DE10348785B4

DE10348785B4 - Brennstoffzellengehäuse, Brennstoffzelle und elektronische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10348785B4
Application number: DE10348785A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Miyao; Koichiro Sugai; Akifumi Sata; Kuninori Yokomine; Hidekazu Otomaru
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: DE10348785A1

Abstract

Brennstoffzellengehäuse mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper (16) mit einer auf einer ihrer Oberflächen ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe (13) mit einer ersten Elektrode (14) und einer zweiten Elektrode (15), die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind, einem ersten Fluidkanal (18), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16) erstreckt, einem ersten Verdrahtungsleiter (20), dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode (14) der Membranelektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16) hinaus führt, einem in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (16) montierten Deckelkörper (17), dass er die Ausnehmung vollständig luftdicht abdeckt, einem zweiten Fluidkanal (19), der sich von der einen der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technischer Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengehäuse, in dem eine aus Keramik gefertigte, kleine und hoch zuverlässige Membranelektrodenbaugruppe untergebracht werden kann, eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, und ferner eine elektronische Vorrichtung mit einer kleinen, hoch zuverlässigen Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenbaugruppe aufnehmen kann und aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist, als Stromquelle.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In den jüngsten Jahren wurde die Entwicklung kompakter Brennstoffzellen rasch vorangetrieben, die bei niedrigeren Temperaturen als je zuvor betrieben werden. Brennstoffzellen sind nach den verwendeten Elektrolyten klassifiziert. Es sind beispielsweise die (nachstehend als ,PEFC' bezeichneten) Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen und Feststoffoxid-Brennstoffzellen bekannt.
In den jüngsten Jahren ist mit der Zunahme der Funktionen mobiler elektronischer Geräte der Verbrauch an elektrischem Strom gestiegen. Da überdies eine sekundäre Batterie nach dem Verbrauch einer festen Menge an elektrischem Strom aufgeladen werden muss und ein Ladegerät und Ladezeit erfordert, verbleiben beim langfristigen Betreiben mobiler elektronischer Geräte viele Probleme.
Aufgrund dieser Anforderungen wird eine elektronische Vorrichtung, wie ein Mobiltelefon oder ein Laptop-PC (Personal Computer) mit einer kleinen Brennstoffzelle als Stromquelle vorgeschlagen. Eine Brennstoffzelle kann durchgehend verwendet werden, solange die Zufuhr von Brennstoff und Sauerstoff fortgesetzt wird. Als kleine Brennstoffzellen sind eine PEFC, eine (nachstehend als DMFC bezeichnete) Direktmethanol-Brennstoffzelle und dergleichen bekannt.
Diese Brennstoffzellen, deren Betriebstemperatur mit ca. 80°C–100°C niedrig ist, haben die folgenden, erheblichen Vorteile:

(1) ihre Stromdichte ist hoch, und eine Miniaturisierung und Gewichtsverringerung sind möglich;
(2) da ihre Betriebstemperaturen niedrig sind und ein Elektrolyt nicht korrodierend ist, ist daher die Wahl der Werkstoffe, aus denen die Zellen gefertigt werden, im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit wenig eingeschränkt, eine Verringerung der Kosten ist leicht, und
(3) im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen ist eine Aktivierung bei normalen Temperaturen möglich, und daher ist die Aktivierungsdauer gering. Daher wurde zur bestmöglichen Nutzung der vorstehend aufgezählten Vorteile erwogen, eine PEFC und eine DMFC nicht nur als Antriebsstromquelle für ein Fahrzeug, Kraft-Wärme-Kopplungssystem für Haushalte und dergleichen, sondern auch als Stromquelle für mobile elektronische Geräte, wie ein Mobiltelefon, einen PDA (Personal Digital Assistant), einen Laptop-PC (Personal Computer) oder eine digitale Kamera oder Videokamera zu verwenden, deren Ausgangsleistungen wenige Watt bis einige zehn Watt betragen.

