DE10312186B4

DE10312186B4 - Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen

Info

Publication number: DE10312186B4
Application number: DE10312186A
Authority: DE
Inventors: Yukio Inuyama Naruse; Noboru Inuyama Ohwaki; Shoji Inuyama Nawa; Yasuo Inuyama Ido
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: DE10312186A1; CN1447469A; TW200304711A; JP2003282125A; US20030180600A1; JP3665769B2; TW582126B; US7008712B2; GB2386745A; GB2386745B; CN1265488C; GB0304251D0

Abstract

Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen, Endplatten, Elektroden aus separaten Scheibensegmenten und einer gemeinsamen Polymer-Elektrolyt-Membran,
mit zwischen den Endplatten (24a, 24b) bereitgestellten Zellenabschnitten (10),
mit einem in einem Mittelabschnitt des Zellenabschnitts (10) bereitgestellten Brennstoffverteiler (32), um Brennstoff den Zellenabschnitten (10) zuzuführen,
mit einem einzelnen Verbindungsbolzen (26), welcher durch einen Mittelabschnitt des Brennstoffverteilers (32) und den Mittelabschnitt des Zellenabschnitts (10) hindurchgeht, um die Brennstoffzellenabschnitte (10) in einen einheitlichen Aufbau zusammenzuklemmen, und
mit jeweils mit jeweiligen O-Ringen (36) auf beide Endabschnitte des Verbindungsbolzens (26) geschraubten Fixierbolzen (40, 50), um die Zellenabschnitte (10) zwischen die Endplatten (24a, 24b) zu klemmen,
wobei jeder Zellenabschnitt (10)
– die Polymer-Elektrolyt-Membran (12),
– eine jeweils auf einer Seite der Polymer-Elektrolyt-Membran (12) in gegenüberliegender Beziehung zueinander angeordnete Sauerstoffelektrode (13b) und Brennstoffelektrode (13a),
– eine benachbart zu der Sauerstoffelektrode (13b) angeordnete Flussfeldplatte (18), und
– jeweils an einer äußeren Seite der Flussfeldplatte...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen, welcher als Stromquelle oder als elektrischer Generator für verschiedene Anwendungen wie Outdoor-, Freizeit- und Haushaltsanwendungen und zudem für eine Büromaschine und ähnliches benutzt werden kann und welcher unter Benutzung eines leisen, leichten und verschmutzungsfreien festen Polymerbrennstoffzellenstapel als Flachtyp ausgebildet ist.
Im Allgemeinen benutzen Brennstoffzellenstapel Wasserstoff als Hauptbrennstoff und entnehmen die während der chemischen Reaktion dieses Wasserstoffs mit Sauerstoff erzeugte Energie. Es gibt mehrere Arten von Brennstoffzellenstapeln, und eine Art ist ein Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel. Dieser Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel weist Eigenschaften wie niedrige Betriebstemperatur und hohe Ausgabedichte auf.
Ein Beispiel eines solchen herkömmlichen Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels ist im US-Patent Nr. 5,595,834 A oder in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-66109, welche früher von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung eingereicht wurde, offenbart. Bei einem derartigen, in 3 gezeigten Brennstoffzellenstapel sind eine Anode (Brennstoffelektrode) 13a und eine Kathode (Sauerstoffelektrode) 13b auf beiden Seiten einer Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 bereitgestellt. Weiterhin ist eine Sauerstoffflussfeldplatte 18 benachbart zu der Sauerstoffelektrode 13b angeordnet und Trennplatten 34 sind jeweils auf beiden Seiten der Brennstoffelektrode 13a und der Sauerstoffflussfeldplatte 18 angeordnet, um die Einheitszelle 10 zu bilden, indem sie miteinander integriert werden. Eine Mehrzahl von Einheitszellen 10 wird zusammen gestapelt. Derartige Trennplatten mit Anschlüssen zur Ausgabe von erzeugter Leistung dienen als Stromkollektorplatten 35a und 35b. Ein von einer hydrophilen Hülle gebildeter Verteiler 32 führt durch ein zentrales Loch in jeder Einheitszelle 10 und steht mit der Brennstoffelektrode 13a jeder Einheitszelle in Verbindung. Ein Verbindungsbolzen 26 geht durch die Mitte oder Achse der hydrophilen Hülle hindurch, und Endplatten 24 sind an beiden Endabschnitten des Verbindungsbolzens 26 angebracht, um die Hülle zwischen den zwei Enden des Verbindungsbolzens 26 festzumachen. Diese Brennstoffzellenkomponenten sind durch Nuten 40 und 50 über Dichtungsringe und O-Ringe 36 aneinander in einem einheitlichen Aufbau befestigt. Derartige Brennstoffzellenstapel sind für Brennstoffzellenstapel mit geringer Leistung geeignet und können daher als leichte Brennstoffzellenstapel mit geringer Größe entworfen werden.
