DE10312664B4 - Luftatmender Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Abstract

Luftatmender Brennstoffzellenstapel,
mit einem Paar von Endplatten (24a, 24b; 24c),
mit einer Mehrzahl von Zellenabschnitten (10), welche zwischen dem Paar von Endplatten (24a, 24b; 24c) in einer Weise angeordnet sind, dass jeder Zellenabschnitt (10) zwischen Enddichtungen (28; 28a, 28b; 28c; 28d) angeordnet ist,
mit einem in Mittelabschnitten der Zellenabschnitte (10) bereitgestellten Brennstoffverteiler (32), um den Zellenabschnitten (10) Brennstoff zuzuführen,
mit einem durch einen Mittelabschnitt des Brennstoffverteilers (32) und die Mittelabschnitte der Zellenabschnitte (10) hindurchgehenden einzelnen Verbindungsbolzen (26), um die Brennstoffzellenbestandteile in einen einheitlichen Aufbau zusammenzuklemmen, und
mit einem Paar von Fixierbolzen (40, 50), welche mit jeweiligen O-Ringen (36) auf beide Endabschnitte des Verbindungsbolzens (26) geschraubt sind, um die Mehrzahl von Zellenabschnitten (10) zwischen dem Paar von Endplatten (24a, 24b; 24c) zusammenzuklemmen,
wobei jeder Zellenabschnitt (10)
– eine Polymer-Elektrolyt-Membran (12),
– jeweils auf einer Seite der Polymer-Elektrolyt-Membran (12) in gegenüberliegender Beziehung zueinander eine...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen luftatmenden Brennstoffzellenstapel wie einen Festpolymerbrennstoffzellenstapel, welcher als Stromquelle oder elektrischer Generator für verschiedene Anwendungen wie Outdoor-, Freizeit- und Haushaltsanwendungen und ebenso für eine Büromaschine und dergleichen benutzt werden kann und welcher als Flachtyp ausgebildet ist und leise, leicht und verschmutzungsfrei 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 oder in der japanischen Patentanmeldung JP 2002-270212 A, welche früher von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung eingereicht wurde, offenbart. Bei einem derartigen, in 7 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 34a und 34b. 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 24a, 24b 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 Treibstoffelektrode 13a durch einen Mittenabschnitt der Nut 40 zugeführt und über die hydrophile Hülle, welche den Brennstoffverteiler 32 bildet, verteilt.
  • Bei der obigen herkömmlichen Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle wird Sauerstoff nur von dem äußeren Rand der Sauerstoffflussfeldplatte 18 zugeführt, und damit kann der Sauerstoff nicht in ausreichender Menge den Mittelabschnitt wegen einem Flusswiderstand erreichen, so dass die Fähigkeit zur elektrischen Stromerzeugung begrenzt ist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des obigen Problems gemacht. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen luftatmenden Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei dem die Kontaktfläche zwischen einem Zellenabschnitt und der Luft so vergrößert ist, dass eine größere Menge von Sauerstoff zugeführt werden kann, um die Fähigkeit zur elektrischen Stromerzeugung zu verbessern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen luftatmenden Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei dem eine Fähigkeit zur elektrischen Stromerzeugung pro Einheitsvolumen vergrößert ist und damit Materialkosten verringert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch einen luftatmenden Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der obigen Aufgaben ein luftatmender Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, bei dem eine Endplatte, eine Enddichtung und eine Stromkollektorplatte einen nach außen geöffneten Verbindungskanal aufweisen, welcher mit einer Flussfeldplatte eines Zellenabschnitts in Verbindung steht.
  • Die folgenden Funktionen werden durch diesen ersten Aspekt der Erfindung erreicht.
    • (1) Bei einer benachbart zu einer Sauerstoffelektrode bereitgestellten Flussfeldplatte eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels wird die Luft nur von einem äußeren Rand davon eingeführt, womit Sauerstoff der Sauerstoffelektrode zugeführt wird. Bei dieser Erfindung kann jedoch die Luft ebenso über den in der Endplatte, der Enddichtung und der Stromkollektorplatte ausgebildeten Verbindungskanal der Flussfeldplatte zugeführt werden, so dass die Kontaktfläche zwischen der Luft und der Flussfeldplatte vergrößert werden kann und somit eine größere Menge an Sauerstoff der Sauerstoffelektrode zugeführt werden kann. Die Reaktion zwischen dem Sauer stoff und dem Brennstoff (Wasserstoff) über eine Polymer-Elektrolyt-Membran wird somit gefördert und damit die Fähigkeit zur elektrischen Stromerzeugung vergrößert.
