgeschwindigkeit des aus dem Anodenfluid-Flußweg 241 ausströmenden Anodenfluids auf diese Weise ändert, ändert sich entsprechend der Verteilung der Fließgeschwindigkeiten auch der Bereich, über den das Anodenfluid jeweils verteilt wird. Im Ergebnis tritt eine Ungleichmäßigkeit der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene auf, wodurch möglicherweise die Stromausbeute kleiner wird. Bei den Anodenfluid-Flußwegen 241 wird daher der Abstand zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen 241 mit zunehmender Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 allmählich immer kleiner. Dadurch wird die Ungleichmäßigkeit in der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene ausgeglichen. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in den 8 und 9 gezeigt. Die 8 ist eine Aufsicht auf die wesentlichen Teile einer Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 9 ist eine Schnittansicht der wesentlichen Teile der 8.
Wie in den 8 und 9 gezeigt, ist bei den Anodenfluid-Flußwegen 241, die wie in der 7 unterschiedliche Öffnungsflächen aufweisen, der Abstand (zum Beispiel der Abstand d₅) zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A) kleiner als der Abstand (zum Beispiel der Abstand d₁) zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen 241 in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 (der projizierten Öffnung 212A). Durch diese Ausgestaltung verringert sich die Fließgeschwindigkeit von der Seite, auf der der Abstand zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen 241 groß ist (d. h. der Seite mit dem Abstand d₁) zu der Seite hin, auf der der Abstand zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen 241 klein ist (d. h. der Seite mit dem Abstand d₅). Auch wenn der Bereich, über den sich das ausströmende Anodenfluid verteilt, allmählich kleiner wird, wird dadurch die Ungleichmäßigkeit in der Verteilung des Anodenfluids in der Ebene geringer. Die Durchflußrate und die Fließgeschwindigkeit des aus den einzelnen Anodenfluid-Flußwegen 241 ausströmenden Anodenfluids wird dadurch gleichmäßig, und das an der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 befindliche Verunreinigungsgas (Stickstoff) wird gleichmäßig von der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verdrängt, so daß die Stromerzeugung mit hoher Wirksamkeit erfolgt. In diesem Zusammenhang werde einmal angenommen, daß die Abstände zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen alle gleich groß sind. Wenn in diesem Fall ein Anodenfluid-Flußweg 241 in einer kleinen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als erster Anodenfluid-Flußweg genommen wird und ein Anodenfluid-Flußweg 241 in einer großen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als zweiter Anodenfluid-Flußweg, ist die Fließgeschwindigkeit des am zweiten Anodenfluid-Flußweg ausströmenden Anodenfluids kleiner als die Fließgeschwindigkeit des am ersten Anodenfluid-Flußweg ausströmenden Anodenfluids. Dabei ist der Bereich, über den das mit einer kleineren Fließgeschwindigkeit aus dem zweiten Anodenfluid-Flußweg ausströmende Anodenfluid das Verunreinigungsgas verdrängt und sich auf der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verteilt, kleiner als der Bereich, über den sich das mit einer größeren Fließgeschwindigkeit aus dem ersten Anodenfluid-Flußweg ausströmende Anodenfluid auf der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 verteilt. Folglich tritt eine Ungleichmäßigkeit in der Verteilung oder der Konzentration auf, mit der das Anodenfluid in der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, mit der Möglichkeit des Auftretens von Fehlern wie einem Nichtverdrängen des Verunreinigungsgases oder einer Abnahme der Stromausbeute.
Bei dem den 8 und 9 gezeigte Beispiel ist die Ungleichmäßigkeit der Verteilung in der Ebene des aus der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege 241 ausströmenden Anodenfluids geringer. Die Verteilung oder Konzentration, mit der das Anodenfluid in der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt wird, ist damit gleichmäßiger, so daß die Stromausbeute am Anodenkatalysator 202 größer ist und für lange Zeiträume eine hohe Stromerzeugung aufrecht erhalten werden kann. Bei dem Beispiel der 8 und 9 werden als Abstände d₁ bis d₅ zwischen den Anodenfluid-Flußwegen die Abstände zwischen den Mittelpunkten von benachbarten Anodenfluid-Flußwegen 241 genommen. Dies ist jedoch keine Einschränkung, und für die Abstände zwischen den Anodenfluid-Flußwegen können auch die Abstände zwischen den Rändern der Öffnungen der Anodenfluid-Flußwege 241 genommen werden.