Bei diesem Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel wird Brennstoff der Brennstoffelektrode 13a durch einen Mittelabschnitt der Nut 40 zugeführt und über die hydrophile Hülle, welche den Brennstoffverteiler 32 bildet, verteilt.
Jedoch wird der obige herkömmliche Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel als Stromquelle einer Ausrüstung kleiner Größe oder dergleichen verwendet und sollte daher unter Beibehaltung von Hochspannungs- und Niedrigstromeigenschaften in einer kleineren und flacheren Bauweise ausgebildet werden. Wenn es erforderlich ist, eine hohe Spannung zu erzeugen, ist es nötig, viele Zellen zu stapeln, und damit ist es schwierig, eine flache Bauart einer Brennstoffzelle zu erreichen. Damit die Brennstoffzelle als Stromquelle einer Büromaschine oder dergleichen benutzt werden kann, ist es nötig, einen niedrigen Strom mit einer hohen Spannung zu erhalten, und es ist nötig, die Größe des Zellenabschnitts zu verringern, und wenn die äußere Größe davon somit verringert wird, traten Schwierigkeiten bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels auf, da Brennstoff, d.h. Wasserstoff, von dem zentralen Achsabschnitt zugeführt wird.
In der EP 0 704 109 B1 ist ein zylinderförmiger Reaktorbehälter beschrieben, in dem sechs Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel ringförmig unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei der von den Stapeln eingeschlossene Zentralraum als Luftaustrittsraum verwendet wird. Die Brennstoffzufuhr findet dabei an jedem Stapel über eine im oberen Teil des jeweiligen Stapels angebrachte Leitung statt. Luft wird über einen außerhalb des Brennstoffzellenstapels liegenden Ringraum zugeführt.
Aus der DE 699 05 019 T2 ist eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer zentralen Brennstoffzufuhr zu Elektroden bekannt, wobei die Elektroden nicht in unabhängig voneinander funktionierende Segmente unterteilt sind.
Die Druckschrift DE 27 06 310 A1 offenbart eine rohrförmige Brennstoffzelle mit kreisförmigen Elektroden, welche zentrisch mit einer Achse verbunden sind und über zwei Endplatten und Dichtungsringen aus Weichgummiflüssigkeit dicht aneinander gepresst sind. Verbindungskanäle zwischen den Kathodenräumen und zwischen den Anodenräumen sind in einem äußeren Rohrrahmen der Brennstoffzelle hineinverlegt. Die zentrische Achse der Brennstoffzelle dient neben der Befestigung der Stromzuführung keiner Brennstoffzufuhr.
Schließlich ist aus der Druckschrift GB 2 373 093 A ein tragbarer Brennstoffzellenstapel bekannt, dessen Zellabschnitte jedoch nicht geteilt sind.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des zuvor diskutierten Problems gemacht. Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen bereitzustellen, welcher in einer kleinen und leichten Bauweise ausgebildet ist, um das bei der Produktion aufgetretene Problem zu lösen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen bereitzustellen, welcher in einer flachen Bauweise ausgebildet ist, so dass er für eine Hochspannungs- und Niedrigstromausrüstung kleiner Größe geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zur Lösung der obigen Aufgaben wird ein Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen bereitgestellt, bei dem eine Mehrzahl von elektrisch voneinander isolierten Abschnitten ausgebildet ist, indem ein Zellenabschnitt auf jeder Seite einer Polymer-Elektrolyt-Membran abgetrennt ist.
Die folgenden Funktionen werden durch diesen ersten Aspekt der Erfindung erreicht:

(1) Die Mehrzahl von Abschnitten funktionieren jeweils als Einheitszellen (einzelne Zellen), und damit kann jeder Abschnitt als Einheitszelle funktionieren, so dass eine Ausgabe mit hoher Spannung und niedrigem Strom erhalten werden kann, und diese Ausgabe kann mit derselben Größe wie der einer herkömmlichen einzelnen Zelle erreicht werden, und damit kann die Anzahl von in derselben Ebene angeordneten Einheitszellen erhöht werden, und damit kann die Anzahl an Zellenabschnitten verringert werden, so dass der Brennstoffzellenstapel in einer flachen Bauart ausgebildet werden kann.
