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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel,
der durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildet wird,
von denen jede eine Elektrolyt-Elektrode-Anordnung und ein Paar
von Trenneinheiten zum schichtweisen Anordnen der Elektrolyt-Elektrode-Anordnung
einschließt.
Die Elektrolyt-Elektrode-Anordnung
schließt ein
Paar von Elektroden und einen zwischen den Elektroden angeordneten
Elektrolyten ein.
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Im
Allgemeinen verwendet eine Feststoffpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
eine Membran-Elektrode-Anordnung (MEA), welche zwei Elektroden (Anode
und Kathode) und eine zwischen den Elektroden angeordnete Elektrolytmembran
umfasst. Die Elektrolytmembran ist eine Polymer-Ionenaustauschmembran.
Die Membran-Elektrode-Anordnung ist zwischen Trenneinheiten angeordnet.
Die Membran-Elektrode-Anordnung und die Trenneinheiten bilden eine
Einheit der Brennstoffzelle zum Generieren von Elektrizität. Eine
vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellen ist aneinander gestapelt,
um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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In
der Brennstoffzelle wird der Anode ein Brennstoffgas zugeführt, wie
beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas. Der Katalysator der
Anode induziert eine chemische Reaktion des Brennstoffgases, um
die Wasserstoffmoleküle
in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen zu teilen. Die Wasserstoffionen
bewegen sich durch den Elektrolyten in Richtung der Kathode, und
die Elektronen fließen
durch einen äußeren Kreis
zur Kathode, wobei sie einen elektrischen Gleichstrom erzeugen.
Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Gas oder Luft zugeführt. Bei
der Kathode verbinden sich die Wasserstoffionen von der Anode mit
den Elektronen und dem Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.
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Aufgrund
der Wärmeabstrahlung
nach außen
kühlen
einige der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel im Vergleich
mit den anderen Brennstoffzellen leicht ab. Beispielsweise strahlen
an gegenüberliegenden
Enden des Brennstoffzellenstapels vorgesehene Brennstoffzellen (Endzellen)
Wärme nach außen ab,
und zwar durch Anschlussplatten zum Sammeln von in den Brennstoffzellen
generierter elektrischer Energie und durch Endplatten zum Befestigen
der Brennstoffzellen. Die Temperatur der Endzellen wird voraussichtlich übermäßig abgesenkt.
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Aufgrund
des Temperaturabfalls kann der Wasserdampf bei den Endzellen im
Vergleich mit in der Stapelrichtung in der Mitte des Brennstoffzellenstapels
vorgesehenen Brennstoffzellen leicht zu flüssigem Wasser kondensieren.
Es ist möglich,
dass das durch die Reaktion im Brennstoffzellenstapel erzeugte Wasser
nicht reibungslos aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen werden
kann. Dadurch ist es möglich,
dass das gewünschte
Betriebsverhalten des Generierens von Leistung nicht erreicht werden
kann. Insbesondere wird dann, wenn in Nachbarschaft der Anschlussplatte
ein Kühlmittelströmungsfeld
zum Zuführen
eines Kühlmittels
zum Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, und falls der Betrieb
des Brennstoffzellenstapels bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt
aufgenommen wird, die in den Endzellen generierte Wärmeenergie
durch das Kühlmittel
absorbiert und zur Anschlussplatte übertragen. Dadurch wird die
Endzelle nicht wirksam aufgewärmt.
Infolgedessen kann ein unerwünschter
Spannungsabfall auftreten.
