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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle,
die durch eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran eine elektrochemische
Reaktion zwischen einem ersten Gas auf der Seite einer Brennstoffelektrode
und einem zweiten Gas auf der Seite einer Oxidationsmittelelektrode
auslösen
kann, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.
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Eine
Brennstoffzelle ist dazu vorgesehen, eine elektrochemische Reaktion
zwischen einem Brennstoff wie etwa Wasserstoffgas und einem Oxidationsmittel
wie etwa Luft (Sauerstoffgas) auszulösen, um die chemische Energie
des Brennstoffes direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Unter
den verschiedenen Brennstoffzellen weist eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle exzellente
Eigenschaften auf, wie etwa hohe Leistungsdichte, einfache Struktur
und niedrige Betriebstemperatur, und deswegen wird ihre technische
Entwicklung in zunehmendem Maße
vorangetrieben.
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21 zeigt
ein Beispiel für
herkömmliche Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen
zur Verwendung am Boden. Diese Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
umfasst einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran 1,
Brennstoff- und Oxidationsmittelelektroden 2, 3,
zwischen denen die Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran 1 eingebettet
ist, eine auf der Oberseite der Brennstoffelektrode 2 bereitgestellte Zuführmündung 5 für Wasserstoff
und eine auf der Oberseite der Oxidationsmittelelektrode 3 bereitgestellte
Zufuhrmündung 6 für Luft (Sauerstoffgas)
aufweist. Bei der Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist Feuchtigkeit bzw.
Wasser wichtig, damit Wasserstoffionen in der Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran
bewegt werden können.
Aus diesem Grunde sind an die Zufuhrmündung 5 für Wasserstoff bzw.
die Zufuhrmündung 6 für Luft Befeuchter 7, 8 angeschlossen,
um ein Austrocknen der Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran 1 zu
verhindern. Die Brennstoffzelle weist ferner eine an der Unterseite
der Brennstoffelektrode 2 bereitgestellte Abgabemündung 9 für Wasserstoff
und eine an der Unterseite der Oxidationsmittelelektrode 3 bereitgestellte
Abgabemündung 10 für Luft (Sauerstoffgas)
auf.
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In
den Befeuchter 7 auf der Seite der Brennstoffelektrode 2 wird
Wasserstoffgas eingeleitet, das durch Reformen eines Brennstoffs
auf Kohlenwasserstoffbasis wie etwa Methanol, Benzin oder Methangas
gewonnen wird, und in den Befeuchter 8 auf der Seite der
Oxidationsmittelelektrode 3 wird Luft eingeleitet, die
von einem Kompressor (nicht gezeigt) bis auf einen festgelegten
Druck verdichtet wird. Das Wasserstoffgas und die Luft werden von
Befeuchtern 7, 8 befeuchtet und dann durch die
Wasserstoffzufuhrmündung 5 bzw.
die Luftzufuhrmündung 6 den Seiten
der Brennstoffelektrode 2 bzw. der Oxidationsmittelelektrode 3 zugeführt. Das
der Seite der Brennstoffelektrode 2 zugeführte Wasserstoffgas
und die der Seite der Oxidationsmittelelektrode 3 zugeführte Luft
lösen,
während
sie parallel zueinander entlang der Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran 1 strömen, eine
elektrochemische Reaktion zwischen sich aus und erzeugen einen elektrischen
Strom, und anschließend
werden sie durch die Wasserstoffabgabemündung 9 bzw. die Luftabgabemündung 10 aus dem
Brennstoffzellenstapel 4 abgegeben.
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Es
gibt ein weiteres Beispiel für
herkömmliche
Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen,
das in den 1960er-Jahren für
das Gemini-Projekt benutzt wurde. Diese Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
benutzt ein Feststoffpolymer auf Styrenbasis als Elektrolyt, reines
Wasserstoffgas als Brennstoff und reines Sauerstoffgas als Oxidationsmittel.
In diesem Falle ist ein absorbierender Docht neben den Elektroden
bereitgestellt, um in dem Brennstoffzellenstapel während der
Reaktion zwischen dem reinen Wasserstoff und dem reinen Sauerstoff
erzeugtes Wasser zu absorbieren und zu entfernen und um das absorbierte
Wasser natürlich
zu verdampfen, um dadurch das Innere des Brennstoffzellenstapels
zu befeuchten.
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Wie
vom American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) im
Jahre 1999 verlautbart wurde, wird im ULDB-Forschungsballon (engl. „Ultra Long
Durability Balloon")
als aeronautischer Plan der NASA für das Stratosphärenplattformprojekt
eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
benutzt. Zwar benutzt diese Brennstoffzelle ebenfalls reines Wasserstoffgas
als Brennstoff und reines Sauerstoffgas als Oxidationsmittel, doch
wurde der Befeuchter weggelassen, um das System zu vereinfachen,
und der Brennstoffzellenstapel ist geneigt angeordnet, um in dem
Brennstoffzellenstapel entstehendes Wasser ohne Rückgewinnung
aus dem Brennstoffzellenstapel ausfallen zu lassen.
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Das
zuerst erwähnte,
in 21 gezeigte herkömmliche Beispiel benutzt Luft
als Sauerstoffgasquelle. Wenn daher unverbrauchtes Gas aus der Luft in
den Brennstoffzellenstapel 4 rückgeführt wird, sammelt sich Stickstoffgas
als reaktionsträges,
in der Luft enthaltenes Gas in dem Brennstoffzellenstapel 4 an,
was zu einem abgesenkten partiellen Sauerstoffdruck und wesentlich
verschlechterten Charakteristiken der Brennstoffzelle führt. Aus
diesem Grunde war es schwierig, unverbrauchtes Gas in den Brennstoffzellenstapel 4 rückzuführen und
eine verbesserte Sauerstoffnutzungseffizienz zu erzielen. Ferner war
es außerdem
schwierig, unverbrauchtes Gas des Brennstoffs in den Brennstoffzellenstapel 4 rückzuführen, weil
die Rückführung des
unverbrauchten Gases zur Ansammlung von CO2 und/oder
nicht reformiertem Brennstoff im Brennstoffzellenstapel 4 führt, was
verschlechterte Charakteristiken der Brennstoffzelle zur Folge hat.
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Außerdem beträgt, wenn
als Gas auf der Seite der Oxidationsmittelelektrode 3 Luft
benutzt wird, der Sauerstoffgehalt in der Luft ungefähr 21 %,
und entsprechend werden der Brennstoffzelle ungefähr 79 %
Stickstoff zugeführt.