(2) Um einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, welcher in der Lage ist, eine Ausgabe mit hoher Spannung und niedrigem Strom zu erzeugen, war es bisher nötig, die Fläche sowohl einer Polymer-Elektrolyt-Membran als auch einer Brennstoffelektrode, einer Sauerstoffelektrode, von Separatorplatten usw. in jeder Einheitszelle mit einem in einem zentralen Abschnitt davon angeordneten Brennstoffverteiler zur Zufuhr von Brennstoff zu verringern, und es war zudem nötig, viele Einheitszellen bereitzustellen. Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine Mehrzahl von Einheitszellen in einem Zellenabschnitt in einer gemeinsamen Ebene bereitgestellt, und dadurch kann das bei der Produktion aufgetretene Problem gelöst werden. Die vorliegende Erfindung hat einen zweiten Aspekt, dass die Mehrzahl von Abschnitten dadurch gebildet wird, dass die Brennstoffelektrode, die Sauerstoffelektrode, die Sauerstoffflussfeldplatte und jede der Trennplatten geteilt sind.
(3) Bei diesem zweiten Aspekt sind die Brennstoffelektrode, die Sauerstoffelektrode, die Sauerstoffflussfeldplatte und jede Trennplatte mit Ausnahme der Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt, und damit funktioniert jeder abgeteilte Abschnitt als eine Einheitszelle, und damit kann, indem der Zellenabschnitt in einer erforderlichen Größe ausgebildet ist, die Brennstoffzelle mit einem Hochspannungs- und Niedrigstromverhalten leicht erhalten werden. Die vorliegende Erfindung hat einen dritten Aspekt, nach dem die getrennten Abschnitte der Brennstoffelektrode voneinander durch eine aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigten äußeren Dichtung voneinander getrennt sind, während die getrennten Abschnitte der Sauerstoffelektrode ebenso wie die getrennten Abschnitte der Sauerstoffflussfeldplatte von einander durch eine aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigte innere Dichtung getrennt sind.
(4) Bei diesem dritten Aspekt sind die Abschnitte voneinander durch die elektrisch isolierenden Dichtungen getrennt, und damit kann jeder der Abschnitte, welche voneinander durch radial sich nach außen erstreckende Abschnitte der inneren Dichtung und radial nach innen erstreckende Abschnitte der äußeren Dichtung getrennt sind, wobei jede der Dichtungen in die entsprechenden Grenzgebiete zwischen den benachbarten Abschnitten eingepasst sind, sicher die vorgesehene Funktion als Einheitszelle erfüllen.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Explosionszeichnung eines Brennstoffzellenstapels mit geteilten Zellen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 einen Graph mit Ausgabecharakteristiken des Brennstoffzellenstapels mit geteilten Zellen aus 1, und
3 eine schematische Explosionszeichnung eines herkömmlichen Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels.
1 zeigt eine perspektivische Explosionszeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit geteilten Zellen in einem auseinandergebauten Zustand, und 2 ist ein Diagramm, in dem die Leistung eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels mit der Leistung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit geteilten Zellen verglichen ist. Dieser Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen wird Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel genannt und benutzt Brennstoff wie beispielweise Wasserstoff. Dieser Brennstoffzellenstapel um fasst einen durch eine innere Dichtung 22 abgetrennten Zellenabschnitt 10, bei dem der Zellenabschnitt 10 eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 aufweist, welche aus einem Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Polymermaterial gefertigt ist und eine Dicke von 0,05 mm aufweist, eine Brennstoffelektrode 13a, welche aus einem folienähnlichen Carbonmaterial gefertigt ist und eine Dicke von 0,05 mm, einen Innendurchmesser von 15 mm und einen Außendurchmesser von 45 mm aufweist, und eine Sauerstoffelektrode 13b, welche aus einem folienähnlichen Carbonmaterial gefertigt ist und eine Dicke von 0,5 mm, einen Innendurchmesser von 19 mm und einen Außendurchmesser von 55 mm aufweist, welche jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 bereitgestellt sind, eine Sauerstoffflussfeldplatte 18, welche aus einem Carbonmaterial gefertigt ist und eine Dicke von 3,5 mm, einen Innendurchmesser von 19 mm und einen Außendurchmesser von 55 mm aufweist und auf einer äußeren Seite der Sauerstoffelektrode 13b angeordnet ist, eine ringförmige äußere Dichtung 16, welche elektrische Isolationseigenschaften aufweist und aus einem Synthetikgummi wie EPDM gefertigt ist und eine Dicke von 5 mm aufweist, wobei diese äußere Dichtung einen äußeren Rand der Brennstoffelektrode 13a abdichtet, eine innere Dichtung 22, welche aus synthetischem Gummi wie EPDM gefertigt ist und eine Dicke von 2 mm aufweist, wobei die innere Dichtung 22 innere Ränder der Sauerstoffelektrode 13b und Sauerstoffflussfeldplatte 18 abdichtet, und Trennplatten 34, von denen jede aus rostfreiem Stahl gefertigt ist und eine Dicke von 0,3 mm und einen größeren Durchmesser als derjenige der anderen Bestandteile aufweist, zwischen die die obigen Bestandteile dazwischengestellt sind.