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In
einem Versuch, das Problem anzugehen, offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
8-130028 eine Feststoffpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, in welcher
an gegenüberliegenden
Enden des Brennstoffzellenstapels vorgesehene Trenneinheiten von
Endzellen keinerlei Rillen als Durchgänge für Kühlfluid aufweisen. Da die äußeren Trenneinheiten
durch das Kühlfluid
nicht gekühlt
werden, ist es nach dieser Offenbarung möglich zu verhindern, dass die
Endzellen übermäßig abgekühlt werden.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-326379 offenbart einen
anderen Typ eines Brennstoffzellenstapels, in welchem an gegenüberliegenden
Enden eines Zellenstapelkörpers
Gasanschlussplatten vorgesehen sind. In jeder der Gasanschlussplatten
sind eine Vakuumschicht und eine Luftschicht gebildet. Die Vakuumschicht
und die Luftschicht wirken gemeinsam als Wärmeisolierungsschicht, um die Wärmeabstrahlung
vom Zellenstapelkörper
nach außen
zu verhindern.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist die japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr. 8-130028 darauf ausgerichtet
zu verhindern, dass die Endzellen durch das Kühlfluid übermäßig gekühlt werden, so dass keine Wasserkondensation
in den Endzellen auftritt, und ist die japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr. 7-326379 darauf ausgerichtet, mittels der Wärmeisolierungsfunktion der
Vakuumschicht und der Luftschicht die Wärmeabstrahlung vom Zellenstapelkörper nach
außen
zu verhindern.
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Grundsätzlich sehen
sowohl die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-130028 als
auch die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-326379 Wärmeisolierungsmechanismen
vor, die in einer Umgebung mit normaler Temperatur betrieben werden, um
die Endzellen und den Zellenstapelkörper zu isolieren, um das gewünschte Betriebsverhalten
des Generierens von Leistung der Endzellen und des Zellenstapelkörpers aufrecht
zu erhalten. Der Wärmeisolierungsmechanismus
dieser Techniken arbeitet nicht einwandfrei, wenn der Betrieb des
Brennstoffzellenstapels bei einer übermäßig tiefen Temperatur unter
dem Gefrierpunkt aufgenommen wird. Beim Aufnehmen des Betriebs des
Brennstoffzellenstapels bei so einer tiefen Temperatur ist es notwendig,
die Zellentemperatur rasch auf die gewünschte Temperatur zum Generieren
von Leistung zu erhöhen,
um zu verhindern, dass das im Brennstoffzellenstapel erzeugte Wasser
unerwünschterweise
einfriert.
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Wenn
der Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei einer Temperatur unter
dem Gefrierpunkt aufgenommen wird, kann sich das Reaktionsgasströmungsfeld
in der Gasdiffusionsschicht der Membran-Elektrode-Anordnung unerwünschterweise durch
das gefrorene Wasser verschließen.
Es ist notwendig, die Temperatur der Gasdiffusionsschicht in der
Nachbarschaft des Gasströmungsfelds
rasch über
den Gefrierpunkt zu erhöhen.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-130028 und die japanische
Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-326379 schlagen keinerlei Technik
vor, um die Temperatur der Gasdiffusionsschicht über dem Gefrierpunkt zu halten.
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Es
ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel
mit einer einfachen Struktur vorzusehen, in welchem der Spannungsabfall
aufgrund der Verzögerung
beim Aufwärmen
der Endzellen des Brennstoffzellenstapels nicht auftritt und bei
welchem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei einer niedrigen
Temperatur aufgenommen werden kann.
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Nach
der vorliegenden Erfindung schließt ein Brennstoffzellenstapel
eine Zellenanordnung ein, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen
in einer Stapelrichtung gebildet wird. Außerhalb von gegenüberliegenden
Enden der Zellenanordnung in der Stapelrichtung sind Anschlussplatten
zum Sammeln von Elektrizität
aus dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Zwischen einem Ende der
Zellenanordnung und einer der Anschlussplatten ist eine elektrisch
leitende Wärmeisolierungsplatte
angeordnet. Eine zusätzliche
elektrisch leitende Wärmeisolierungsplatte
kann zwischen dem anderen Ende der Zellenanordnung und der anderen
der Anschlussplatten angeordnet sein. Die Wärmeisolierungsplatte ist eine
gewellte Platte. Zwischen der Wärmeisolierungsplatte
und der Zellenanordnung ist eine Wärmeisolierungs-Luftkammer festgelegt.