Somit wird die ganze Zeit Stickstoff als reaktionsträges Gas
durch den Brennstoffzellenstapel 4 geleitet, und das Wasserdampfverhältnis wird
aufgrund der Anwesenheit des Stickstoffs bei 100 % Sauerstoffnutzung
lediglich bis zu 34,7 % gesteigert. Wenn die Brennstoffstelle bei
50 % Nutzungsgrad von Sauerstoff in Luft bei Normaldruck betrieben
wird, muss ihre Betriebstemperatur auf 59°C oder weniger eingeregelt werden,
wodurch der zulässige
Betriebstemperaturbereich unerwünscht
eingeschränkt
wird.
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Da
unvermeidlich die Luft nach außen
abgeben werden muss, wird folglich zusammen mit der Luft auch das
in dem Brennstoffzellenstapel 4 erzeugte Wasser aus dem
Brennstoffzellenstapel 4 abgegeben. Daher neigt die Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran
insbesondere in Nachbarschaft der Luftzufuhrmündung dazu, auszutrocknen und
einen unerwünscht
verringerten Bereich aufzuweisen, der zur Reaktion beitragen kann.
Aus diesem Grunde war es erforderlich, in der Wasserstoffzufuhrmündung 5 und/oder
der Luftzufuhrmündung 6 die
Befeuchter 7, 8 bereitzustellen, was Schwierigkeiten beim
Verkleinern und/oder bei der Gewichtsreduktion der Brennstoffzelle
zur Folge hat.
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Auf
der anderen Seite ist das zuletzt genannte herkömmliche Beispiel im ULDB dazu
eingerichtet, das in dem Brennstoffzellenstapel entstehende Wasser
mittels Gravitation aus dem Brennstoffzellenstapel fallen zu lassen.
Das erzeugte Wasser wird somit abhängig von der Fallgeschwindigkeit
entfernt, was eine geringe Anwendbarkeit auf die Erzeugung hoher Leistungen
zur Folge hat. Außerdem
wird das Innere des Brennstoffzellenstapels durch die natürliche Verdampfung
des in dem Docht absorbierten Wassers befeuchtet, ohne dass die
Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenstapel gesteuert wird. Überdies
wird das Wasser, das entfernt wird, direkt und ohne Rückgewinnung
nach außen
abgegeben.
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Angesichts
der obigen Probleme liegt der vorliegenden Erfindung als Aufgabe
zugrunde, eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu schaffen,
die dazu befähigt
ist, eine Verbesserung der Brennstoffzellencharakteristiken und
der Nutzungseffizienzen der Gase auf den jeweiligen Seiten der Brennstoff-
bzw. der Oxidationsmittelelektrode zu fördern, dabei die Notwendigkeit
des Bereitstellens eines Befeuchters zu eliminieren und die Größe, das Gewicht
und die Betriebskosten der Zelle zu verringern, bei gleichzeitig
verbesserter Anwendbarkeit auf die Erzeugung hoher Leistungen.
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Um
die obige Aufgabe zu lösen,
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer
Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, welche Folgendes umfasst:
einen Brennstoffzellenstapel, der durch Laminieren einer Vielzahl
von Brennstoffzellen-Einheiten gebildet ist, von denen jede eine
Brennstoffelektrode, eine Oxidationsmittelelektrode und eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran
aufweist, die zwischen den Brennstoff- und Oxidationsmittelelektroden
angeordnet ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Zuführen von
reinem Wasserstoffgas an eine Seite der Brennstoffelektrode, ohne
dass das Gas von seiner Zufuhrquelle befeuchtet wird,
Zuführen von
reinem Sauerstoffgas an eine Seite der Oxidationsmittelelektrode,
ohne dass das Gas von seiner Zufuhrquelle befeuchtet wird,
Erzeugen
eines elektrischen Stroms durch eine elektrochemische Reaktion zwischen
dem reinen Wasserstoffgas und dem reinen Sauerstoffgas, und
Einströmenlassen
des reinen Wasserstoffgases und des reinen Sauerstoffgases in entgegengesetzten Richtungen
in den Brennstoffzellenstapel, so dass Wasser, das auf der Seite
der Oxidationsmittelelektrode erzeugt wird, zwischen der Brennstoff
und der Oxidationsmittel-Elektrode
hin und her bewegt wird, um einen Wasser haltenden Bereich in der
Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran
zu erhöhen.
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Die
obige Brennstoffzelle kann einen Gaszufuhrweg zum Zuführen des
reinen Sauerstoffs an die Seite der Oxidationsmittelelektrode sowie
eine Gasabgabemündung
zum Abgeben mindestens des reinen Sauerstoffs aus der Seite der
Oxidationsmittelelektrode aufweisen. In diesem Falle ist die Gasabgabemündung mit
dem Zufuhrweg für
reinen Sauerstoff verbunden, um einen geschlossenen Kreislaufweg zu
bilden, und in dem geschlossenen Kreislaufweg ist ein Kondensator
bereitgestellt. Alternativ hierzu kann die Brennstoffzelle eine
Zufuhrmündung
für reinen Sauerstoff
zum Zuführen
des reinen Sauerstoffs aus einer Zufuhrquelle für reinen Sauerstoff an die
Seite der Oxidationsmittelelektrode sowie einen Gasabgabeweg zum
Abgeben mindestens des reinen Sauerstoffs aus der Seite der Oxidationsmittelelektrode aufweisen.
In diesem Falle sind der Gasabgabeweg und die Zufuhrquelle für reinen
Sauerstoff mit einem Kondensator verbunden, und die Ausgangsseite
des Kondensators ist mit der Zufuhrmündung für reinen Sauerstoff verbunden,
um auf diese Weise einen geschlossenen Kreislaufweg zu bilden. Bei
der obigen Ausführungsform
ist es möglich,
den geschlossenen Kreislaufweg nicht auf der Seite der Brennstoffelektrode
bereitzustellen. In diesem Falle ist eine auf der Seite der Brennstoffelektrode
bereitgestellte Gasabgabemündung
geschlossen.
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Die
Brennstoffzelle kann ein Material zum Aufbewahren von Kondenswasser,
das durch den Kondensator kondensiert wird, aufweisen, oder sie kann
ein Steuermittel zum Steuern eines Kühlmediums des Kondensators
in einem Temperaturbereich von –30°C bis +10°C im Bezug
auf eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aufweisen, oder
sie kann ein Durchflussvolumensteuermittel aufweisen zum Steuern
des Volumens des durch den geschlossenen Kreislaufweg zirkulierenden
Gases in dem Bereich von 2- bis 10-mal größer als ein theoretisches Gasvolumen,
das erforderlich ist, um den elektrischen Strom auf elektrochemischem
Wege zu erzeugen.
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Die
Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran kann außerdem eine Dicke von 10 bis
50 μm aufweisen.