Bei dem obigen Brennstoffzellenstapel ist eine Mehrzahl von geteilten Abschnitten auf beiden Seiten der Festpolymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet, und auf der die Brennstoffelektrode 13a umfassenden Seiten ist diese Brennstoffelektrode 13a ebenso wie die Trennplatte 34a gleichmäßig in vier Abschnitte aufgeteilt, und vier mit der äußeren Dichtung 16 ausgebildete und sich von dieser erstreckende Dichtungsabschnitte (elektrisch isolierende Abschnitte) sind jeweils in Grenzgebiete zwischen den jeweiligen benachbarten abgetrennten Abschnitten der Brennstoffelektrode 13a und ebenso in Grenzgebieten zwischen jeweils benachbarten getrennten Abschnitten der Trennplatte 34a eingepasst und festgemacht. Auf der anderen Seite sind auf der die Sauerstoffelektrode 13b umfassenden Seite sowohl die Sauerstoffelektrode 13b als auch die Sauerstoffflussfeldplatte 18 und die Trennplatte 34b gleichmäßig in vier Abschnitte aufgeteilt, und vier integral mit der inneren Dichtung 22 gebildete und sich von dieser erstreckende Dichtungsabschnitte, d.h. elektrisch isolierende Abschnitte, sind jeweils in Grenzgebiete zwischen den jeweiligen benachbarten getrennten Abschnitten sowohl der Sauerstoffelektrode 13b als auch der Sauerstoffflussfeldplatte 18 und der Trennplatte 34b eingepasst und festgemacht. Auf diese Weise ist die Mehrzahl von abgetrennten Abschnitten gebildet. Die Trennplatte 34a, die Brennstoffelektrode 13a, die Sauerstoffelektrode 13b, die Sauerstoffflussfeldplatte 18 und die Trennplatte 34b, von denen jede somit in die vier Teilabschnitte aufgeteilt ist, sind in derselben Ebene angeordnet, um den Zellenabschnitt 10 zu bilden, und die geteilten Abschnitte funktionieren jeweils als Einheitszellen (einzelne Zellen) und können die Hochspannungs- und Niedrigstromausgangsleistung aufweisen.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff hauptsächlich Wasserstoff, und Sauerstoff ist Luftsauerstoff und wird als Luft zugeführt. Die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 ist mit einem Katalysator für eine chemische Reaktion ausgestattet. Im Folgenden wird die Versorgung mit Brennstoff betrieben, und obwohl Brennstoff unter Benutzung von Nuten 40 und 50 zugeführt werden kann, kann Brennstoff auch direkt über ein in einem zentralen Abschnitt eines Verbindungsbolzen 26 entlang einer Achse davon ausgebildeten Verbindungsloch zugeführt werden, wie in 1 gezeigt.