    • (2) Durch bloßes Bereitstellen des nach außen geöffneten Verbindungskanals oder Verbindungsgangs in der Endplatte, der Enddichtung und der Stromkollektorplatte kann die Fähigkeit zur Stromerzeugung pro Einheitsvolumen vergrößert werden, ohne dass irgendwelche speziellen Teile zu diesen Bestandteilen hinzugefügt werden, und damit können die Materialkosten verringert werden.
  • Die vorliegende Erfindung hat einen zweiten Aspekt, gemäß dem der in der Endplatte, der Enddichtung und der Stromkollektorplatte ausgebildete Verbindungskanal durch eine Mehrzahl von durchgehenden Löchern definiert ist, deren Achsen im Wesentlichen parallel zu der Achse des Zellenabschnitts ist.
    • (3) Bei diesem zweiten Aspekt der Erfindung sind die Achsen der Verbindungskanallöcher parallel zu der Achse des Zellenabschnitts, und damit kann Luft über den kürzesten Pfad der Sauerstoffflussfeldplatte zugeführt werden, und der Flusswiderstand wird minimiert, und Sauerstoff kann der Sauerstoffelektrode gleichmäßig über eine gesamte Fläche zugeführt werden, so dass die Stromerzeugungseffizienz vergrößert werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung hat einen dritten Aspekt, nach dem der Zellenabschnitt ein Paar von symmetrischen Einheitszellen umfasst, und nach dem die Endplatte und die Enddichtung (an jedem der gegenüberliegenden Enden des Zellenabschnitts bereitgestellt) und jede Stromkollektorplatte jeder Einheitszelle den mit der entsprechenden Flussfeldplatte in Verbindung stehenden Verbindungskanal aufweisen.
  • Die folgenden Funktionen werden durch diesen dritten Aspekt der Erfindung erreicht.
    • (4) Der Zellenabschnitt weist die zwei auf beiden Seiten der zentralen Enddichtung angeordneten zwei Einheitszellen auf, und in jeder Einheitszelle sind die Stromkollektorplatte, eine Brennstoffelektrode, eine Polymer-Elektrolyt-Membran, die Sauerstoffelektrode, die Sauerstoffflussfeldplatte und die Stromkollektorplatte in dieser Reihenfolge von der zentralen Enddichtung aus angeordnet, und die Endplatten sind jeweils an beiden Enden des Zellenabschnitts bereitgestellt, wobei die Enddichtung zwischen jeder Einheitszelle und der entsprechenden Endplatte angeordnet ist. Daher kann dank der Bereitstellung des von jeder Endplatte zu der entsprechenden Sauerstoffflussfeldplatte führenden Flusskanals die Luft den Sauerstofffeldplatten der zwei Einheitszellen jeweils von den zwei Endplatten zugeführt werden, und daher kann eine ausreichende Menge an Sauerstoff den zwei Einheitszellen zugeführt werden, und nicht nur die Fähigkeit zur Stromerzeugung, sondern auch die Stromerzeugungskapazität kann vergrößert werden.
  • Die vorliegende Erfindung hat einen vierten Aspekt, nach dem der in der Endplatte ausgebildete Verbindungskanal durch Vertiefungen oder Gräben definiert ist, welche in der dem Zellenabschnitt zugewandten Seite der Endplatte ausgebildet sind und nach außen hin senkrecht zu der Achse des Zellenabschnitts offen sind.
    • (5) Bei diesem vierten Aspekt der Erfindung ist der in der Endplatte ausgebildete Verbindungskanal durch eine Mehrzahl von Vertiefungen definiert, welche in der dem Zellenabschnitt zugewandten Seite der Endplatte in gegenüberliegender Beziehung zu der Sauerstoffflussfeldplatte ausgebildet sind und sich radial nach außen öffnen, und damit kann die Außenluft durch Bildung von durchgehenden Löchern durch die Stromkollektorplatte von dem äußeren Rand der Sauerstoffflussfeldplatte eingeführt und der Sauerstofffeldplatte gleichmäßig über ein weites Gebiet von ihr zugeführt werden, so dass die Stromerzeugungseffizienz vergrößert werden kann.