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Die
Brennstoffzelle kann ein Material zum Aufbewahren von Kondenswasser,
das durch den Kondensator kondensiert wird, aufweisen, und das Behältermittel
weist Mittel zum Absorbieren des Kondenswassers auf. Ferner kann
der Kondensator einen Überführungsweg
aufweisen, um zuzulassen, dass das Umlaufgas in dem geschlossenen
Kreislaufweg glatt durch den Kondensator überführt wird, während es mit dem absorbierenden
Material in Kontakt tritt. Der Kondensator kann ein Kühlgerät zum Kühlen des
Umlaufgases in dem geschlossenen Kreislaufweg aufweisen. In diesem
Falle wird das Kühlgerät getrennt
von dem Behältermaterial
bereitgestellt, und das Behältermaterial
ist dazu eingerichtet, Kondenswasser aufzubewahren, das durch das Kühlgerät kondensiert
wird. Der Kondensator kann einen Abgabeweg für Kondenswasser aufweisen zum
Komprimieren des absorbierenden Materials, um das in dem absorbierenden
Material absorbierte Kondenswasser zwangsweise aus dem Kondensator abzugeben.
Das absorbierende Material kann dazu eingerichtet sein, nach der
Kompression wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt
zu werden, und der Abgabeweg für
Kondenswasser kann einen Betriebszyklus aufweisen, der entsprechend
einer Wasserkapazität
des Behältermaterials, der
Anzahl der laminierten Brennstoffzellen-Einheiten des Brennstoffzellenstapels
und der Menge des zu erzeugenden Stromes gesteuert wird.
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Ferner
können
parallel zueinander eine Vielzahl von Kondensatoren bereitgestellt
werden.
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Außerdem kann
der geschlossene Kreislaufweg einen Bypassweg aufweisen, welcher
den Kondensator umgeht.
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Gemäß der obigen
Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung strömen der reine Wasserstoff,
der der Seite der Brennstoffelektrode zugeführt wird, und der reine Sauerstoff,
der der Seite der Oxidationsmittelelektrode zugeführt wird,
in dem Brennstoffzellenstapel in entgegengesetzten Richtungen, so
dass das Wasser durch die Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran zwischen
der Brennstoff und der Oxidationsmittel-Elektrode hin und her bewegt
wird. Somit wird der Wasser haltende Bereich in der Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran
erhöht,
um verbesserte Brennstoffzellencharakteristiken zu erreichen.
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Bestimmte
Ausführungsformen
gemäß dieser
Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm einer Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2(a) eine Vorderansicht eines Trennelements
der Brennstoffzelle gemäß der ersten
Ausführungsform,
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2(b) eine Rückansicht des Trennelements
aus 2(a),
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3 ein
erläuterndes
Diagramm, das ein Modell von Wasserbewegungen in einem Brennstoffzellenstapel
der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform
zeigt,
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4 ein
erläuterndes
Diagramm, das eine parallele Gasströmung in einer herkömmlichen
Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zeigt, wobei Sauerstoff-
und Wasserstoffgas in parallelen Richtungen durch einen Brennstoffzellenstapel
strömen,
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5 ein
erläuterndes
Diagramm, das eine entgegengesetzte Gasströmung in der Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
gemäß der ersten Ausführungsform
zeigt, wobei Sauerstoff- und
Wasserstoffgas in entgegengesetzten Richtungen durch den Brennstoffzellenstapel
strömen,
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6 ein
Diagramm, das die jeweiligen Spannungs-Strom-Charakteristiken bei
den verschiedenen Gasströmungen
zeigt,
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7(a) eine Vorderansicht eines Trennelements
für die
entgegengesetzte Gasströmung
in der Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der ersten
Ausführungsform,
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7(b) eine Rückansicht des Trennelements
aus 7(a),
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8(a) ein Diagramm, das die jeweiligen Spannungs-Strom-Charakteristiken
in unterschiedlichen Dicken einer Elektrolytmembran der Brennstoffzelle
gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigt,
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9 ein
schematisches Diagramm einer Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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10 ein
Diagramm, das jeweils bei unterschiedlichen Umlaufverhältnissen
den Verlauf der Zellenspannung über
der verstrichenen Zeit in der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
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11 ein
Diagramm, das den stündlichen Verlauf
der Zellenspannung bei einem Umlaufverhältnis von 4 in der Brennstoffzelle
gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigt,
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12 ein
schematisches Diagramm, das einen Kondensator der Brennstoffzelle
gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigt,
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13 ein
schematisches Diagramm, das eine Modifikation des Kondensators der
Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigt,
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14 ein
schematisches Diagramm, das eine weitere Modifikation des Kondensators
der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
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15A ein schematisches Diagramm, das noch eine
weitere Modifikation des Kondensators der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
wobei 15A den Zustand zeigt, wenn
Wasser in dem Kondensator absorbiert wird,
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15B ein schematisches Diagramm, das noch eine
weitere Modifikation des Kondensators der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
wobei 15B den Zustand zeigt, wenn
das in dem Kondensator absorbierte Wasser ausgequetscht wird,
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16 ein
schematisches Diagramm, das noch eine weitere Modifikation des Kondensators
der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
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17 ein
schematisches Diagramm, das noch eine weitere Modifikation des Kondensators
der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
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18A ein schematisches Diagramm, das eine andere
Modifikation des Kondensators der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
wobei 18A den Zustand zeigt, wenn
Wasser in dem Kondensator absorbiert wird,
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18B ein schematisches Diagramm, das eine andere
Modifikation des Kondensators der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform zeigt,
wobei 18B den Zustand zeigt, wenn
das in dem Kondensator absorbierte Wasser ausgequetscht und währenddessen
das Sauerstoffgas am Kondensator vorbei geleitet wird,
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19 ein
Diagramm, das jeweils bei unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen den zeitbasierten
Verlauf der Zellenspannung in der Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigt,
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20 ein
schematisches Diagramm einer Modifikation der Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform
und
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21 ein
schematisches Diagramm, das eine herkömmliche Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zeigt.
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1 zeigt
eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
umfasst einen Brennstoffzellenstapel 21, der durch Stapeln
einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Einheiten 25 durch
ein Trennelement 26 (siehe 2) ausgebildet
ist. Jede der Brennstoffzellen-Einheiten 25 umfasst eine
Brennstoffelektrode 23, eine der Brennstoffelektrode gegenüberliegende
Oxidationsmittelelektrode 24 und eine Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22,
die zwischen der Brennstoff- und der Oxidationsmittelelektrode angeordnet
ist, um zuzulassen, dass in ihr Wasserstoffionen bewegt werden.
