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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch einen luftatmenden Brennstoffzellenstapel nach
Anspruch 1 gelöst. Die
Unteransprüche
definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht eines luftatmenden Brennstoffzellenstapels
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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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,
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines luftatmenden Brennstoffzellenstapels der Erfindung,
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4 eine
schematische Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels
eines luftatmenden Brennstoffzellenstapels der Erfindung,
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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,
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6 einen
Graph, welcher Ausgangscharakteristiken von erfindungsgemäßen luftatmenden Brennstoffzellenstapeln
darstellt, und
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7 eine
Querschnittsansicht eines herkömmlichen
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels
in Längsrichtung
in auseinandergebautem Zustand.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nun detailliert unter Bezugnahme
auf die Zeichnung erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
luftatmende Brennstoffzellenstapel mit obigem Aufbau kann in der
folgenden Weise zusammengesetzt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
luftatmenden Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung mit dem
obigen Aufbau erzielen die folgenden vorteilhaften Effekte.
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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.
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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.
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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.