Der Verbindungsbolzen 26 mit dem zentralen Loch und mit einem Durchmesser von 6 mm und einer geeigneten Länge wird benutzt, um die Bestandteile des Zellenabschnitts 10 in einen einheitlichen Aufbau zusammenzuklemmen. Insbesondere ist ein Brennstoffverteiler 32, welcher aus hydrophilem Synthetikfasergarn aus aromatischem Polyamid (KEVLAR) (Handelsname) gebildet ist, auf diesen Verbindungsbolzen 26 angepasst und erstreckt sich entlang seiner Achse, und dieser Verbindungsbolzen 26 erstreckt sich durch den Zellenabschnitt 10. Eine aus synthetischem Gummi wie EPDM gefertigte Enddichtung 28a, 28b ist zwischen jede der Trennplatten 34a und 34b (jeweils an den beiden Enden des Zellenabschnitts 10 bereitgestellt) und eine Endplatte 24a, 24b eingebracht. Rostfreie Stahlnuten 40 und 50 werden jeweils auf Gewindeabschnitte, welche jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten des Verbindungsbolzens 26 ausgebildet sind, in gegenüberliegender Beziehung zu den Endplatten 24a und 24b aufgeschraubt, wobei jede der Endplatten 24a und 24b aus einem Epoxidharz gefertigt sind und eine Dicke von 10 mm, einen Innendurchmesser von 15 mm und einen Außendurchmesser von 55 mm aufweisen. Dadurch können die Bestandteile des Zellenabschnitts 10 in einem einheitlichen Aufbau zusammengeklemmt werden.
Wie in 3, welche das herkömmliche Beispiel zeigt, dargestellt, weist die Nut 40 zum Zusammenklemmen der Bestandteile des Zellenabschnitts 10 ein in einem Mittelabschnitt davon ausgebildetes hohles Loch 42 auf, und ein interner Gewindeabschnitt 46 ist auf einer inneren Oberfläche dieses hohlen Lochs ausgebildet und erstreckt sich axial zu einem Mittelabschnitt der inneren Oberfläche von derjenigen Seite der Nut 40, welche der Endplatte 24a zugewandt ist, und der Verbindungsbolzen 26 kann in dieses Innengewindeloch geschraubt werden. Mindestens zwei Brennstoffflusskanäle 44 sind radial außerhalb des internen Gewindeabschnitts 46 bereitgestellt und stehen mit dem hohlen Loch 42 in Verbindung und dienen als Brennstoffzuführungsanschlüsse, um Brennstoff dem Brennstoffverteiler zuzuführen. Ein ringförmiger Graben 48, in welchen ein O-Ring 36 eingepasst ist, ist auf der Seite der Nut 40 ausgebildet, welche der Endplatte 24a zugewandt ist.
Wie in 3 gezeigt, ist ein interner Gewindeabschnitt 56 in der anderen Nut 50 ausgebildet und erstreckt sich axial zu einem Mittelabschnitt davon wie in der Nut 40, so dass der mit einem Gewinde versehene Endabschnitt des Verbindungsbolzens 56 in diesen internen Gewindeabschnitt 56 geschraubt werden kann. Weiterhin sind Verbindungslöcher 54, um mit dem Brennstoffverteiler in Verbindung zu treten, radial außerhalb dieses internen Gewindeabschnitts 56 in der Nut 50 ausgebildet. Ein Entlüftungsventil 52 aus rostfreiem Stahl, welches das Beschicken mit Brennstoff durch Abführen der verbleibenden Luft mit einem mit einem Handgriff vorzunehmendem Arbeitsvorgang zum Startzeitpunkt des Vorgangs ermöglicht, ist auf der Seite der Nut 50 angebracht, welche von dem internen Gewindeabschnitt 56 in axialer Richtung abgewandt ist. Somit kann Brennstoff in Bezug auf den Brennstoffverteiler 32 und die Brennstoffelektrode 13a durch die Verbindungslöcher 54 be- und entladen werden, um somit das Beschicken mit Brennstoff zu unterstützen. Ein ringförmiger Graben 58 ist auf der der Endplatte 24b zugewandten Seite der Nut 50 ausgebildet, und ein O-Ring ist in diesen ringförmigen Graben eingepasst. Der Brennstoffverteiler 32 ist bereitgestellt, um Brennstoff zuzuführen und um erzeugtes Wasser zu absorbieren und zu halten, und dieser Brennstoffverteiler 32 ist gebildet, indem hydrophiles Synthetikfasergarn auf Flanschen, welche jeweils an beiden Enden eines röhrenförmigen Gehäuses ausgebildet sind, in einer Weise festgehalten sind, dass diese Synthetikfasergarne um eine Oberfläche des zylindrischen Gehäuses herum angeordnet sind und sich zwischen den zwei Flanschen entlang einer Achse des Gehäuses erstrecken.