In 1 wird nur eine der Brennstoffzellen-Einheiten 25 gezeigt,
um die nachstehende Erklärung
zu vereinfachen. Die Oberseiten der Brennstoffelektrode 23 und
der Oxidationsmittelelektrode 24 sind mit einer Wasserstoffzufuhrmündung 27 bzw.
einer Sauerstoffabgabemündung 28 versehen.
Die Unterseiten der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationsmittelelektrode 24 sind
mit einer Wasserstoffabgabemündung 29 bzw.
einer Sauerstoffzuführmündung 30 versehen. Wie
in 2 gezeigt, ist das Trennelement 26 in
einer rechteckigen, flachen, plattenartigen Gestalt ausgebildet
und aus einem vorderseitigen bzw. brennstoffelektrodenseitigen Abschnitt 31 und
einem rückseitigen
oder oxidationsmittelelektrodenseitigen Abschnitt 32 zusammengesetzt.
Der brennstoffelektrodenseitige Abschnitt 31 ist mit einem
Wasserstoffeinlass 33 und einem Wasserstoffauslass 34 versehen, welche
der Wasserstoffzufuhrmündung 27 und
der Wasserstoffabgabemündung 29 entsprechen,
und der oxidationsmittelelektrodenseitige Abschnitt 32 ist mit
einem Sauerstoffeinlass 35 und einem Sauerstoffauslass 36 versehen,
die der Sauerstoffzufuhrmündung 30 und
der Sauerstoffabgabemündung 28 entsprechen.
Ferner sind die jeweiligen Strömungskanalmuster 37, 38 des
brennstoffelektrodenseitigen und des oxidationsmittelelektrodenseitigen
Abschnitts 31, 32 kammförmig ausgebildet, so dass das Wasserstoffgas
und das Sauerstoffgas im Allgemeinen in entgegengesetzten Richtungen
strömen
(siehe die fetten Pfeile in 2).
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In
der Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der ersten
Ausführungsform
werden ein reines Wasserstoffgas und ein reines Sauerstoffgas bevorzugt
als Brennstoff bzw. Oxidationsmittel benutzt. Das reine Wasserstoffgas
wird durch die Wasserstoffzufuhrmündung 27 der Seite
der Brennstoffelektrode 23 und das reine Sauerstoffgas
durch die Sauerstoffzufuhrmündung 30 der
Seite der Oxidationsmittelelektrode 24 zugeführt. Nachdem
das reine Wasserstoffgas und das reine Sauerstoffgas in den Brennstoffzellenstapel 21 zugeführt worden
sind, strömen
sie in entgegengesetzten Richtungen entlang der Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22. Wie
in 3 gezeigt ist, wird während der Reaktion zwischen
dem reinen Wasserstoffgas und dem reinen Sauerstoffgas auf der Seite
der Oxidationsmittelelektrode erzeugtes Wasser mittels Diffusion
durch die Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 in Richtung
der Brennstoffelektrode bewegt, um das reine Wasserstoffgas neben
der Wasserstoffzufuhrmündung 27 zu
befeuchten. Das befeuchtete reine Wasserstoffgas strömt in der
der Strömung
des reinen Sauerstoffgases entgegengesetzten Richtung, und die Wasserdampfmenge
in dem reinen Wasserstoffgas steigt in dem Maße, wie das reine Wasserstoffgas
verbraucht wird. Dann wird in der Nachbarschaft der Wasserstoffabgabemündung 29 das
Wasser von der Brennstoffelektrode zur Oxidationsmittelelektrode
bewegt, um die Nachbarschaft der Sauerstoffzufuhrmündung 30 zu
befeuchten. Auf diese Weise wird das Wasser durch die Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 zwischen
der Oxidationsmittelelektrode und der Brennstoffelektrode im Brennstoffzellenstapel 21 hin
und her bewegt, um einen Wasser haltenden Bereich in der Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 zu
erhöhen,
um verbesserte Brennstoffzellencharakteristiken zu erzielen.
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6 zeigt
jeweilige Ausgangscharakteristiken eines Typs einer Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
mit so genannter paralleler Gasströmung, wobei Sauerstoffgas und
Wasserstoffgas in derselben Richtung entlang der Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 strömen (siehe 4) und
eines Typs einer Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit
so genannter entgegengesetzter Gasströmung, wobei Sauerstoffgas und
Wasserstoffgas in entgegengesetzten Richtungen entlang der Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 strömen (siehe 5).
Wie in 6 zu sehen ist, wird bei dem Typ mit paralleler
Gasströmung
die mittlere Zellenspannung bei steigendem Laststrom wesentlich reduziert.
Im Gegensatz hierzu kann bei dem Typ mit entgegengesetzter Gasströmung die
mittlere Zellenspannung selbst bei steigendem Laststrom stabil gehalten
werden, da das Wasser durch die Elektrolytmembran 22 zwischen
der Oxidationsmittelelektrode 23 und der Brennstoffelektrode 24 hin
und her bewegt und dadurch der Wasser haltende Bereich in der Elektrolytmembran 22 erhöht wird.
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Die
Testdaten aus 6 wurden unter folgenden Bedingungen
ermittelt: Die Betriebstemperatur wurde auf 65°C festgesetzt, und der Nutzungsgrad
des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases zu den einzelnen Lastströmen wurde
auf 30 % gesetzt. Der Brennstoffzellenstapel 21 wurde ausgebildet,
indem vier der Brennstoffzellen-Einheiten 25 mit einer
effektiven Fläche
von jeweils 81 cm2 gestapelt wurden und
zwischen den Brennstoffzellen-Einheiten ein Kohlenstoff-Trennelement 39 mit
Gasrillen (siehe 7) angeordnet wurde. Die Brennstoffelektrode 23 und
die Oxidationsmittelelektrode 24 enthielten jeweils 0,5
mg/cm2 Platin, und als Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 kam
eine fluorbasierte Feststoff-Polymermembran zum Einsatz mit einem Feststofffilm
von ca. 30 Mikrometern Dicke, der unter Verwendung von Nafion-Lösung (Aldrich Co., USA) auf
der Membran ausgebildet wurde. Das obige Trennelement 39 wurde
dergestalt ausgebildet, dass es, wie in 7 gezeigt,
serpentinenförmige
Strömungskanalmuster 40, 41 aufweist,
aber zulässt, dass
das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas im Allgemeinen in entgegengesetzten
Richtungen strömen
(siehe die fetten Pfeile in 7). Jedes
der Strömungskanalmuster 40, 41 wies
eine Rille mit einer Breite von 1,5 mm und einer Tiefe von 1,0 mm
sowie eine Bank mit einer Breite von 1,5 mm auf. Jeder der gerillten
Bereiche 42 wurde in quadratischer Gestalt mit einer Kante
von 9 cm ausgebildet, und das Trennelement 39 wurde in
quadratischer Gestalt mit einer Außenkante von 13 cm ausgebildet.