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Dadurch
wird die in den Brennstoffzellen generierte Wärmeenergie nicht zu den Anschlussplatten übertragen.
Da die Wärmeisolierungsplatte
eine elektrisch leitende, gewellte Platte ist, ist der Kontaktbereich
mit der am Ende der Zellenanordnung vorgesehenen Brennstoffzelle
(Endzelle) klein. Der kleine Kontaktbereich hat einen großen Wärmewiderstand und
einen großen
Kontaktwiderstand zur Folge. Insbesondere wird zuverlässig verhindert,
dass die in den Endzellen generierte Wärmeenergie durch die Wärmeisolierungsplatten
von den Endzellen zu den Anschlussplatten übertragen wird, und wird an
den Kontaktbereichen viel Wärmeenergie
generiert. Infolgedessen werden die Endzellen rasch aufgewärmt, und
friert das während
des Generierens von Leistung generierte Wasser in der Membran-Elektrode-Anordnung
nicht ein.
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Vorsprünge zum
Festlegen eines Fluidfelds können
sich entlang einer Fläche
der Trenneinheit erstrecken, die derart am Ende der Zellenanordnung
in der Stapelrichtung vorgesehen ist, dass die Vorsprünge zum
Festlegen des Fluidfelds der Wärmeisolierungsplatte
zugewandt sind. Ferner können
sich die Vorsprünge
entlang einer Fläche
der Isolierungsplatte erstrecken, um einen Wärmeisolierungs-Raum festzulegen.
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Die
Vorsprünge
zum Festlegen des Fluidfelds und die Vorsprünge zum Festlegen des Wärmeisolierungs-Raums
stehen miteinander in Kontakt, und die Vorsprünge zum Festlegen des Fluidfelds
erstrecken sich quer über
die Vorsprünge
zum Festlegen des Wärmeisolierungs-Raums,
so dass eine Mehrzahl von Wärmeisolierungs-Luftkammern
gebildet wird. Dadurch werden die Wärmeisolierungseigenschaften
verbessert und werden die Endzellen wie gewünscht in einer kurzen Zeitspanne
aufgewärmt.
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Die
Vorsprünge
zum Festlegen des Wärmeisolierungs-Raums
können
einen gekrümmten
Querschnitt aufweisen, um den Kontaktbereich mit der Endzelle zu
verkleinern. In der Anordnung ist der Wärmewiderstand im Kontaktbereich
sehr groß.
Deshalb kann die Elektrolyt-Elektrode-Anordnung rasch aufgewärmt werden,
und friert das während
des Generierens von Leistung generierte Wasser in der Elektrolyt-Elektrode-Anordnung
nicht ein.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Querschnittsansicht ist, die einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt;
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2 eine
perspektivische Explosionsansicht ist, die einen Teil des Brennstoffzellenstapels zeigt;
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3 eine
Vorderansicht ist, die eine zweite Trenneinheit einer Brennstoffzelle
zeigt;
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4 eine
Vorderansicht ist, die eine erste Wärmeisolierungsplatte zeigt;
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5 eine
Vorderansicht ist, die eine zweite Wärmeisolierungsplatte zeigt;
und
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6 eine
Querschnittsansicht ist, die einen Teil des Brennstoffzellenstapels
zeigt, in welchem eine weitere Wärmeisolierungsplatte
vorgesehen ist.
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Brennstoffzellenstapel 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 schließt eine
Zellenanordnung 13 ein, die durch Stapeln einer Mehrzahl
von Brennstoffzellen 12 in einer durch einen Pfeil A angezeigten
Richtung gebildet ist. Erste bzw. zweite Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b sind
außerhalb
der Zellenanordnung 13 an den Stapel angefügt. Positive bzw.
negative Anschlussplatten 16a, 16b sind außerhalb
der ersten bzw. zweiten Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b an
den Stapel angefügt.