Die Brennstoffzelle mit geteilten Zellen des obigen Aufbaus kann in der folgenden Weise zusammengesetzt werden. Zunächst wird die Nut an einem Ende des Verbindungsbolzens 46 befes tigt, und, bevorzugt in einem vertikal aufgerichteten Zustand des Verbindungsbolzens 26, wird der Treibstoffverteiler 32 auf den Verbindungsbolzen 26 angepasst. Der Verbindungsbolzen 26, welcher somit den Brennstoffverteiler 32 auf sich angepasst hat, bildet eine Mittelachse der Brennstoffzelle.
Die äußerste Endplatte 24a und Enddichtung 28a werden in dieser Reihenfolge mit ihren Mittellöchern auf diese Mittelachse befestigt, und dann werden, um einen Zellenabschnitt 10 zu bilden, eine viergeteilte Trennplatte 34a, ein von einer Brennstoffelektrode 13a radial nach außen angeordnete äußere Dichtung 16 mit sich radial nach innen erstreckenden Dichtungsabschnitten 16', welche jeweils in die Grenzgebiete zwischen benachbarten getrennten Abschnitten eingepasst sind, die vierteilte Brennstoffelektrode 13a, die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12, die viergeteilte Sauerstoffelektrode 13b, eine innere Dichtung 22 mit Dichtungsabschnitten 22', (sich radial nach außen von dem inneren Rand der Sauerstoffelektrode 13b erstreckend), welche jeweils in die Grenzgebiete zwischen benachbarten getrennten Abschnitten eingepasst sind, eine viergeteilte Sauerstoffflussfeldplatte 18, und eine viergeteilte Trennplatte 34b in einer Weise bereitgestellt, dass die geteilten Abschnitte jeder der viergeteilten Bestandteile zusammengesetzt werden. Dann werden die obigen Bestandteile nacheinander mit ihren Mittellöchern auf der Mittelachse befestigt und zusammengestapelt, womit der Zellenabschnitt zusammengesetzt wird. In diesem Zustand dienen die Trennplatten, welche neben den Enddichtungen 28a bzw. 28b angeordnet sind, als Stromkollektorplatten 35a bzw. 35b.
Jede der Trennplatten 34a und 34b ist wie die Brennstoffelektrode 13a, die Sauerstoffelektrode 13b und die Sauerstoffflussfeldplatte 18 geteilt, und im zusammengesetzten Zustand sind geteilte Abschnitte 34a' der Trennplatte 34a jeweils gegenüberliegend zu getrennten Abschnitten 13a' der Brennstoffelektrode 13a angeordnet, während getrennte Abschnitte 34b' der Trennplatte 34b jeweils gegenüberliegend zu getrennten Abschnitten 18' der Sauerstoffflussfeldplatte 18 angeordnet sind.
Um danach falls nötig den nächsten Zellenabschnitt 10 zu bilden, werden in Bezug auf die hintere Trennplatte 34b des vorhergehenden Zellenabschnitts 10 eine radial außerhalb einer Treibstoffelektrode 13a angeordnete äußere Dichtung 16, die Brennstoffelektrode 13a, eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12, eine Sauerstoffelektrode 13b, eine innere Dichtung 22, eine Sauerstoffflussfeldplatte 18 und eine Trennplatte 34 nacheinander mit ihren Mittellöchern auf der Mittelachse angebracht und werden in einer Weise zusammengesetzt, dass die geteilten Abschnitte jeder der geteilten Bestandteile in einer Ebene angeordnet sind, wie oben für den vorhergehenden Zellenabschnitt 10 beschrieben. Dieser Zellenabschnittzusammenbauarbeitsvorgang wird wiederholt, so dass eine erforderliche Anzahl von Zellenabschnitten 10, entsprechend einer erforderlichen Ausgabe des Brennstoffzellenstapels mit geteilten Zellen, zusammengestapelt und zusammengesetzt werden kann.
Schließlich wird eine Endplatte 24b mit ihrem Mittelloch auf die Mittelachse befestigt, und auf die Trennplatte 34 des äußersten Zellenabschnitts 10 mit einer Enddichtung 28b dazwischen gestapelt. Dieser Stapel von Zellenabschnitten 10 wird bei einem vorherbestimmten Druck, beispielsweise etwa 1,5 MPa, zusammengehalten. In diesem Zustand wird die andere Nut 50 mit einem daran befestigten Entlüftungsventil 52 auf den mit einem Gewinde versehenen Endabschnitt des die Mittelachse bildenden Verbindungsbolzen 26 geschraubt, und der Stapel wird mit einem vorgegebenen Drehmoment, z.B. 6,8 Nm, festgezogen und befestigt.