    • (6) Wenn bei diesem vierten Aspekt eine Mehrzahl von Einheitszellen, welche dieselbe Anordnung der Bestandteile aufweisen, zusammengestapelt werden, wobei die obige Endplatte zwischen benachbarte Einheitszellen geschoben ist, kann die Außenluft der Sauerstoffflussfeldplatte von ihrem äußeren Rand zugeführt werden und zudem kann die Luft über die Vertiefungen direkt der Sauerstoffflussplatte radial nach außen über ein breites Gebiet davon zugeführt werden, und damit ist die Stromerzeugsfähigkeit höher als diejenige der herkömmlichen Konstruktion.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht eines luftatmenden Brennstoffzellenstapels gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 2A und 2B eine Endplatte des luftatmenden Brennstoffzellenstapels von 1, wobei 2A eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2a-2a von 2B und 2B eine Draufsicht der Endplatte darstellt,
  • 3 eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines luftatmenden Brennstoffzellenstapels der Erfindung,
  • 4 eine schematische Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines luftatmenden Brennstoffzellenstapels der Erfindung,
  • 5A und 5B eine Endplatte des luftatmenden Brennstoffzellenstapels von 5, wobei 5A eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5a-5a von 5B und 5B eine Draufsicht der Endplatte darstellt,
  • 6 einen Graph, welcher Ausgangscharakteristiken von erfindungsgemäßen luftatmenden Brennstoffzellenstapeln darstellt, und
  • 7 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels in Längsrichtung in auseinandergebautem Zustand.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen luftatmenden Brennstoffzellenstapels in auseinandergebautem Zustand, und 2A und 2B zeigen eine in diesem luftatmenden Brennstoffzellenstapel benutzte Endplatte. 2A ist dabei eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 2a-2a von 2B, und 2B ist eine Draufsicht. Dieser luftatmende Brennstoffzellenstapel wird Festpolymer-Brennstoffzellenstapel genannt und benutzt Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff. Dieser Brennstoffzellenstapel umfasst eine Einheitszelle 10, welche eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 aus einem Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Polymermaterial mit einer Dicke von 0,05 mm, eine Brennstoffelektrode 13a aus einem folienähnlichen Carbonmaterial mit einer Dicke von 0,5 mm, ei nem Innendurchmesser von 15 mm und einem Außendurchmesser von 45 mm und einer Sauerstoffelektrode 13b aus einem folienähnlichen Carbonmaterial mit einer Dicke von 0,5 mm, einem Innendurchmesser von 19 mm und einem Außendurchmesser von 55 mm, wobei die Brennstoffelektrode 13a und die Sauerstoffelektrode 13b auf jeweils einer der beiden Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 bereitgestellt sind, eine Sauerstoffflussfeldplatte 18 aus einem Carbonmaterial mit einer Dicke von 3,5 mm, einem Innendurchmesser von 19 mm und einem Außendurchmesser von 55 mm, welche auf einer äußeren Seite der Sauerstoffelektrode 13b bereitgestellt ist, eine äußere Dichtung 16 mit einer ringförmigen Form, welche aus Synthetikgummi wie EPDM gefertigt ist und eine Dicke von 5 mm aufweist und welche einen äußeren Rand der Brennstoffelektrode 13a dichtet, eine innere Dichtung 22 aus einem Synthetikgummi wie EPDM mit einer Dicke von 2 mm, welche innere Ränder der Sauerstoffelektrode 13b und der Sauerstoffflussfeldplatte 18 dichtet, und Stromkollektorplatten 34a und 34b aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,3 mm und einem Durchmesser größer als derjenige der anderen Bestandteile, zwischen welche die obigen Bestandteile dazwischen angeordnet sind, umfasst. In den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Brennstoff hauptsächlich Wasserstoff, und Sauerstoff ist der Luftsauerstoff und wird als Luft zugeführt. Die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 ist mit einem Katalysator für eine chemische Reaktion ausgestattet.
  • Bei einem anderen, in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen luftatmenden Brennstoffzellenstapels ist in Bezug auf eine Einheitszelle 10 die Stapelreihenfolge der Bestandteile der anderen Einheitszelle 10' umgekehrt, und genauer gesagt sind eine Stromkollektorplatte 34a, eine Brennstoffelektrode 13a, eine Polymer-Elektrolyt-Membran 12, eine Sauerstoffelektrode 13b, eine Sauerstoffflussfeldplatte 18a und eine Stromkollektorplatte 34b der anderen Einheits zelle 10' in dieser Reihenfolge von einer Enddichtung 28a der ersten Einheitszelle 10 gestapelt, und diese Bestandteile werden durch eine Endplatte 24b über eine Enddichtung 28b gehalten, um die andere Einheitszelle 10' zu bilden, und die Brennstoffzellenbestandteile sind durch Schraubnuten 40 und 50 jeweils auf beiden Endabschnitten eines Verbindungsbolzens 26 zu einem einheitlichen Aufbau zusammengeklemmt, wie in dem obigen Ausführungsbeispiel.