Elektrische Isolierungsplatten 18a, 18b sind außerhalb
der positiven bzw. negativen Anschlussplatten 16a, 16b an
den Stapel angefügt.
Ferner sind Endplatten 20a, 20b jeweils außerhalb
der elektrischen Isolierungsplatten 18a, 18b an
den Stapel angefügt.
Die Endplatten 20a, 20b werden durch ein Befestigungsglied,
wie beispielsweise eine Zugstange (nicht gezeigt) festgemacht, um
den Brennstoffzellenstapel 10 zu bilden. In der erläuterten
Ausführungsform
werden zwei Wärmeisolierungsplatten
(erste und zweite Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b)
verwendet. Alternativ wird nur eine der ersten und zweiten Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b verwendet.
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Wie
in 2 gezeigt, schließt die Brennstoffzelle 12 eine
Membran-Elektrode-Anordnung
(Elektrolyt-Elektrode-Anordnung) 22 und erste und zweite metallische
Trenneinheiten 24, 26 zum schichtweisen Anordnen
der Membran-Elektrode-Anordnung 22 ein.
Zwischen den ersten und zweiten metallischen Trenneinheiten 24, 26 sind
Abdichtglieder 28, wie beispielsweise eine Dichtung, zum
Abdichten von nachstehend beschriebenen Durchgängen und von Elektrodenflächen (Leistung
generierende Flächen)
vorgesehen. Die Oberflächen
der ersten und zweiten metallischen Trenneinheiten 24, 26 sind
beispielsweise vergoldet.
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An
einem Ende der Brennstoffzelle 12 sind in einer durch einen
Pfeil B angezeigten Richtung ein Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges
Gas zum Zuführen
von sauerstoffhaltigem Gas, ein Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b zum
Austragen eines Kühlmittels
und ein Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b zum Austragen
eines Brennstoffgases, wie beispielsweise eines wasserstoffhaltigen Gases,
in einer durch einen Pfeil C angezeigten, senkrechten Richtung angeordnet.
Der Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges Gas, der
Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b und
der Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b erstrecken sich
in der durch den Pfeil A angezeigten Stapelrichtung durch die Brennstoffzelle 12.
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Am
anderen Ende der Brennstoffzelle 12 in der durch den Pfeil
B angezeigten Richtung sind ein Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a zum
Zuführen des
Brennstoffgases, ein Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a zum
Zuführen
des Kühlmittels
und ein Austragungsdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges Gas zum
Austragen des sauerstoffhaltigen Gases in der durch den Pfeil C
angezeigten Richtung angeordnet. Der Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a,
der Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a und
der Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges Gas erstrecken sich
in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung durch die Brennstoffzelle 12.
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Die
Membran-Elektrode-Anordnung 22 umfasst eine Anode 38,
eine Kathode 40 und eine Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 36,
die zwischen der Anode 38 und der Kathode 40 (siehe 1 und 2)
angeordnet ist. Die Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 36 wird beispielsweise
gebildet, indem eine dünne
Membran aus Perfluorsulfonsäure
mit Wasser imprägniert
wird.
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Jede
Anode 38 und jede Kathode 40 weist eine Gasdiffusionsschicht,
wie beispielsweise ein Kohlenstoffpapier, und eine auf Kohlenstoffteilchen gehalterte
Elektrode-Katalysatorschicht aus einer Platinlegierung auf. Die
Kohlenstoffteilchen werden gleichmäßig auf der Oberfläche der
Gasdiffusionsschicht abgelagert. Die Elektrode-Katalysatorschicht der
Anode 38 und die Elektrode-Katalysatorschicht der Kathode 40 werden
jeweils auf beiden Flächen der
Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 36 befestigt.