Darüberhinaus ist es möglich, in der Kammer 211 Führungswege auszubilden, die jeweils eine Verbindung zwischen der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 und den Anodenfluid-Flußwegen 241 herstellen, und den Druckverlust in diesem Führungsweg zu ändern, ohne den Druckverlust in den Anodenfluid-Flußwegen 241 zu verändern. Ein Beispiel dafür ist in der 10 gezeigt.
Wie in der 10 gezeigt, sind in der Kammer 211 Führungswege 213 ausgebildet, die jeweils eine Verbindung zwischen der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 und den einzelnen Anodenfluid-Flußwegen 241 herstellen. Die Führungswege 213 sind so ausgestaltet, daß ein Führungsweg 213, der die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 mit einem Anodenfluid-Flußweg 241 in einer geringen Entfernung davon verbindet, eine kleinere Breite (Querschnittfläche) hat, um einen größeren Druckverlust aufzuweisen, und daß ein Führungsweg 213, der die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 mit einem Anodenfluid-Flußweg 241 in einer größeren Entfernung davon verbindet, eine größere Breite (Querschnittfläche) hat, um einen kleineren Druckverlust aufzuweisen. Das heißt, daß, wenn ein Anodenfluid-Flußweg 241 in einer kleinen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als erster Anodenfluid-Flußweg bezeichnet wird und ein Anodenfluid-Flußweg 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 als zweiter Anodenfluid-Flußweg, der Druckverlust im ersten Führungsweg von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zum ersten Anodenfluid-Flußweg größer ist als der Druckverlust im zweiten Führungsweg von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 zum zweiten Anodenfluid-Flußweg. Durch diese Ausgestaltung wird der Druck des an den einzelnen Anodenfluid-Flußwegen 241 zugeführten Anodenfluids gleichmäßig groß. Das Anodenfluid kann daher gleichmäßig der Oberfläche des Anodenkatalysators 202 zugeführt werden, um in der Ebene des Anodenkatalysators 202 eine gleichmäßige Stromerzeugung sicherzustellen und die Stromausbeute zu erhöhen.
Bei dem Zuführelement 240A mit dem vorstehenden Abschnitt 242 der Ausführungsform 2 und mit einer Anzahl von Anodenfluid-Flußwegen 241 kann der vorstehende Abschnitt 242 eines Anodenfluid-Flußwegs 241 in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 242 weiter vorstehen als der vorstehende Abschnitt 242 eines Anodenfluid-Flußwegs 241 in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212, der weniger weit vorsteht. Wenn ein vorstehender Abschnitt 242 in einer kleinen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der erste vorstehende Abschnitt ist und ein vorstehender Abschnitt in einer großen Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 der zweite vorstehende Abschnitt, ist das Ausmaß, um das der erste vorstehende Abschnitt vorsteht, größer als das Ausmaß, um das der zweite vorstehende Abschnitt vorsteht. In diesem Fall ist es günstig, wenn das vordere Ende des vorstehenden Abschnitts 242 in die Gasdiffusionsschicht 230A eingebettet ist, so daß die Öffnung des Anodenfluid-Flußweges 241 in den einzelnen vorstehenden Abschnitten 242 mit der Gasdiffusionsschicht 230A in Kontakt steht. Durch die Änderung des Ausmaßes, um das die vorstehenden Abschnitte 242 vorstehen, wird der Druckverlust in den Anodenfluid-Flußwegen 241 in der Nähe der Anodenfluid-Einführungsöffnung 241 größer, während der Druckverlust in den Anodenfluid-Flußwegen 241, die von der Anodenfluid-Einführungsöffnung 241 weiter weg sind, kleiner wird. Im Ergebnis wird der Druck, mit dem das Anodenfluid an den einzelnen Anodenfluid-Flußwegen 241 zugeführt wird, unabhängig von der Entfernung von der Aodenfluid-Einführungsöffnung 212 gleichmäßig groß. Folglich wird das Ausmaß der Stromerzeugung in der Ebene des Anodenkatalysators 202 gleichmäßiger, und die Stromausbeute wird erhöht.
In dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, das von dem aus den Anodenfluid-Flußwegen 241 ausströmenden Anodenfluid verdrängt wird, kann eine Entfernungseinrichtung zum Abführen des Gases aus diesem Bereich zur Außenseite vorgesehen sein. Ein Beispiel dafür ist in der 12 gezeigt. Die 12 zeigt eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen einer Brennstoffzelle, die eine Modifikation der oben beschriebenen Ausführungsform 2 ist.
Wie in der 12 gezeigt, ist ein Ende eines herausführenden Wegs 250, der mit dem Raum 243 in Verbindung steht, der der Bereich ist, in dem das vom Anodenfluid verdrängte Gas gespeichert wird, mit dem Zuführelement 240A verbunden, und das andere Ende des herausführenden Wegs 250 ist mit einer Speichereinrichtung 251 verbunden. Die Speichereinrichtung 251 ist ein Raum für die Aufnahme des Verunreinigungsgases, etwa von Stickstoff, aus dem Raum 243, und dient als Pufferspeicher für die Abgabe des im Raum 243, der über den herausführenden Weg 250 angeschlossen ist, gespeicherten Gases nach außen. Die Speichereinrichtung 251 ist zum Beispiel ein hohles Element mit einem dicht abgeschlossenen Innenraum. Durch das Vorsehen der Speichereinrichtung 251 aus dem hohlen Element wird der Druck in der Speichereinrichtung 251 vergleichbar mit dem Druck in der Brennstoffzelle (der Kammer 211), wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist. Wenn das Anodenfluid aus dem Anodenfluid-Flußweg 241 herausströmt, wird das von dem herausströmenden Anodenfluid in den Raum 243 verdrängte Verunreinigungsgas unter dem Einführungsdruck des Anodenfluids über den herausführenden Weg 250 in die einen Puffer darstellende Speichereinrichtung 251 befördert. Durch das Abführen des Verunreinigungsgases aus dem Raum 243 in die einen Puffer darstellende Speichereinrichtung 251 gleicht sich der Druck im Raum 243 und der Druck in der Speichereinrichtung 251 aus. Wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, ist der Druckausgleich zwischen dem Inneren des Raums 243 und dem Inneren der Speichereinrichtung 251 gestört, und das Verunreinigungsgas in der Speichereinrichtung 251 kehrt in den Raum 243 zurückt. Auf diese Weise wird das Verunreinigungsgas im Raum 243 im Betrieb der Brennstoffzelle gepuffert zur Außenseite der Brennstoffzelle abgeführt, wodurch das Ausmaß der Stromerzeugung (insbesondere die Anfangsspannung) erhöht werden kann und die Stromerzeugung über eine lange Zeit aufrecht erhalten werden kann.
Als Beispiel für die Speichereinrichtung 251 wurde das hohle Element genannt, dies stellt jedoch keine Einschränkung dar. Zum Beispiel kann in der Speichereinrichtung 251 auch ein Adsorbens zum Adsorbieren des Gases vorgesehen sein. Als Adsorbens kann Aktivkohle, Zeolith und dergleichen verwendet werden, wenn das zu adsorbierende Gas Stickstoff ist.
Im herausführenden Weg 250 der 12 kann ein Ruckschlagventil vorgesehen werden, wie es beispielhaft in der 13 gezeigt ist. Wie in der 13 gezeigt, ist etwa halbwegs im herausführenden Weg 250, das heißt zwischen dem Zuführelement 240 und der Speichereinrichtung 251, ein Rückschlagventil 252 angeordnet. Das Rückschlagventil 252 ist so angeordnet, daß es den Fluß des Gases aus dem Raum 243, in dem das Gas gespeichert ist, zur Speichereinrichtung 251 (zum Puffer) erlaubt und den Fluß des Gases in der umgekehrten Richtung verhindert. Durch das Vorsehen des herausführenden Wegs 250 mit dem Rückschlagventil 252 kann das in der Speichereinrichtung 251 gespeicherte Gas nicht zurück in den Raum 243 fließen, so daß auch dann, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, das in der Speichereinrichtung 251 gespeicherte Gas nicht in den Raum 243 zurückkehrt. Die 13 zeigt eine Modifikation der oben beschriebenen Ausführungsform 2, was jedoch keine Einschränkung darstellt. So kann auch die Ausgestaltung nach der Ausführungsform 1 ohne den Raum 243 und sogar eine der in den 7 bis 11 gezeigten Ausgestaltungen die gleiche Wirkung zeigen, wenn sie mit einer Entfernungseinrichtung zum Entfernen des Gases aus dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, ausgestattet wird.