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8 zeigt
ein Messergebnis der Spannungs-Strom-Charakteristiken (mittlere
Zellenspannung über
Erzeugungsstrom), wobei unter denselben Bedingungen, unter denen
die Testdaten aus 6 gewonnen wurden, die Dicke
der Elektrolytmembran 22 auf 6,5 Mikrometer, 15 Mikrometer,
30 Mikrometer, 45 Mikrometer bzw. 60 Mikrometer eingestellt wurde. Wie
aus 8 zu sehen ist, neigt bei einer Elektrolytmembran
mit 60 Mikrometern Dicke die mittlere Zellenspannung dazu, bei Anlegen
eines hohen Erzeugungsstroms wesentlich abgesenkt zu werden. Dieses
Phänomen
wird dadurch verursacht, dass das Wasser aufgrund der vergrößerten Dicke
der Elektrolytmembran nicht angemessen durch die Elektrolytmembran
durchdringen und diffundieren kann, und die Verzögerung der Durchdringung und
Diffusion des Wassers kommt besonders bei hohem Erzeugungsstrom
zum Vorschein. Das heißt,
es wurde bewiesen, dass die Elektrolytmembran mit einer Dicke von
größer als
50 μm eine
deutliche Verschlechterung der mittleren Zellenspannung bei hohem
Erzeugungsstrom verursacht. Im Gegensatz hierzu zeigt die Brennstoffzelle
bei Verwendung einer Elektrolytmembran mit einer Dicke von 15, 30
oder 45 Mikrometern eine exzellente Zellenspannungscharakteristik;
ebenso zeigt sie, auch wenn dies in 8 nicht dargestellt
ist, bei einem bei konstant gehaltenem Strom durchgeführten Test
ein exzellentes Ergebnis. Zwar zeigt die Brennstoffzelle bei Verwendung
der dünnen
Elektrolytmembran mit einer Dicke von 6,5 Mikrometern in dem in 8 gezeigten
Bereich eine exzellente Zellencharakteristik, doch wurde die Elektrolytmembran
aufgrund ihrer abgeschwächten
mechanischen Festigkeit in einem frühen Stadium während des
Betriebs des Brennstoffzellenstapels beschädigt, und bei einem bei konstant
gehaltenem Strom durchgeführten
Test traten das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas leicht zueinander über, wodurch
eine direkte Reaktion zwischen den Gasen ausgelöst und infolgedessen die Brennstoffzellenspannung
verschlechtert wurde. Daher wird die Dicke der Elektrolytmembran 22 bevorzugt
im Bereich zwischen 10 bis 50 Mikrometern eingestellt.
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Unter
Bezugnahme auf 9 wird nachstehend eine Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Um die folgende Erklärung zu
vereinfachen, werden Komponenten oder Elemente in 9,
die zu Komponenten oder Elementen in 1 äquivalent
sind, durch die gleichen Bezugszeichen definiert, und ihre detaillierten
Beschreibungen werden ausgelassen.
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Bei
der Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
wird die Wasserstoffabgabemündung 29 geschlossen, und
die Sauerstoffabgabemündung 28 auf
der Seite der Oxidationsmittelelektrode 24 wird an einen
Sauerstoffzufuhrweg 51 angeschlossen, welcher an die Sauerstoffzufuhrmündung 30 angeschlossen
ist, so dass ein geschlossener Kreislaufweg 52 ausgebildet wird.
Ein Kondensator 53 und eine Umlaufpumpe 54 sind
in Reihe mit dem geschlossenen Kreislaufweg 52 geschaltet,
und in dem geschlossenen Kreislaufweg 52 ist eine (nicht
gezeigte) Durchflussvolumen-Steuervorrichtung zum Steuern des Durchflussvolumens
des durch den geschlossenen Kreislaufweg 52 zirkulierenden
Gases auf einen festgelegten Wert bereitgestellt.
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10 zeigt
Spannungs-Zeit-Charakteristiken (mittlere Zellenspannung über verstrichener Stromerzeugungsdauer
in Stunden), wenn das Sauerstoffgas-Umlaufverhältnis (Umlaufvolumen von Sauerstoffgas/theoretisches
Volumen von Sauerstoffgas) auf 0,2, 4 bzw. 8 eingestellt wird. 11 zeigt
eine Brennstoffzellenspannungscharakteristik im Dauerbetrieb bei
einem Laststrom von 30 A, einem Sauerstoffgas-Umlaufverhältnis von
4 und einer Betriebstemperatur von 65°C. Wie in 10 und 11 zu
sehen ist, sammelt sich bei einem Sauerstoffgas-Umlaufverhältnis von
weniger als 2 Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 21 an
und verursacht mit hoher Wahrscheinlichkeit eine frühere Verschlechterung
der Brennstoffzellencharakteristiken. Wenn andererseits das Sauerstoffgas-Umlaufverhältnis größer als
10 ist, wird die Geschwindigkeit des Umlaufgases übermäßig erhöht, was
die Feuchtigkeitsregelung in dem Kondensator 53 und dem Brennstoffzellenstapel
verkompliziert. Außerdem
erhöht
sich bei Steigerung der Geschwindigkeit des Umlaufgases der Druckverlust
in der Brennstoffzelle, wodurch eine übermäßige Druckdifferenz zwischen der
Seite der Wasserstoff- und der Seite der Oxidationsmittelelektrode
geschaffen wird, was unerwartete Ereignisse wie etwa das Durchbrechen
des Wasserstoff- und des Sauerstoffgases zur Folge haben kann. Daher
wird das Volumen des durch den geschlossenen Kreislaufweg 52 zirkulierenden
Sauerstoffgases bevorzugt in dem Bereich von 2- bis 10-mal größer als
das theoretische Sauerstoffgasvolumen, das erforderlich ist, um
den elektrischen Strom auf elektrochemischem Wege zu erzeugen, gehalten.
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Wie
in 12 gezeigt ist, umfasst der Kondensator 53 einen
zylindrischen Behälter 55,
einen die äußere Begrenzung
des Behälters 55 umfangenden
Kühler 56,
eine an die Innenfläche
angrenzend an die Unterseite des Behälters 55 angebrachte Lochplatte 57 und
ein zylinderförmiges
absorbierendes Element 58, das aus einer Vielzahl von absorbierenden,
auf die Lochplatte 57 laminierten Materialien zusammengesetzt
ist. Durch das absorbierende Element 58 verlaufen vertikal
eine Vielzahl von Verbindungslöchern 60,
welche das Sauerstoffgas glatt durch den Kondensator 53 strömen lassen,
selbst wenn das absorbierende Element 58 das Wasser absorbiert.