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Wie
in 2 gezeigt, weist die erste metallische Trenneinheit 24 auf
ihrer der Membran-Elektrode-Anordnung 22 zugewandten Fläche 24a das
Strömungsfeld 46 für sauerstoffhaltiges
Gas auf. Das Strömungsfeld 46 für sauerstoffhaltiges
Gas ist an einem Ende mit dem Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges
Gas und am anderen Ende mit dem Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges
Gas verbunden. Das Strömungsfeld 46 für sauerstoffhaltiges
Gas ist zwischen der Kathode 40 und einer Mehrzahl von
Rillen (schlangenlinienförmigen
Rillen) 48 ausgebildet, die sich in einem schlangenlinienförmigen Muster
erstrecken, um es dem sauerstoffhaltigen Gas zu erlauben, in der
durch den Pfeil B angezeigten Richtung vor und zurück zu strömen, und
strömt in
der durch den Pfeil C angezeigten Richtung.
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Wie
in 3 gezeigt, weist die zweite metallische Trenneinheit 26 auf
ihrer der Membran-Elektrode-Anordnung 22 zugewandten Fläche 26a das Brennstoffgas-Strömungsfeld 52 auf.
Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 52 ist
an einem Ende mit dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a und
am anderen Ende mit dem Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b verbunden.
Das Brennstoffgas-Strömungsfeld 52 ist
zwischen der Anode 38 und einer Mehrzahl von Rillen (schlangenlinienförmigen Rillen) 54 ausgebildet,
die sich in einem schlangenlinienförmigen Muster erstrecken, um
es dem Brennstoffgas zu erlauben, in der durch den Pfeil B angezeigten
Richtung vor und zurück
zu strömen,
und strömt
in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung.
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Wie
in 2 gezeigt, ist zwischen einer Fläche 24b der
ersten metallischen Trenneinheit 24 und einer Fläche 26b der
zweiten metallischen Trenneinheit 26 ein Kühlmittelströmungsfeld 58 ausgebildet. Das
Kühlmittelströmungsfeld 58 ist
an einem Ende mit dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a und
am anderen Ende mit dem Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b verbunden.
Das Kühlmittelströmungsfeld 58 ist
zwischen Rillen (Strömungsfeld) 60a der
ersten metallischen Trenneinheit 24 und Rillen (Strömungsfeld) 60b der
zweiten metallischen Trenneinheit 26 ausgebildet, wenn
die erste metallische Trenneinheit 24 und die zweite metallische
Trenneinheit 26 aneinander gestapelt werden. Das Strömungsfeld 60a der ersten
metallischen Trenneinheit 24 und das Strömungsfeld 60b der
zweiten metallischen Trenneinheit 26 werden miteinander
verbunden, um das Kühlmittelströmungsfeld 58 zu
bilden, welches die Rillen in einem schlangenlinienförmigen Muster
umfasst, um es dem Kühlmittel
zu erlauben, in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung zurück und vorwärts zu strömen, und
strömt
in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung.
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Wie
in 1 gezeigt, weist die erste metallische Trenneinheit 24 erste
Vorsprünge 62 zum
Festlegen der Rillen (des Strömungsfelds) 60a auf,
und weist die zweite metallische Trenneinheit 26 zweite Vorsprünge 64 zum
Festlegen der Rillen (des Strömungsfelds) 60b auf.
Die ersten Vorsprünge 62 stehen
mit den zweiten Vorsprüngen 64 in
Kontakt. Die ersten und zweiten Vorsprünge 62, 64 erstrecken sich
teilweise in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung und erstrecken
sich teilweise in der durch den Pfeil C angezeigten Richtung (siehe
punkt-punktierte Linien in den 4 und 5).
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Die
erste Wärmeisolierungsplatte 14a ist eine
gewellte Platte, die aus einem Metallmaterial, wie beispielsweise
SUS-Material von JIS (Japan Industrial Standard), gefertigt ist.