Darüberhinaus kann ein Adsorbens in dem Bereich vorgesehen werden, in dem das durch die Zuführung des Anodenfluids verdrängte Gas gespeichert wird. Ein Beispiel dafür ist in der 14 gezeigt. Die 14 ist eine Schnittansicht von wesentlichen Teilen, die eine Modifikation der Ausführungsform 2 zeigt.
Wie in der 14 gezeigt, ist das Zuführelement 240A in dem Raum 243, dem Bereich, in dem das durch die Zuführung des Anodenfluids verdrängte Gas gespeichert wird, mit einem Adsorbens 260 versehen. Als Adsorbens 260 kann Aktivkohle, Zeolith und dergleichen verwendet werden, wenn das zu adsorbierende Gas Stickstoff ist. Das Adsorbens ist darauf jedoch nicht beschränkt, das Material dafür kann in Abhängigkeit von dem Gas, das adsorbiert werden soll, geeignet ausgewählt werden.
Mit dieser Ausgestaltung kann das in den Raum 243 verdrängte Gas vom Adsorbens 260 adsorbiert werden, und aus der Brennstoffzelle wird überschüssiges Gas entfernt, so daß das Ausmaß der Stromerzeugung (insbesondere die Anfangsspannung) angehoben wird und die Stromerzeugung für eine lange Zeit aufrecht erhalten werden kann. Das Adsorbens 260 kann natürlich auch bei der Ausführungsform 1 angewendet werden.
Es können auch zwei oder mehr der Konfigurationen der 7 bis 14 kombiniert werden.
In den obigen Ausführungsformen ist das Zuführelement 240, 240A ein vom Anodenelement 210 unabhängiges Element. Diese Elemente können jedoch auch als ein einheitliches Element ausgebildet werden. Auch kann das Zuführelement 240, 240A ein Element sein, bei dem jeweils nur der Bereich mit einem Anodenfluid-Flußweg 241 ein Zuführelement ist. Das heißt, daß ein den Zuführelementen 240, 240A der Ausführungsformen 1 und 2 entsprechendes Element aus einem Basiselement mit einem plattenförmigen Element und einer Anzahl von Zuführelementen bestehen kann, die am Basiselement befestigt sind und in denen jeweils einzeln Anodenfluid-Flußwege vorgesehen sind.
Bei den obigen Ausführungsformen wurde die Gasdiffusionsschicht 230 nur auf der Seite des Anodenkatalysators 202 vorgesehen. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar, und es kann zum Beispiel auch auf der Seite des Kathodenkatalysators 203 eine mit der Gasdiffusionsschicht 230 auf der Seite des Anodenkatalysators vergleichbare Gasdiffusionsschicht vorgesehen werden.
Die beschriebene Brennstoffzelle 200, 200A kann zum Beispiel für die einzelnen Zellen eines Zellenstapels verwendet werden. Das heißt, daß durch Aufeinanderstapeln einer Anzahl der Brennstoffzellen 200, 200A ein Zellenstapel ausgebildet werden kann.
Beispiel:
Die in der 5 gezeigte Brennstoffzelle der Ausführungsform 2 wurde als Brennstoffzelle für ein Beispiel ausgewählt.
Vergleichsbeispiel:
Als Brennstoffzelle für ein Vergleichsbeispiel wurde eine Brennstoffzelle herangezogen, die kein Zuführelement 240, 240A enthielt und bei der die Gasdiffusionsschicht 230 direkt in der Kammer 211 angeordnet war.