Dies macht es möglich; eine stabile und hohe Stromerzeugungsleistung
aufrechtzuerhalten. Die Oberseite bzw. die Unterseite der äußeren Begrenzung
des Behälters 55 sind
mit einem Gaseinlass 61 bzw. einem Gasauslass 62 versehen.
Die Oberseite bzw. die Unterseite des Kühlers 56 sind mit einem
Kühlmediumeinlass 63 bzw.
einem Kühlmediumauslass 64 versehen.
Der Kühler 56 ist
außerdem mit
einer Temperatursteuervorrichtung (nicht gezeigt) zum Steuern der
Temperatur des durch den Kühler 56 zirkulierenden
Kühlmediums
auf einen festgelegten Wert versehen.
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Als
Beispiel besteht bei der zweiten Ausführungsform der Behälter 55 aus
Edelstahl und ist mit einer Dicke von 0,5 mm, einem Durchmesser
von 8 cm und einer Höhe
von 20 cm ausgebildet. Der Kühler 56 weist
einen Außendurchmesser
von 11 cm auf. Die Umlaufpumpe 54 besteht aus einer Pumpe
vom Diaphragmatyp. Das absorbierende Element 58 ist mit
einem Durchmesser von 7,5 cm, einer Dicke von 15 cm und einer Porosität von 80
% ausgebildet und besteht aus im Handel erhältlichem Nylonvlies, das dazu
befähigt
ist, ca. 500 ml Wasser aufzunehmen. Jedes der Verbindungslöcher 60 weist
einen Innendurchmesser von 4 mm auf.
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Als
eine Alternative zu dem Kondensator 53 kann ein Kondensator 66 wie
der in 13 gezeigte benutzt werden.
Der Kondensator 66 umfasst eine Vielzahl von absorbierenden
Elementen 58, die jeweils eine Vielzahl von an zufälligen Positionen
davon vertikal verlaufenden Verbindungslöchern 60 aufweisen,
und eine Vielzahl poröser
Elemente 65, die eine niedrige Wasserabsorptionseigenschaft
und eine hohe Gasdurchlässigkeit
aufweisen. Das absorbierende Element 58 und das poröse Element 65 sind
abwechselnd in dem Behälter 55 laminiert.
In diesem Falle kann das Sauerstoffgas extensiver diffundiert werden,
um eine verbesserte Kondensierleistung hervorzubringen.
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Alternativ
dazu kann ein Kondensator 66' wie der
in 14 gezeigte benutzt werden. Der Kondensator 66' umfasst eine
Kühlvorrichtung 67 und
eine Kondenswasser-Behältervorrichtung 68,
die separat von der Kühlvorrichtung 67 bereitgestellt
ist. In diesem Falle besitzt die Kühlvorrichtung 67 die
Funktion, Wasserdampf in dem abgegebenen Sauerstoffgas zu kondensieren,
und die Kondenswasser-Behältervorrichtung 68 besitzt
die Funktion, das sich ergebende Kondenswasser aufzubewahren. In
diesem Fall sind die Funktion des Kondensierens des Wasserdampfes
und die Funktion des Aufbewahrens des Kondenswassers getrennt. Somit
kann die Kühlvorrichtung 67 selbst
dann, wenn der Behälter 55 zur
Steigerung der Kondenswasserkapazität einen größeren Außendurchmesser aufweist, eine
angemessene Kühleffizienz
aufrechterhalten, um Wasserdampf in dem abgegebenen Sauerstoffgas
mit einer weiter verbesserten Effizienz zu kondensieren.
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Wie
in 15 gezeigt ist, kann der Kondensator 66 ferner
ein Kolbenelement 69 aufweisen, das über dem absorbierenden Glied 58 bereitgestellt
und dazu eingerichtet ist, gleitend vertikal entlang der Innenfläche des
Behälters 55 bewegt
zu werden. Das Kolbenelement 69 besitzt die Funktion, die
absorbierenden Elemente 58 und die porösen Elemente 65 in festgelegten
Zeitintervallen oder Betriebszyklen von oben zu komprimieren, um
das in den absorbierenden Elementen 58 enthaltene Kondenswasser
auszuquetschen und es gewaltsam durch eine an der Unterseite des
Behälters 55 bereitgestellte
Abgabemündung 70 abzugeben
(siehe 15B). Nachdem das Kondenswasser
abgegeben worden ist, wird das Kolbenelement 69 nach oben
in seine Ausgangsposition bewegt, und die absorbierenden Elemente 58 und
die porösen
Elemente 65 werden aufgrund ihrer Elastizität in ihren
Ausgangszustand zurückversetzt (siehe 15A). Der Betriebszyklus zum Abgeben des Kondenswassers
aus dem Kondensator 66 wird entsprechend einer Wasserkapazität des Kondensators 66,
der Anzahl der laminierten Brennstoffzellen-Einheiten des Brennstoffzellenstapels
und der Menge des zu erzeugenden Stromes bestimmt.
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Die
in der Brennstoffzelle zu erzeugende Wassermenge lässt sich
logisch mittels folgender Formel berechnen: Wassermenge
(g) = Strom (A) × Stromabgabedauer (Sekunden)/F × 9(g) × Anzahl
Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels,wobei
F die Faradaykonstante von 96500 Coulomb (A mal Sekunde) ist und
9(g) die von einem Faraday erzeugte Wassermasse angibt.
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Selbst
wenn der Strom und die Stromabgabedauer zufällig verändert werden, kann die gesamte Wassermenge
bestimmt werden, indem die obige Formel benutzt wird, um die jeweiligen
Wassermengen für
die einzelnen Ströme
und Stromabgabedauern zu berechnen und die berechneten Werte summiert
werden. Somit kann die Brennstoffzelle kontinuierlich betrieben
werden, indem die Wassermenge unterhalb des oberen Grenzwerts der
Wasserkapazität
des Kondensators 66 eingestellt wird. In diesem Falle kann
der Betriebszyklus des Abgebens des Kondenswassers angemessen eingerichtet
werden, um nachteilige Auswirkungen auf die Stromerzeugungsfunktion
der Brennstoffzelle bei hohem Erzeugungsstrom zu vermeiden.