  • Indem die zwei Einheitszellen 10 und 10' derartig kombiniert werden, kann die Außenluft der Sauerstoffelektrode 13d ebenso wie der Sauerstoffelektrode 13b der ersten Einheitszelle 10 durch Verbindungslöcher 24a' bzw. 24b' in einer Endplatte 24a bzw. 24b, durchgängige Löcher 28c', 34d' bzw. 28b', 34b' in der Enddichtung 28c bzw. 28b und der Stromkollektorplatte 34d bzw. 34b und der Sauerstoffflussfeldplatte 18b bzw. 18a zugeführt werden. Da die zwei äquivalenten Einheitszellen 10 und 10' kombiniert werden können, kann die Stromerzeugungsleistung durch Zufuhr einer hinreichenden Menge an Sauerstoff vergrößert werden, und ebenso kann die Stromerzeugungskapazität vergrößert werden.
  • Bei einem in 4, 5A und 5B gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Mehrzahl von Gräben 24c' in derjenigen Seite einer (nahe einer Sauerstoffelektrode 13e angeordneten) Endplatte 24c ausgebildet, welche der Sauerstoffelektrode 13e zugewandt ist, und erstrecken sich senkrecht zu einer Achse einer Einheitszelle, und weiterhin ist ein kreisförmiger Graben 24c'', welcher die Gräben 24c' verbindet, auf dieser Seite der Endplatte 24c ausgebildet, wie in 5b gezeigt. Durchgehende Löcher 28d' sind entsprechend den Gräben 24c' in der Endplatte 24c in einer Enddichtung 28d ausgebildet, und ebenso sind durchgehende Löcher 34e' entsprechend den Gräben 24' in der Endplatte 24c in ei ner Stromkollektorplatte 34e ausgebildet. Mit diesem Aufbau wird die Außenluft einer Sauerstoffflussfeldplatte 18d über die radialen Gräben 24c' und die durchgehenden Löcher 28d' und 34e' zugeführt. Daher kann bei diesem Ausführungsbeispiel der Sauerstoffelektrode 13e ebenso eine hinreichende Menge an Sauerstoff zugeführt werden.
  • Im Vergleich mit dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel haben luftatmende Brennstoffzellenstapel der obigen Ausführungsbeispiele die elektrischen Stromerzeugungsleistungen wie in 6 gezeigt, und auch wenn zwischen den beiden in einem Hochspannungsniedrigstromausgaberegime keine großen Unterschiede bestehen, wird eine Hochstromausgabe, welche mit den herkömmlichen Zellen nicht erreicht wird, mit fallender Spannung erhalten werden, und die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen können für ein breites Gebiet von Anwendungen geeignet benutzt werden.
  • Eine gewünschte Anzahl von erfindungsgemäßen Einheitszellen 10 können entsprechend einer erforderlichen Ausgabe gestapelt werden (siehe 7, die eine Querschnittsansicht der herkömmlichen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle zeigt), und der Verbindungsbolzen 26 mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 100 mm wird benutzt, um die Einheitszellen in einen einheitlichen Aufbau zusammenzuklemmen. Genauer wird ein Brennstoffverteiler 32, welcher aus hydrophilen Synthetikfasergarnen aus aromatischem Polyamid (KEVLAR) (Markenname) auf diesen Verbindungsbolzen 26 angepasst und erstreckt sich entlang seiner Achse, und dieser Verbindungsbolzen 26 erstreckt sich durch die Einheitszellen 10. Die aus synthetischem Gummi wie EPDM gefertigte Enddichtung 28 ist zwischen die Stromkollektorplatte 34, welche als Trennplatte jeder der gegenüberliegenden äußersten Einheitszellen 10 dient, und die Endplatte 24a, 24b eingebracht, und die rostfreien Stahlnuten 40 und 50 sind jeweils auf an gegenüberliegenden Endabschnitten des Verbindungsbolzens 26 ausgebildete Gewindeabschnitte geschraubt. Sie stehen in gegenüberliegender Beziehung zu den Endplatten 24a bzw. 24b, welche jeweils aus einem Epoxidharz mit einer Dicke von 10 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm und einem Außendurchmesser von 55 mm gefertigt sind. Somit können die Bestandteile der Einheitszelle 10 zu einem einheitlichen Aufbau zusammengeklemmt werden und ebenso kann eine Mehrzahl von Einheitszellen 10 in einen einheitlichen Aufbau zusammengeklemmt werden.