Wie in 4 gezeigt, ist auf einer der ersten metallischen
Trenneinheit 24 zugewandten Fläche der ersten Wärmeisolierungsplatte 14a ein
erster Wärmeisolierungsraum 66 ausgebildet.
Der erste Wärmeisolierungsraum 66 wird durch
eine Mehrzahl von Vorsprüngen 68 festgelegt, die
so angeordnet sind, dass sie sich quer über die ersten Vorsprünge 62 der
ersten metallischen Trenneinheit 24 erstrecken. Die Vorsprünge 62 der
ersten metallischen Trenneinheit 24 und die ersten Vorsprünge 68 der
ersten Wärmeisolierungsplatte 14a stehen
miteinander in Kontakt, um eine Mehrzahl von Wärmeisolierungs-Luftkammern 70 festzulegen.
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Die
zweite Wärmeisolierungsplatte 14b ist eine
gewellte Platte, die aus einem Metallmaterial gefertigt ist, wie
bei der ersten Wärmeisolierungsplatte 14a.
Wie in 5 gezeigt, ist auf einer der zweiten metallischen
Trenneinheit 26 zugewandten Fläche der zweiten Wärmeisolierungsplatte 14b ein
zweiter Wärmeisolierungsraum 72 ausgebildet.
Der zweite Wärmeisolierungsraum 72 wird
durch eine Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen 74 festgelegt,
die sich quer über
die zweiten Vorsprünge 64 der
zweiten metallischen Trenneinheit 26 erstrecken. Die zweiten
Vorsprünge 64 der
zweiten metallischen Trenneinheit 26 und die zweiten Vorsprünge 74 der
zweiten Wärmeisolierungsplatte 14b stehen
miteinander in Kontakt, um eine Mehrzahl von Wärmeisolierungs-Luftkammern 76 festzulegen.
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Als
Nächstes
wird nachfolgend der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, wird der durch Stapeln einer Mehrzahl
von Brennstoffzellen 12 gebildeten Zellenanordnung 13 ein
sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, ein Brennstoffgas,
wie beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, sowie ein Kühlmittel,
wie beispielsweise destilliertes Wasser, ein Ethylenglycol oder
ein Öl,
zugeführt.
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Wie
in 2 gezeigt, strömt
das sauerstoffhaltige Gas insbesondere vom Zufuhrdurchgang 30a für sauerstoffhaltiges
Gas in das auf der ersten metallischen Trenneinheit 24 ausgebildete
Strömungsfeld 46 für sauerstoffhaltiges
Gas und strömt
entlang der Kathode 40 der Membran-Elektrode-Anordnung 22,
um an der Kathode 40 eine elektrochemische Reaktion zu
induzieren. Das Brennstoffgas strömt vom Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang 34a in
das auf der zweiten metallischen Trenneinheit 26 ausgebildete Brennstoffgas-Strömungsfeld 52 und
strömt
entlang der Anode 38 der Membran-Elektrode-Anordnung 22,
um an der Anode 38 eine elektrochemische Reaktion zu induzieren.
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Zum
Generieren von Elektrizität
werden in der Membran-Elektrode-Anordnung 22 das der Kathode 40 zugeführte, sauerstoffhaltige
Gas und das der Anode 38 zugeführte Brennstoffgas durch die elektrochemischen
Reaktionen an den Elektrode-Katalysatorschichten
der Kathode 40 und der Anode 38 verbraucht.
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Nachdem
das sauerstoffhaltige Gas an der Kathode 40 verbraucht
worden ist, wird das sauerstoffhaltige Gas in den Austragungsdurchgang 30b für sauerstoffhaltiges
Gas ausgetragen und strömt
in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung. Nachdem das Brennstoffgas
an der Anode 38 verbraucht worden ist, wird das Brennstoffgas
in ähnlicher
Weise in den Brennstoffgas-Austragungsdurchgang 34b ausgetragen
und strömt
in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung.