Damit die so zusammengesetzte Brennstoffzelle als Brennstoffzelle mit geteilten Zellen dienen kann, wird ein Rohr oder ähnliches mit der Nut 40 verbunden, um Brennstoff aus einer wasserstofferzeugenden Vorrichtung oder dergleichen zuzufüh ren. Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff wird über das hohle Loch 42, welches als Brennstoffzufuhrloch dient, und die Brennstoffflusskanäle 24 in der Nut 40 dem Brennstoffverteiler 32 zugeführt und den inneren Rändern der vier geteilten Abschnitte der Brennstoffelektrode 13a des Zellenabschnitts 10 über den sich entlang des Verbindungsbolzens erstreckende Brennstoffverteiler 32 zugeführt. Die Brennstoffelektrode 13a ist aus einem geteilten folienähnlichen Carbonmaterialelement gebildet, um die Abschnitte zu bilden, und somit kann der Brennstoff von dem inneren Rand der Brennstoffelektrode 13a radial nach außen durch Poren in diesem porösen Material zugeführt werden, ohne dass eine Brennstoffflusskanalplatte bereitgestellt werden muss, und da der äußere Rand der Brennstoffelektrode 13a und ihrer geteilten Abschnitte durch die äußere Dichtung 16 und die Dichtungsabschnitte, welche sich von dieser radial nach außen erstrecken, abgedichtet sind, kann der Brennstoff der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 zugeführt werden. Die Sauerstoffelektrode 13b und die Sauerstoffflussfeldplatte 18 sind auf der gegenüberliegenden Seite dieser Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 in einer Weise angeordnet, dass die getrennten Abschnitte der Sauerstoffelektrode 13b den getrennten Abschnitten der Sauerstoffflussfeldplatte 18 jeweils gegenüberliegen, und daher wird die Außenluft durch Poren in der Sauerstoffflussfeldplatte 18, welche aus einem porösen Material gefertigt ist, zugeführt, und der Sauerstoff in der Luft wird den getrennten Abschnitten der Sauerstoffelektrode 13b zugeführt.
Der Brennstoff und der Sauerstoff, welche somit auf jeweilige Seiten der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 zugeführt werden, reagieren chemisch miteinander an dieser Membran 12, und die Brennstoffelektrode dient als Kathode, während die Sauerstoffelektrode als Anode dient, und die Stromkollektorplatten 35a' und 35b' sind elektrisch durch Drähte verbunden, und eine elektrische Leistungserzeugung wird bewirkt, um eine Ausgabe von Elektrizität zu erhalten. Dabei ist die Brennstoffelektrode 13a ebenso wie die Sauerstoffelektrode 13b in die vier Abschnitte aufgeteilt, und damit wird eine Ausgabe der Zelle erreicht, welche in Übereinstimmung mit der Fläche jedes Abschnitts, welcher als Einheitszelle dient, bestimmt wird. Damit kann diese Brennstoffzelle, welche Hochspannungs- und Niedrigstromausgabe bereitstellt, geeignet für eine elektronische Ausrüstung, welche Halbleiter benutzt, verwendet werden. Ihre Eigenschaften werden aus dem Graph von 2 klar, welcher Ausgangscharakteristiken einer Dreifachbrennstoffzelle, wobei jede Brennstoffzelle vier erfindungsgemäße geteilte Abschnitte ausweist, und Ausgangscharakteristiken einer Dreifachbrennstoffzelle ohne geteilte Abschnitte als herkömmliches Beispiel zeigt.
Obwohl Wasser und Hitze auf Grund von Hydration erzeugt werden, wird das erzeugte Wasser durch die hydrophilen Synthetikfasergarne des Brennstoffverteilers absorbiert, und daher verbleibt das erzeugte Wasser nicht in dem Brennstoffverteiler und wird somit nicht die Zufuhr von Brennstoff an die Brennstoffelektrode verhindern. Nebenbei bemerkt wird das Wasser durch die erzeugte Hitze verdampft und in die Atmosphäre dissipiert. Die Trennplatten 34 weisen einen größeren Radius als die anderen Bestandteile auf, und daher funktioniert dieser Abschnitt jeder Trennplatte 34, der sich radial weiter nach außen als die anderen Bestandteile erstreckt, als Strahlungsrippe zum Abstrahlen der erzeugten Hitze.