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Ferner
können
eine Vielzahl von Kondensatoren 66, zum Beispiel zwei der
Kondensatoren 66, wie in 16 und 17 gezeigt,
bereitgestellt werden. In diesem Falle ist an der stromaufwärts gelegenen
Seite der Kondensatoren 66, 66 ein Regelventil 71 bereitgestellt,
und die Kondensatoren 66, 66 können unabhängig voneinander betrieben
werden, wie in 16 gezeigt. Alternativ hierzu
können,
wie in 17 gezeigt, die jeweiligen Kolbenelemente 69, 69 der
Kondensatoren 66, 66 mit unterschiedlichen Zeitabläufen betrieben
werden, und das Regelventil 71 kann dergestalt gesteuert
werden, dass das abgegebene Sauerstoffgas durch einen der Kondensatoren 66, 66 strömt, während das
Kolbenelement 69 des anderen Kondensators 66 betrieben
wird, um auf diese Weise kontinuierlich Wasserdampf in dem abgegebenen
Sauerstoffgas zu kondensieren und das Kondenswasser zu entfernen.
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Des
Weiteren kann, wie in 18 gezeigt, ein
Bypassrohr 72 zum Umgehen des Kondensators 66 bereitgestellt
werden, um das abgegebene Sauerstoffgas während des Abgebens des Kondenswassers
aus dem Kondensator 66, bevorzugt für eine kurze Zeitdauer, direkt
in den Brennstoffzellenstapel 21 zurückzuführen, ohne es durch den Kondensator 66 zu
leiten (siehe 18B).
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Bei
der zweiten Ausführungsform
besteht das absorbierende Element 58 aus Nylonvlies. Das absorbierende
Element 58 kann jedoch aus jedem geeigneten Material hergestellt
werden, das exzellente Absorptionsfähigkeit aufweist, zum Beispiel
Gewebe oder Vliese aus Regeneratcellulosefaserstoff, Naturfaser
oder dergleichen. Ferner kann das Kühlmedium des Kühlers 56 entsprechend
den Einsatzbedingungen unter der aus Wasser, Ammoniakwasser, Ethylenglycol
und Mineralöl
bestehenden Gruppe ausgewählt
werden. Außerdem
kann die Innenfläche
des Behälters 55,
der das absorbierende Element 58 enthält, mit konkaven und konvexen
Abschnitten ausgebildet werden, um eine erhöhte Wärmeleitungsfläche bereitzustellen.
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19 zeigt
ein Messergebnis der mittleren Zellenspannung, wobei der Brennstoffzellenstapel 21,
welcher dieselben Spezifikationen wie bei der ersten Ausführungsform
aufwies, bei einer Betriebstemperatur von 65°C, einem Strom von 30 A und
einem Sauerstoffgas-Umlaufverhältnis von
4 betrieben wurde, der Kondensator 66' separat die Kühlvorrichtung 67 und
die Kondenswasser-Behältervorrichtung 68 (siehe 14)
aufwies und Wasser als sein Kühlmedium
benutzte und die Temperatur des Kühlwassers auf 20°C, 40°C, 55°C, 65°C, 75°C bzw. 85°C eingestellt
wurde. Gemäß diesem
Messergebnis trocknete die Elektrolytmembran aus, als die Kühlwassertemperatur
auf 20°C
eingestellt wurde, wodurch die mittlere Zellenspannung allmählich reduziert
wurde. Als die Kühlwassertemperatur
auf 85°C eingestellt
wurde, wurde die Elektrolytmembran übermäßig befeuchtet und infolgedessen
wurden die angrenzende Katalysatorschicht und das Trennelement an
dessen Außenseite
befeuchtet, so dass ein so genanntes Flutungsphänomen, bei dem sich die Diffusion
der Reaktionsgase in die Elektrolytmembran verschlechtert, ausgelöst wurde
und die mittlere Zellenspannung abgesenkt wurde. Bei den anderen Kühlwassertemperaturen
wurden keine wesentlichen Absenkungen der mittleren Zellenspannung
beobachtet. Somit wurde bewiesen, dass eine relativ exzellente zeitbasierte
Charakteristik erzielt werden kann, indem die Kühlwassertemperatur im Bereich von –30°C bis +10°C im Bezug
auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle eingestellt wird.
Außerdem
wurde experimentell bewiesen, dass da Kühlwasser bevorzugt für größere Sauerstoffgas-Umlaufverhältnisse
auf höhere
Temperaturen und für
kleinere Sauerstoffgas-Umlaufverhältnisse auf niedrigere Temperaturen
eingestellt wird.
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Nachstehend
wird der Betrieb der Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
gemäß der zweiten
Ausführungsform
beschrieben.
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Wie
bei der ersten Ausführungsform
benutzt die Brennstoffzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
reines Wasserstoffgas als Brennstoff und reines Sauerstoffgas als
Oxidationsmittel. Das reine Wasserstoffgas und das reine Sauerstoffgas,
die in den Brennstoffzellenstapel 21 zugeführt werden,
strömen in
entgegengesetzten Richtungen entlang der Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 und
erzeugen elektrischen Strom. In diesem Falle beträgt der Nutzungsgrad
des reinen Wasserstoffgases ungefähr 100 %, da die Wasserstoffabgabemündung 29 geschlossen
ist. Nachdem es mit dem Wasserstoffgas reagiert hat, wird das reine
Sauerstoffgas von einer Steuervorrichtung auf ein festgelegtes Durchflussvolumen
geregelt und durch die Sauerstoffabgabemündung 28, den geschlossenen
Kreislaufweg 52 und den Gaseinlass 61 in den Kondensator 53 geleitet. Daraufhin
kühlt der
Kühler 56 das
abgegebene reine Sauerstoffgas, das in den Kondensator 53 geleitet wurde,
auf eine festgelegte Temperatur herunter, um Wasserdampf in dem
abgegebenen reinen Sauerstoffgas zu kondensieren und Kondenswasser
zu erzeugen. Das Kondenswasser wird in dem absorbierenden Element 58 absorbiert,
während
das abgegebene reine Sauerstoffgas durch die Verbindungslöcher 60 geht.
Das durch den Gasauslass 62 aus dem Kondensator 53 nach
außen
abgegebene reine Sauerstoffgas wird von der Umlaufpumpe 54 gewaltsam aus
dem geschlossenen Kreislaufweg 52 in den Sauerstoffzufuhrweg 51 geleitet.
Daraufhin wird das abgegebene reine Sauerstoffgas mit dem reinen
Sauerstoffgas aus der Zufuhrquelle für reines Sauerstoffgas gemischt
und durch die Sauerstoffzufuhrmündung 30 zurück zu der
Seite der Oxidationsmittelelektrode 24 geführt.
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Wie
oben sind durch das Schließen
der Wasserstoffabgabemündung 29 und
das Ausbilden des geschlossenen Kreislaufwegs 52 auf der
Seite der Oxidationsmittelelektrode 24 die Nutzungsgrade
sowohl des Wasserstoffgases als auch des Sauerstoffgrades ungefähr 100 %.