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Das
Kühlmittel
strömt
vom Kühlmittelzufuhrdurchgang 32a in
das Kühlmittelströmungsfeld 58 der
zweiten metallischen Trenneinheit 26 und strömt in die
durch die Pfeile B und C angezeigten Richtungen. Nachdem das Kühlmittel
zum Kühlen
der Membran-Elektrode-Anordnung 22 verwendet worden ist, wird
das Kühlmittel
in den Kühlmittel-Austragungsdurchgang 32b ausgetragen.
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In
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die elektrisch leitende, erste Wärmeisolierungsplatte 14a zwischen
der Anschlussplatte 16a und einem Ende der Zellenanordnung 13 angeordnet,
und ist die elektrisch leitende, zweite Wärmeisolierungsplatte 14b zwischen
der Anschlussplatte 16b und dem anderen Ende der Zellenanordnung 13 angeordnet.
Die ersten und zweiten Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b sind
gewellte Platten. Die Wärmeisolierungs-Luftkammern 70 sind
zwischen der ersten Wärmeisolierungsplatte 14a und
der Zellenanordnung 13 festgelegt, und die Wärmeisolierungs-Luftkammern 76 sind
zwischen der zweiten Wärmeisolierungsplatte 14b und
der Zellenanordnung 13 festgelegt. Dadurch wird die in
den Brennstoffzellen (Endzellen) an gegenüberliegenden Enden der Zellenanordnung 13 generierte
Wärmeenergie
nicht an die Anschlussplatten 16a, 16b übertragen.
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Da
die ersten und zweiten Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b elektrisch
leitende, gewellte Platten sind, sind die Kontaktbereiche mit den
Brennstoffzellen an gegenüberliegenden
Enden der Zellenanordnung 13 klein und ist der Wärmewiderstand groß. Während des
Generierens von Leistung durch die Brennstoffzellen 12 wird
in den Kontaktbereichen zwischen den ersten und zweiten Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b und
den ersten und zweiten metallischen Trenneinheiten 24, 26 der
Brennstoffzellen 12 an den gegenüberliegenden Enden der Zellenanordnung 13 Wärmeenergie
generiert. Die Wärmeenergie wird
dazu verwendet, um die Temperatur der Membran-Elektrode-Anordnung 22 rasch
zu erhöhen.
Auch wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 bei einer
Temperatur unter dem Gefrierpunkt aufgenommen wird, ist es dadurch
möglich
zu verhindern, dass das durch die chemische Reaktion des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugte
Wasser auf Grund einer übermäßig tiefen
Temperatur der Membran-Elektrode-Anordnung 22 einfriert.
Dadurch kann der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 rasch
und wie gewünscht aufgenommen
werden.
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Wie
in 4 gezeigt, erstrecken sich die ersten Vorsprünge 68 der
ersten Wärmeisolierungsplatte 14a quer über die
ersten Vorsprünge 62 der
ersten metallischen Trenneinheit 24. Wenn die erste metallische
Trenneinheit 24 und die erste Wärmeisolierungsplatte 14a aneinander
gestapelt werden, stehen die ersten Vorsprünge 62 und die ersten
Vorsprünge 68 derart
in Kontakt miteinander, dass sich die ersten Vorsprünge 62 quer über die
ersten Vorsprünge 68 erstrecken,
um die Mehrzahl der Wärmeisolierungs-Luftkammern 70 festzulegen.
Dadurch werden die Wärmeisolierungseigenschaften
wirksam verbessert, und die Temperatur der Brennstoffzellen 12,
die mit der ersten Wärmeisolierungsplatte 14a in Kontakt
stehen, wird in einer kurzen Zeitspanne wie gewünscht erhöht.