Testdurchführung:
Im Ausgangszustand wurde Stickstoff in der Anode der Brennstoffzelle des Beispiels und des Vergleichsbeispiels mit 100 kPa (entsprechend dem Atmosphärendruck) eingeschlossen. Die Kathodenfluid-Einführungsöffnung 222 war für die Atmosphäre offen, so daß auf die natürliche Weise Luft in den Kathodenfluid-Flußweg 221 eingeführt wurde.
Dann wurde in Beispiel und im Vergleichsbeispiel durch die Anodenfluid-Einführungsöffnung 212 reiner Wasserstoff mit einem Partialdruck von 30 kPa eingeführt und der elektrische Strom auf einen konstanten Wert eingestellt, um die Eigenschaften der Stromerzeugung für das Beispiel und das Vergleichsbeispiel zu messen. Die Ergebnisse sind in der 15 dargestellt. Bei dem vorliegenden Test wurde die Spannung (V) und die Stromerzeugungszeit (h) gemessen.
Wie in der 15 gezeigt, war die Anfangsspannung bei der Brennstoffzelle des Beispiels etwa um den Faktor 1,5 größer als die Anfangsspannung bei der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels.
Mit der Brennstoffzelle des Beispiels konnte darüberhinaus für wenigstens 45 Minuten stabil und kontinuierlich Strom erzeugt werden. Bei der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels endete die Stromerzeugung dagegen bereits nach 4 Sekunden.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die Brennstoffzelle des Beispiels eine Leistungsfähigkeit hatte, die für das Ausmaß der Stromerzeugung (in Wh) um einen Faktor 920 und mehr besser war als die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Die vorliegende Erfindung kann auf dem industriellen Gebiet der Brennstoffzellen verwendet werden. Durch die Erfindung wird die Konzentrationsverteilung des Anodenfluids in der Ebene der Oberfläche des Anodenkatalysators vergleichmäßigt und dadurch das Ausmaß der Stromerzeugung erhöht und die Stromerzeugung für eine lange Zeit sichergestellt.
Bezugszeichenliste

A, A': Bereich
1: Brennstoffzellensystem
100: Brennstoff-Zuführeinrichtung
200: Brennstoffzelle
201: feste Polymerelektrolytmembran (Elektrolytmembran)
202: Anodenkatalysator
203: Kathodenkatalysator
210: Anodenelement
220: Kathodenelement
230, 230A: Gasdiffusionsschicht
240, 240A: Zuführelement
241: Anodenfluid-Flußweg
242: vorstehender Abschnitt
250: herausführender Weg
251: Speichereinrichtung
252: Rückschlagventil
260: Adsorbens
300: Steuerschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004-193107 A [0007]

Claims

Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung mit einer Elektrolytmembran und einem Anodenkatalysator; mit einem Zuführelement zum Zuführen eines Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung; und mit einer Gasdiffusionsschicht zwischen dem Zuführelement und der Membranelektrodenanordnung, wobei das Zuführelement einen Anodenfluid-Flußweg zum Zuführen des Anodenfluids zu der Membranelektrodenanordnung aufweist, wobei die Öffnung des Anodenfluid-Flußwegs an der Abgabeseite für das Anodenfluid mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, und wobei auf der Seite der Gasdiffusionsschicht, die dem Zuführelement zugewandt ist, ein Bereich zum Speichern eines Gases vorgesehen ist, das durch die Zufuhr des Anodenfluids verdrängt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Zuführelement einen vorstehenden Abschnitt aufweist, der zur Gasdiffusionsschicht hin vorsteht und in dem der Anodenfluid-Flußweg ausgebildet ist, wobei die vordere Endfläche des vorstehenden Abschnitts mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der vorstehende Abschnitt eine konische Form hat, deren Spitze zur Membranelektrodenanordnung hin zeigt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anodenfluid-Flußweg eine konische Form hat, deren Spitze zur Membranelektrodenanordnung hin zeigt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem einen Zuführelement eine Anzahl von Anodenfluid-Flußwegen ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem einen Zuführelement eine Anzahl von Anodenfluid-Flußwegen ausgebildet ist, auf der Seite, die der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzt ist, eine Kammer vorgesehen ist, die mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung steht, wobei das Anodenfluid durch eine Anodenfluid-Einführungsöffnung in die Kammer eingeführt wird, das Zuführelement einen vorstehenden Abschnitt