Außerdem
kann durch Steuern des Umlaufvolumens und der Temperatur des Sauerstoffgases
die Feuchtigkeit der Elektrolytmembran in einem festgelegten Bereich
aufrechterhalten werden, während
verhindert wird, dass sich das von der Reaktion zwischen dem Sauerstoffgas
und dem Wasserstoffgas erzeugte Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 21 ansammelt.
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Ferner
wird das während
der Stromerzeugung erzeugte Wasser im Kondensator aufbewahrt, und
die Wassermenge wird angemessen gesteuert. Somit kann die Brennstoffzelle effizient
elektrischen Strom erzeugen, ohne dass sich Wasser auf der Elektrolytmembran
ansammelt und ohne dass das Flutungsphänomen auftritt. Das in dem
absorbierenden Element 58 des Kondensators 53 oder 66 absorbierte
Kondenswasser kann in einer geschlossenen Umgebung wie z.B. im Weltraum
als Trinkwasser benutzt oder durch Erzeugung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas
in einem elektrolytischen Prozess zur Stromerzeugung wiederverwendet
werden.
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Der
vorstehend erwähnte
Kondensator 53, 66 oder 66' kann das durch Stromerzeugung
bei hohem Strom im Überschuss
erzeugte Wasser effizient entfernen, um eine angemessene Stromerzeugungsleistung
der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten. Das im Kondensator 53, 66 oder 66' bereitgestellte
absorbierende Element 58 kann selbst bei sehr niedriger Gravitation
wie z.B. im Weltraum das Kondenswasser am freien Schweben im Kondensator 53, 66 oder 66' hindern, um
eine stabile Stromerzeugung zu erzielen.
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Bei
der obigen Ausführungsform
wird das Umlaufgas, das eine erwünschte
Feuchtigkeit aufweist, dem Brennstoffzellenstapel 21 wieder
zugeführt,
indem die Temperatur des Kühlmediums
der Kondensatorstromerzeugung angemessen gesteuert und der partielle
Druck des Wasserdampfes des Umlaufgases angepasst wird, das durch
den geschlossenen Kreislaufweg 52 wieder dem Brennstoffzellenstapel 21 zugeführt wird.
Somit können
die bei dem Kondensator 53, 66 oder 66' zu entfernende
Wassermenge und die Menge des Umlaufgases auf eine gut balancierte
Art und Weise gesteuert werden. Dies kann das Auftreten eines Austrocknungsphänomens verhindern,
das andernfalls durch übermäßiges Entfernen
des Wassers in dem Brennstoffzellenstapel 21 verursacht
würde und
die Elektrolytmembran 22 austrocknen und die Transmission
von Wasserstoffionen blockieren würde, und auf diese Weise wird
eine verbesserte Stromerzeugungsleistung geschaffen.
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Da
ferner als Oxidationsmittel Sauerstoffgas benutzt wird, lässt der
Gasumlauf eine Nutzung von 100 % des zugeführten Gases zu. Ferner lässt sich der
partielle Druck des Wassers frei ändern, indem das Sauerstoffgas-Umlaufverhältnis angepasst
wird, und dadurch kann der zulässige
Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle vergrößert werden.
Wenn die Brennstoffzelle beispielsweise bei einem Sauerstoffgas-Umlaufverhältnis von
2 betrieben wird, kann die zulässige
Betriebstemperatur bis auf 87°C
erhöht werden.
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Zwar
ist der geschlossene Kreislaufweg bei der obigen Ausführungsform
auf der Seite der Oxidationsmittelelektrode 24 bereitgestellt,
doch kann der geschlossene Kreislaufweg 52 entweder auf
der Seite der Brennstoffelektrode 23 oder auf der Seite
der Oxidationsmittelelektrode 24 oder auf beiden Seiten bereitgestellt
werden. Bevorzugt wird jedoch der geschlossene Kreislaufweg 52 mindestens
auf der Seite bereitgestellt, auf welcher Wasser erzeugt wird, im Speziellen
auf der Seite der Oxidationsmittelelektrode 24, wenn die
Wasserstoffionen-Elektrolytmembran 22 benutzt wird, oder
auf der Seite der Brennstoffelektrode 23, wenn eine Hydroxidionen-
oder Kohlenstoffionen-Elektrolytmembran benutzt wird.
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Ferner
kann, wie in 20 gezeigt, die Sauerstoffgas-Zufuhrquelle
mit der Einlassseite des Kondensators 53 verbunden werden.
In diesem Falle war die Beziehung zwischen der Umlaufmenge des Sauerstoffgases
und der Brennstoffzellencharakteristik dieselbe wie bei der obigen
Ausführungsform.
Außerdem
ist diese Konstruktion vorteilhafterweise dazu befähigt, die
Feuchtigkeit des durch das Innere des Brennstoffzellenstapels 21 zu
zirkulierenden Sauerstoffgases einfacher zu steuern und die Brennstoffzelle
angemessen zu betreiben, während
die Temperatur des Kondensators 53 um 5 bis 10°C abgesenkt wird.
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Wie
oben erwähnt
wurde, strömen
gemäß der vorliegenden
Erfindung das erste Gas, das der Seite der Brennstoffelektrode zugeführt wird,
und das zweite Gas, das der Seite der Oxidationsmittelelektrode
zugeführt
wird, in entgegengesetzten Richtungen in den Brennstoffzellenstapel,
so dass das Wasser durch die Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran zwischen
der Brennstoff- und der Oxidationsmittel-Elektrode hin und her bewegt
wird. Somit wird der Wasser haltende Bereich in der Feststoff-Polymerelektrolyt-Membran
erhöht,
um verbesserte Brennstoffzellencharakteristiken zu erzielen.
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Da
außerdem
die Notwendigkeit, einen Befeuchter bereitstellen zu müssen, eliminiert
wird, kann die Größe und/oder
das Gewicht der Brennstoffzelle reduziert werden. Ferner kann der
geschlossene Kreislaufweg ausgebildet und/oder die Mündung zum
Abgeben des Gases aus dem Brennstoffzellenstapel geschlossen werden,
um verbesserte Nutzungsgrade der Gase auf der Seite der Brennstoffelektrode
bzw. der Seite der Sauerstoffelektrode zu schaffen.
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Darüber hinaus
können
das Durchflussvolumen und/oder die Temperatur des Umlaufgases in dem
geschlossenen Kreislaufweg gesteuert werden, um die Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzellenstapel zu steuern, um auf dieses Weise diverse
exzellente Effekte bereitzustellen, wie zum Beispiel Verbesserung der
Brennstoffzellenleistung, Senkung der Betriebskosten und höhere Leistungserzeugung.