  • In 1 sind Verbindungslöcher 24b' durch die nahe der Sauerstoffflussfeldplatte 18 angeordnete Endplatte 24b ausgebildet und mit durch die Enddichtung 28b gebildete durchgehenden Löcher 28b' und durch die Stromkollektorplatte 34b ausgebildeten durchgehenden Löchern 34b' ausgerichtet. Diese Verbindungslöcher 24b' sind wie in 2A und 2B gezeigt angeordnet und stehen mit der Sauerstoffflussfeldplatte 18 in Verbindung. Die Luft kann in die Sauerstoffflussfeldplatte 18 von ihrem äußeren Rand eingeführt werden, und zusätzlich kann die Luft in die Sauerstoffflussfeldplatte von den Verbindungslöchern 24b' eingeführt werden.
  • Wie in 7 gezeigt, weist die Nut 40 zum Zusammenklemmen der Einheitszellen 10 ein durch einen Mittelabschnitt davon ausgebildetes hohles Loch auf, und ein interner Gewindeabschnitt ist auf einer inneren Oberfläche dieses hohlen Lochs ausgebildet und erstreckt sich axial zu einem Mittelabschnitt dieser inneren Oberfläche von der der Endplatte 24a zugewandten Seite der Nut 40, und der Verbindungsbolzen 26 kann in dieses mit einem internen Gewindeabschnitt versehene Loch geschraubt werden. Mindestens zwei Brennstoffflusskanäle sind radial außerhalb des internen Gewindeabschnitts bereitgestellt und stehen mit dem hohlen Loch in Verbindung und dienen als Brennstoffzufuhranschlüsse, um dem Brennstoffverteiler 32 Brennstoff zuzuführen. Ein ringförmiger Graben, in welchen ein O-Ring eingepasst wird, ist auf der der Endplatte 24a zugewandten Seite der Nut 40 ausgebildet.
  • Wie in 7 gezeigt ist ein interner Gewindeabschnitt 26 in der anderen Nut 50 ausgebildet und erstreckt sich axial zu einem Mittelabschnitt davon, wie bei der Nut 40, so dass der mit einem Gewinde versehene Endabschnitt des Verbindungsbolzens 26 in diesen internen Gewindeabschnitt 56 geschraubt werden kann. Zudem sind Verbindungslöcher radial außerhalb dieses internen Gewindeabschnitts 56 ausgebildet, um mit dem Brennstoffverteiler 32 in Verbindung zu stehen. Ein Auslassventil aus rostfreiem Stahl, welches das Beschicken mit Brennstoff mit einem Handgriff erlaubt, ist auf der dem internen Gewindeabschnitt 56 in axialer Richtung abgewandten Seite der Nut 50 angebracht, und Brennstoff kann in Bezug auf den Brennstoffverteiler 32 und die Brennstoffelektrode 13a durch die Verbindungslöcher be- und entladen werden, um das Beschicken mit Brennstoff zu unterstützen. Ein ringförmiger Graben ist in 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 das erzeugte Wasser zu absorbieren und zu halten, und dieser Brennstoffverteiler 32 ist ausgebildet, indem hydrophile Synthetikfasergarne auf jeweils an gegenüberliegenden Enden eines röhrenförmigen Gehäuses ausgebildeten Flanschen in einer Weise festgehalten werden, dass diese synthetischen Fasergarne um das röhrenförmige Gehäuse herum angeordnet sind und sich zwischen den zwei Flanschen entlang einer Achse des Gehäuses erstrecken.
  • Der luftatmende Brennstoffzellenstapel mit obigem Aufbau kann in der folgenden Weise zusammengesetzt werden.
  • Als erstes wird eine Nut 40 an einem Endabschnitt des Verbindungsbolzens 26 befestigt, und dann wird bevorzugt in einem vertikal aufgerichteten Zustand des Verbindungsbolzens 26 ein Brennstoffverteiler 32 auf den Verbindungsbolzen 26 ange passt. Der Verbindungsbolzen 26, welcher somit einen auf ihn angepassten Brennstoffverteiler 32 aufweist, bildet eine Mittelachse der Brennstoffzelle.