Die Abmessungen der Brennstoffzellenbestandteile des obigen Ausführungsbeispiels sind ebenso wie die Anzahl der Teilabschnitte nicht auf die dargestellten Werte begrenzt, welche lediglich als Beispiel gegeben wurden, und können in Übereinstimmung mit der erforderlichen Ausgangsleistung abhängig von einer ausgewählten Anwendung bestimmt werden. Die Zufuhr von Brennstoff (Wasserstoff) zu dem Zellenabschnitt 10 kann über die (in 3 gezeigte) Nut 40 oder über den in 1 gezeigten Verbindungsbolzen 26 bewirkt werden.
Wie oben beschrieben erzielt die erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit geteilter Zelle die folgenden vorteilhaften Effekte.
Bei dem obigen Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen sind die Brennstoffelektrode und die Sauerstoffelektrode zusammen mit den Trennplatten in die Mehrzahl von Abschnitten auf gegenüberliegenden Seiten der Polymerelektrolytmembran aufgeteilt, und damit wird die Hochspannungs- und Niedrigstromausgabe der Brennstoffzelle als Eigenschaft der geteilten Abschnitte (Einheitszellen) erreicht, und es wird der hervorragende Vorteil erreicht, dass eine flache Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann, welche geeignet als Stromquelle einer kleinen Büromaschine oder dergleichen verwendet werden kann.
Die Anzahl von Einheitszellenteilen ist verringert, und zudem werden die Reaktionsabschnitte zwischen Brennstoff und Sauerstoff durch Teilung der herkömmlichen Sauerstoffelektrode, Brennstoffelektrode etc. erreicht, und damit werden Vorteile erreicht, dass die Brennstoffzelle mit Hochspannungs- und Niedrigstromeigenschaften einfach hergestellt werden kann und dass die flache Brennstoffzelle erhalten werden kann, ohne dass es nötig ist, viele Einheitszellen zu stapeln.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen, Endplatten, Elektroden aus separaten Scheibensegmenten und einer gemeinsamen Polymer-Elektrolyt-Membran, mit zwischen den Endplatten (24a, 24b) bereitgestellten Zellenabschnitten (10), mit einem in einem Mittelabschnitt des Zellenabschnitts (10) bereitgestellten Brennstoffverteiler (32), um Brennstoff den Zellenabschnitten (10) zuzuführen, mit einem einzelnen Verbindungsbolzen (26), welcher durch einen Mittelabschnitt des Brennstoffverteilers (32) und den Mittelabschnitt des Zellenabschnitts (10) hindurchgeht, um die Brennstoffzellenabschnitte (10) in einen einheitlichen Aufbau zusammenzuklemmen, und mit jeweils mit jeweiligen O-Ringen (36) auf beide Endabschnitte des Verbindungsbolzens (26) geschraubten Fixierbolzen (40, 50), um die Zellenabschnitte (10) zwischen die Endplatten (24a, 24b) zu klemmen, wobei jeder Zellenabschnitt (10) – die Polymer-Elektrolyt-Membran (12), – eine jeweils auf einer Seite der Polymer-Elektrolyt-Membran (12) in gegenüberliegender Beziehung zueinander angeordnete Sauerstoffelektrode (13b) und Brennstoffelektrode (13a), – eine benachbart zu der Sauerstoffelektrode (13b) angeordnete Flussfeldplatte (18), und – jeweils an einer äußeren Seite der Flussfeldplatte (18) und einer äußeren Seite der Brennstoffelektrode (13a) angeordnete Trennplatten (34a, 34b, 35a, 35b) umfasst, wobei jeder Zellenabschnitt (10) eine Mehrzahl von benachbart zu der Polymer-Elektrolyt-Membran (12) ausgebildete Abschnitte (13a', 13b', 18', 34a', 34b', 35a', 35b') aufweist, welche voneinander elektrisch isoliert sind.
Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Abschnitten (13a', 13b', 18', 34a', 34b', 35a', 35b') dadurch gebildet sind, dass die Brennstoffelektrode (13a), die Sauerstoffelektrode (13b), die Flussfeldplatte (18) und die Trennplatten (34a, 34b, 35a, 35b) geteilt sind.
Brennstoffzellenstapel mit geteilten Zellen nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennstoffelektrode (13a) und die Sauerstoffelektrode (13b) durch eine äußere Dichtung (16) oder eine innere Dichtung (22) aus einem elektrisch isolierenden Material in die Abschnitte (13a', 13b') aufgeteilt sind.