aufweist, der zur Gasdiffusionsschicht hin vorsteht und in dem der Anodenfluid-Flußweg ausgebildet ist, wobei der vorstehende Abschnitt einen ersten vorstehenden Abschnitt und einen zweiten vorstehenden Abschnitt umfaßt, sich der zweite vorstehende Abschnitt in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung befindet als der erste vorstehende Abschnitt und das Ausmaß des Vorstehens des ersten vorstehenden Abschnitts größer ist als das Ausmaß des Vorstehens des zweiten vorstehenden Abschnitts, und wobei die vordere Endfläche des vorstehenden Abschnitts mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit des weiteren einer Kammer, die mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung steht, auf der Seite, die der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzt ist, und mit einer Anodenfluid-Einführungsöffnung zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer, wobei der Druckverlust im Anodenfluid-Flußweg größer ist als der Druckverlust im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung zu jedem der Anodenfluid-Flußwege.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, mit des weiteren einer Kammer, die mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung steht, auf der Seite, die der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzt ist, und mit einer Anodenfluid-Einführungsöffnung zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer, wobei die Anzahl der Anodenfluid-Flußwege einen ersten Anodenfluid-Flußweg und einen zweiten Anodenfluid-Flußweg umfaßt, wobei die Entfernung des zweiten Anodenfluid-Flußwegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung größer ist als die Entfernung des ersten Anodenfluid-Flußwegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung, und wobei der Druckverlust im ersten Anodenfluid-Flußweg größer ist als der Druckverlust im zweiten Anodenfluid-Flußweg.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, mit des weiteren einer Kammer, die mit der Anzahl der Anodenfluid-Flußwege in Verbindung steht, auf der Seite, die der Gasdiffusionsschicht entgegengesetzt ist, und mit einer Anodenfluid-Einführungsöffnung zum Einführen des Anodenfluids in die Kammer, wobei die Anzahl der Anodenfluid-Flußwege einen ersten Anodenfluid-Flußweg und einen zweiten Anodenfluid-Flußweg umfaßt, wobei die Entfernung des zweiten Anodenfluid-Flußwegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung größer ist als die Entfernung des ersten Anodenfluid-Flußwegs von der Anodenfluid-Einführungsöffnung, und wobei der Druckverlust in einem ersten Führungsweg in der Kammer im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung zum ersten Anodenfluid-Flußweg größer ist als der Druckverlust in einem zweiten Führungsweg im Bereich von der Anodenfluid-Einführungsöffnung zum zweiten Anodenfluid-Flußweg.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Abstände zwischen benachbarten Anodenfluid-Flußwegen in der Anzahl von Anodenfluid-Flußwegen des Zuführelements von den Anodenfluid-Flußwegen in einer kleineren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung zu den Anodenfluid-Flußwegen in einer größeren Entfernung von der Anodenfluid-Einführungsöffnung allmählich abnehmen.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit des weiteren einer Entfernungsvorrichtung zum Entfernen von Gas aus dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, das vom Anodenfluid verdrängt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Entfernungsvorrichtung ein herausführender Weg ist, der mit dem Bereich in Verbindung steht, in dem das Gas gespeichert wird, das durch die Zufuhr des Anodenfluids verdrängt wird, um das Gas gepuffert abzuführen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei der herausführende Weg mit einem Rückschlagventil versehen ist, das einen Fluß des Gases aus dem Bereich, in dem das Gas gespeichert wird, zum Puffer erlaubt und einen Fluß des Gases in der umgekehrten Richtung verhindert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Entfernungsvorrichtung ein Adsorbens ist, das in dem Bereich angeordnet ist, in dem das Gas gespeichert wird, das vom Anodenfluid verdrängt wird.
Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, und mit einer Brennstoff-Zuführeinrichtung zum Zuführen des Anodenfluids zu der Brennstoffzelle.