  • Die äußerste Endplatte 24 und die Enddichtung 28 werden mit ihren Mittellöchern auf diese Mittelachse in dieser Reihenfolge befestigt, und dann werden zur Bildung einer Einheitszelle 10 eine Trennplatte 34, eine Brennstoffelektrode 13a, eine (auf den äußeren Rand dieser Brennstoffelektrode 13a eingepasste) äußere Dichtung 16, eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12, eine innere Dichtung 22, eine Sauerstoffelektrode 13b und eine (auf den äußeren Rand dieser inneren Dichtung 22) eingepasste Sauerstoffflussfeldplatte und eine Trennplatte 34 hintereinander in dieser Reihenfolge mit ihren Mittellöchern auf der Mittelachse befestigt und zusammengestapelt, womit die Einheitszelle zusammengesetzt wird.
  • Danach werden, um die nächste Einheitszelle 10 zu bilden, ausgehend von der hinteren Trennplatte 34 der vorhergehenden Einheitszelle 10 eine Brennstoffelektrode 13a, eine (auf den äußeren Rand dieser Brennstoffelektrode 13a angepasste) äußere Dichtung 16, eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12, eine innere Dichtung 22, (auf den äußeren Rand dieser inneren Dichtung 22 angepasste) Sauerstoffelektrode 13b und Sauerstoffflussfeldplatte 18, und eine Trennplatte 34 nacheinander mit ihren Mittellöchern auf der Mittelachse befestigt und wie oben für die vorhergehende Einheitszelle 10 beschrieben. Dieser Arbeitsvorgang des Einheitszellenzusammensetzens wird wiederholt, so dass eine benötigte Anzahl von Einheitszellen 10, welche einer benötigten Ausgabe des luftatmenden Brennstoffzellenstapels entspricht, zusammengestapelt und zusammengesetzt werden kann.
  • Schließlich wird eine Endplatte 24 mit ihrem Mittelloch auf der Mittelachse befestigt und auf die Trennplatte 34 der äu ßersten Einheitszelle 10 mit einer dazwischen gehaltenen Enddichtung 28 gestapelt. Dieser Stapel von Einheitszellen 10 wird bei einem vorherbestimmten Druck, z.B. etwa 1,5 MPa, zusammengehalten. In diesem Zustand wird die andere Nut 50, welche ein an ihr befestigtes Auslassventil 52 ausweist, auf den mit einem Gewinde versehenen Endabschnitt des die Mittelachse bildenden Verbindungsbolzens 26 geschraubt, und der Stapel wird mit einem vorherbestimmten Drehmoment festgezogen, z.B. mit 6,8 Nm, und wird befestigt.
  • Damit die so zusammengesetzte Brennstoffzelle als luftatmende Brennstoffzelle dienen kann, wird eine Röhre oder dergleichen mit der Nut 40 verbunden, um Brennstoff von einer wasserstofferzeugenden Vorrichtung oder dergleichen zuzuführen. Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff wird dem Brennstoffverteiler 32 über das hohle Loch 42 (welches als Brennstoffzuführloch dient) und die Brennstoffflusskanäle 24 in der Nut 40 zugeführt und wird dem inneren Rand der Brennstoffelektrode 13a jede der Einheitszellen 10 über den sich entlang des Verbindungsbolzens 26 erstreckenden Brennstoffverteiler 32 zugeführt. Die Brennstoffelektrode 13a ist aus einem folienähnlichen Carbonmaterialelement gebildet, und daher kann der Brennstoff radial nach außen von dem inneren Rand der Brennstoffelektrode durch Poren in diesem porösen Material zugeführt werden, ohne dass es nötig wäre, eine Brennstoffflussfeldplatte bereitzustellen, und da der äußere Rand der Brennstoffelektrode 13a durch die äußere Dichtung 16 abgedichtet ist, kann der Brennstoff zugeführt werden, um an die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 weitergeführt zu werden. Die Sauerstoffelektrode 13b und die Sauerstoffflussfeldplatte 18 sind auf der gegenüberliegenden Seite dieser Festpolymer-Elektrolyt-Membran bereitgestellt, und damit wird die Außenluft durch Poren in der aus einem porösen Material gefertigten Sauerstoffflussfeldplatte 18 zugeführt, und Sauerstoff in der Luft wird der Sauerstoffelektrode 13b zugeführt.