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Wie
in 5 gezeigt, erstrecken sich die zweiten Vorsprünge 74 der
zweiten Wärmeisolierungsplatte 14b in ähnlicher
Weise quer über
die zweiten Vorsprünge 64 der
zweiten metallischen Trenneinheit 26. Wenn die zweiten
Vorsprünge 64 mit den
zweiten Vorsprüngen 74 in
Kontakt stehen, um die Mehrzahl der Wärmeisolierungs-Luftkammern 76 festzulegen,
kann derselbe Vorteil wie bei der ersten Wärmeisolierungsplatte 14a erreicht
werden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
kann ferner eine in 6 gezeigte Wärmeisolierungsplatte 14c verwendet
werden, um die Kontaktbereiche zwischen den ersten und zweiten Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b und
den Brennstoffzellen 12 zu verringern und um den Wärmewiderstand
in den Kontaktbereichen zu erhöhen.
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Die
Wärmeisolierungsplatte 14c wird
beispielsweise anstelle der zweiten Wärmeisolierungsplatte 14b verwendet.
Die Wärmeisolierungsplatte 14c weist
gekrümmte
Abschnitte 80 auf, die mit den zweiten Vorsprüngen 64 der
zweiten metallischen Trenneinheit 26 in Kontakt stehen.
Die gekrümmten Abschnitte 80 weisen
einen gekrümmten
Querschnitt auf. Die gekrümmten
Abschnitte 80 erstrecken sich quer über die zweiten Vorsprünge 64 und
in stehen in Linienkontakt mit den zweiten Vorsprüngen 64.
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Der
Kontaktbereich zwischen den zweiten Vorsprüngen 64 der zweiten
metallischen Trenneinheit 26 und den gekrümmten Abschnitten 80 der
Wärmeisolierungsplatte 14c ist
sehr klein, und der Wärmewiderstand
ist sehr groß.
Wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 bei einer
tiefen Temperatur aufgenommen wird, friert die Membran-Elektrode-Anordnung 22 der
Brennstoffzellen 12 nicht ein, und kann die Temperatur
der Brennstoffzellen 12 in einer kurzen Zeitspanne wie
gewünscht
erhöht
werden.
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Die
Wärmeisolierungsplatte 14c kann
anstelle der Wärmeisolierungsplatte 14a verwendet
werden. In der vorliegenden Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Wärmeisolierungsplatten 14a, 14b sowie
die Wärmeisolierungsplatte 14c vergoldet. Alternativ
können
die Wärmeisolierungsplatten
passiviert werden, um den elektrischen Widerstand zu verbessern.
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Nach
der vorliegenden Erfindung weist der Brennstoffzellenstapel zwischen
einem Ende der Zellenanordnung und der Anschlussplatte zum Sammeln
von Elektrizität
aus dem Brennstoffzellenstapel zumindest eine elektrisch leitende
Wärmeisolierungsplatte
auf. Zwischen der Wärmeisolierungsplatte
und der Anschlussplatte sind Wärmeisolierungs-Luftkammern
festgelegt, so dass verhindert werden kann, dass in den Brennstoffzellen
generierte Wärmeenergie
zur Anschlussplatte übertragen
wird.
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Da
die Wärmeisolierungsplatten
elektrisch leitende, gewellte Platten sind, sind die Kontaktbereiche
mit den Endzellen klein und ist der Wärmewiderstand groß. In den
Kontaktbereichen zwischen den Wärmeisolierungsplatten
und den Endzellen wird Wärmeenergie
generiert. Die Wärmeenergie
wird dazu verwendet, um die Temperatur der Membran-Elektrode-Anordnung
rasch zu erhöhen.
Auch wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 bei einer
Temperatur unter dem Gefrierpunkt aufgenommen wird, ist es dadurch
möglich
zu verhindern, dass das durch die chemische Reaktion des Brennstoffzellenstapels
erzeugte Wasser auf Grund einer übermäßig tiefen
Temperatur der Membran-Elektrode-Anordnung einfriert. Dadurch kann
der Betrieb des Brennstoffzellenstapels rasch und wie gewünscht aufgenommen
werden.