  • Der Brennstoff und der Sauerstoff, welche somit jeweils einer Seite der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 12 zugeführt werden, reagieren miteinander chemisch an dieser Membran 12, und die Brennstoffelektrode dient als Kathode, während die Sauerstoffelektrode als Anode dient, so dass ein Arbeitsvorgang der elektrischen Stromerzeugung bewirkt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird, obwohl Wasser und Hitze wegen der Hydration erzeugt werden, das erzeugte Wasser durch die hydrophilen Synthetikfasergarne des Brennstoffverteilers 32 absorbiert, und daher verbleibt das erzeugte Wasser nicht in dem Brennstoffverteiler 32 und folglich wird die Zufuhr von Brennstoff zu der Brennstoffelektrode 13a nicht verhindert. Nebenbei bemerkt wird das Wasser durch die erzeugte Hitze verdampft und in die Atmosphäre dissipiert. Die Trennplatten 34 weisen einen größeren Radius auf als die anderen Bestandteile, und daher funktioniert der Abschnitt jeder Trennplatte 34, der sich von den anderen Bestandteilen radial nach außen erstreckt, als Strahlungsrippe zum Abstrahlen der erzeugten Hitze.
  • Die Abmessungen der Brennstoffzellenbestandteile der obigen Ausführungsbeispiele sind nicht auf die dargestellten Werte beschränkt, diese wurden lediglich als Beispiel angegeben und können gemäß der von einer ausgewählten Anwendung abhängigen benötigten Ausgangsleistung bestimmt werden.
  • Die luftatmenden Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung mit dem obigen Aufbau erzielen die folgenden vorteilhaften Effekte.
  • Bei der obigen luftatmenden Brennstoffzelle weisen die Endplatte, die Enddichtung und die Stromkollektorplatte den Verbindungskanal auf, welcher nach außen geöffnet ist und mit der Flussfeldplatte des Zellenabschnitts in Verbindung steht, und daher kann die Außenluft über den kürzesten Weg der Sau erstoffflussfeldplatte zugeführt werden, d.h., über die Endplatte, die Enddichtung und die Stromkollektorplatte, um Sauerstoff (Luft) der Sauerstoffelektrode zuzuführen. Somit kann eine ausreichende Menge von Sauerstoff zugeführt werden, während der Flusswiderstand minimiert wird, womit ein hervorragender Vorteil erzielt wird, nämlich dass die Stromerzeugungsleistung vergrößert wird.
  • Der Zellenabschnitt umfasst das Paar symmetrischer Einheitszellen, und die Endplatte und Enddichtung (jeweils an jedem der gegenüberliegenden Enden des Zellenabschnitts bereitgestellt) und jede Stromkollektorplatte jeder Einheitszelle weisen den mit der entsprechenden Flussfeldplatte verbundenen Verbindungskanal auf. Daher kann, um Luft den zwei Einheitszellen zuzuführen, die Außenluft der Sauerstoffflussfeldplatte jeder Einheitszelle über den Verbindungskanal in der Endplatte und weiter über die durchgehenden Löcher in der Enddichtung und der Stromkollektorplatte zugeführt werden, was den hervorragenden Vorteil bewirkt, dass nicht nur die Stromerzeugungsleistung jeder Einheitszelle verbessert werden kann, sondern ebenso die Stromerzeugungskapazität wegen des Vorhandenseins der zwei Einheitszellen mit im Wesentlichen der gleichen Stromerzeugungsleistung verbessert werden kann.
  • Der in der Endplatte, der Enddichtung und der Stromkollektorplatte ausgebildete Verbindungskanal kann durch die Mehrzahl von durchgehenden Löchern definiert sein, deren Achsen parallel zu der Achse des Zellenabschnitts sind, und daher kann die Außenluft in die von der Sauerstoffelektrode abgewandte Seite der Sauerstoffflussfeldplatte im Allgemeinen gleichförmig über ein gesamtes Gebiet zugeführt werden, und daher kann Sauerstoff der Sauerstoffflussfeldplatte gleichförmig über ihre gesamte Fläche zugeführt werden, womit der Vorteil erreicht wird, dass die Stromerzeugungsleistung durch Zufuhr einer hinreichenden Menge an Sauerstoff vergrößert werden kann.
  • Der in der Endplatte ausgebildete Verbindungskanal wird durch in der dem Zellenabschnitt zugewandten Seite der Endplatte ausgebildete Gräben definiert, welche nach außen senkrecht zu der Achse des Zellenabschnitts geöffnet sind. Daher kann auch bei der Brennstoffzellenart, bei der eine Mehrzahl von Einheitszellen zusammengestapelt ist, d.h., die Sauerstoffflussfeldplatte in einer mittleren Position entfernt von dem Äußeren des Zellenabschnitts bereitgestellt ist, eine hinreichende Menge von Luft der Sauerstoffflussfeldplatte jeder Einheitszelle über die Gräben zugeführt werden, wenn die Endplatte dieser Bauart zusammen mit der Enddichtung zwischen den benachbarten Einheitszellen eingebaut wird, und damit wird der Vorteil erreicht, dass auch bei dem Brennstoffzellentyp, welcher eine Mehrzahl von Einheitszellen umfasst, die gesamte Zellenleistung vergrößert werden kann.

Claims (4)

  1. Luftatmender Brennstoffzellenstapel, mit einem Paar von Endplatten (24a, 24b; 24c), mit einer Mehrzahl von Zellenabschnitten (10), welche zwischen dem Paar von Endplatten (24a, 24b; 24c) in einer Weise angeordnet sind, dass jeder Zellenabschnitt (10) zwischen Enddichtungen (28; 28a, 28b; 28c; 28d) angeordnet ist, mit einem in Mittelabschnitten der Zellenabschnitte (10) bereitgestellten Brennstoffverteiler (32), um den Zellenabschnitten (10) Brennstoff zuzuführen, mit einem durch einen Mittelabschnitt des Brennstoffverteilers (32) und die Mittelabschnitte der Zellenabschnitte (10) hindurchgehenden einzelnen Verbindungsbolzen (26), um die Brennstoffzellenbestandteile in einen einheitlichen Aufbau zusammenzuklemmen, und mit einem Paar von Fixierbolzen (40, 50), welche mit jeweiligen O-Ringen (36) auf beide Endabschnitte des Verbindungsbolzens (26) geschraubt sind, um die Mehrzahl von Zellenabschnitten (10) zwischen dem Paar von Endplatten (24a, 24b; 24c) zusammenzuklemmen, wobei jeder Zellenabschnitt (10) – eine Polymer-Elektrolyt-Membran (12), – jeweils auf einer Seite der Polymer-Elektrolyt-Membran (12) in gegenüberliegender Beziehung zueinander eine Sauerstoffelektrode (13b) und eine Brennstoffelektrode (13a), – eine benachbart zu der Sauerstoffelektrode (13b) angeordnete Flussfeldplatte (18), und – ein Paar von Stromkollektorplatten (34a; 34b; 34d), welche jeweils benachbart zu einer äußeren Seite der Flussfeldplatte (18) und der Brennstoffelektrode (13a) angeordnet sind, umfasst, und wobei zumindest eine Endplatte (24a, 24b; 24c), eine Enddichtung (28b, 28c, 28d) und eine Stromkollektorplatte (34b, 34c, 34d) Verbindungskanäle (24a', 24b', 24c', 28b', 28c', 28d', 34b', 34d') aufweisen, welche nach außen geöffnet sind und mit einer Flussfeldplatte (18) eines Zellenabschnitts (10) in Verbindung stehen.
  2. Luftatmender Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der in der Endplatte (24a, 24b; 24c), der Enddichtung (28b, 28c) und der Stromkollektorplatte (34b, 34c, 34d) ausgebildete Verbindungskanal durch eine Mehrzahl von durchgehenden Löchern definiert ist, deren Achsen im Wesentlichen parallel zu einer Achse des Zellenabschnitts (10) sind.
  3. Luftatmender Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zellenabschnitt ein Paar von symmetrischen Einheitszellen (10, 10') umfasst, und wobei jede der jeweils an beiden Enden des Zellenabschnitts bereitgestellten Endplatten (24a, 24b) den mit der Flussfeldplatte (18) der entsprechenden Einheitszelle des Zellenabschnitts in Verbindung stehenden Verbindungskanal aufweist.
  4. Luftatmender Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der in der Endplatte (24c) ausgebildete Verbindungskanal durch Vertiefungen (24c') definiert ist, welche auf der dem Zellenabschnitt (10) zugewandten Seite der Endplatte (24c) ausgebildet sind und nach außen im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse des Zellenabschnitts (10) geöffnet sind.
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