Grob gesagt umfassen eine PEFC und eine DMFC beispielsweise eine aus einer Kohlenstoffelektrode, auf der feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium, angeordnet sind, gefertigte Brennstoffelektrode (eine Kathode), eine aus einer Kohlenstoffelektrode, auf der feine Partikel eines Katalysators, wie Platin, angeordnet sind, gefertigte Luftelektrode (eine Anode) und eine zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordnete, (nachstehend als Membranelektrodenbaugruppe bezeichnete) filmartige Membranelektrodenbaugruppe.
Hier wird der Brennstoffelektrode durch einen Reformierungsabschnitt extrahiertes Wasserstoffgas (H₂) zugeführt, wogegen der Luftelektrode in der Luft vorhandenes Sauerstoffgas (O₂) zugeführt wird. Dementsprechend wird durch eine elektrochemische Reaktion (Elektrizitätserzeugung) eine gewisse elektrische Energie erzeugt, die als Antriebskraft (Spannung/Strom) für eine Last wirkt.
Genauer wird durch die Wirkung des Katalysators ein Wasserstoffion (Proton; H⁺) dadurch erzeugt, dass dem Wasserstoff ein Elektron (e^–) entzogen wird, wenn der Brennstoffelektrode Wasserstoffgas (H₂) zugeführt wird, wie in der folgenden chemischen Gleichung (1) gezeigt, und das Proton bewegt sich durch die Membranelektrodenbaugruppe zur Luftelektrode. Überdies wird das Elektron (e^–) durch die Kohlenstoffelektrode, die die Brennstoffelektrode bildet, abgegeben und der Last zugeführt. 3H₂→ 6H⁺ + 6e^– (1)
Wird der Luftelektrode Luft zugeführt, reagieren andererseits das Elektron (e^–), das die Last passiert hat, das Wasserstoffion (H⁺), das die Membranelektrodenbaugruppe passiert hat, und das in der Luft vorhandene Sauerstoffgas (O₂) durch die Wirkung des Katalysators miteinander, wodurch Wasser (H₂O) erzeugt wird, wie in der folgenden chemischen Gleichung (2) gezeigt. 6H⁺ + 3/2O₂ + 6e^– → 3H₂O (2)
Eine derartige Folge elektrochemischer Reaktionen (Gleichungen (1) und (2)) finden normalerweise bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen von ca. 80 bis 100°C statt. Grundsätzlich ist das einzige Nebenprodukt außer elektrischem Strom nur Wasser (H₂O).
Bei einer DMFC wird der Brennstoffelektrode hierbei eine wässrige Methanollösung (CH₃OH) zugeführt, und andererseits wird der Luftelektrode in der Luft enthaltenes O₂ zugeführt, wodurch durch eine elektrochemische Reaktion die spezifische elektrische Energie und die elektrische Energie erzeugt werden, die die Antriebsstromquelle (die Spannung/der Strom) für die Last wird.
Konkret entstehen Wasserstoffionen (Protonen; H⁺), da dem Wasserstoff durch den Katalysator Elektronen (e^–) abgespalten werden, wobei die Wasserstoffionen durch die Membranelektrodenbaugruppe zur Seite der Luftelektrode fließen, und die Elektronen (e^–) werden von der Kohlenstoffelektrode, die die Brennstoffelektrode bildet, entnommen und der Last zugeführt, wenn der Brennstoffelektrode eine wässrige Methanollösung (CH₃OH) zugeführt wird, wie durch die folgende chemische Reaktionsformel (3) gezeigt: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^– (3)
Wenn der Luftelektrode Luft zugeführt wird, reagieren andererseits Elektronen (e^–), die durch den Katalysator durch eine Last geleitet wurden, durch die Membranelektrodenbaugruppe geleitete Wasserstoffionen (H⁺) und in der Luft enthaltenes Sauerstoffgas (O₂), wie durch die folgende Formel (4) einer chemischen Reaktion gezeigt, und Wasser (H₂O) wird erzeugt. 6H⁺ + 3/2O₂ + 6e^– → 3H₂O (4)
Eine derartige Folge elektrochemischer Reaktionen (Formel (3) und Formel (4)) läuft im Großen und Ganzen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen von Raumtemperatur bis 100°C ab, und die einzigen Nebenprodukte außer elektrischem Strom sind lediglich H₂O und CO₂.
Als Ionenleitermembran (Austauschmembran), die die Membranelektrodenbaugruppe bildet, sind eine Kationenaustauschmembran auf Polystyrolbasis mit einer Sulfonsäuregruppe, eine Mischmembran aus Fluorkohlenwasserstoff-Sulfonsäure und Polyvinylidenfluorid, eine durch Aufpolymerisieren von Trifluorethylen auf eine Fluorkohlenstoffmatrix erhaltene Membran und dergleichen bekannt, und in jüngster Zeit wird eine Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäuremembran (beispielsweise Nafion, der Produktname eines von DuPont hergestellten Erzeugnisses) oder dergleichen verwendet.
In 58 ist eine Schnittansicht des Aufbaus einer herkömmlichen Brennstoffzelle (einer PEFC) gezeigt. In dieser Ansicht bezeichnen das Bezugszeichen 1 eine PEFC, das Bezugszeichen 3 eine Membranelektrodenbaugruppe, die Bezugszeichen 4, 5 zwei poröse Elektroden, die so auf der Membranelektrodenbaugruppe 3 angeordnet sind, dass die Membranelektrodenbaugruppe zwischen ihnen angeordnet ist, und die Funktion einer Gasdiffusionsschicht und einer Katalysatorschicht haben, d. h. eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode, das Bezugszeichen 6 einen Gastrenner, das Bezugszeichen 8 eine Brennstoffleitung und das Bezugszeichen 9 einen Luftkanal.
Der Gastrenner 6 ist aus einem gestapelten Teil und einem Gaseinlaß-/Auslaßrahmen, die die äußere Form des Gastrenners 6 bilden, einem Trennungsabschnitt, der die Brennstoffleitung 8 und den Luftkanal 9 trennt, und Elektroden aufgebaut, die so angeordnet sind, dass sie den Trennungsabschnitt durchdringen und ihre Positionen denen der Brennstoffelektrode 4 und der Luftelektrode 5 der Membranelektrodenbaugruppe 3 entspricht. Durch derartiges Stapeln einer großen Anzahl über die Gastrenner 6, dass die Brennstoffelektroden 4 und die Luftelektroden 5 der Membranelektrodenbaugruppen 3 elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, so daß sie einen Stapel von Brennstoffzellen als kleinste Einheit einer Zelle bilden, und durch Unterbringen dieses Stapels von Brennstoffzellen in einem Kasten wird der Hauptkörper einer normalen PEFC hergestellt.
Brennstoffgas, das Wasserdampf (ein wasserstoffreiches Gas) enthält, wird von einer Reformierungsvorrichtung über die im Gastrenner ausgebildete Brennstoffleitung 8 der Brennstoffelektrode 4 zugeführt. Der Luftelektrode 5 wird über den Luftkanal 9 als Oxidationsgas Luft zugeführt, und in der Membranelektrodenbaugruppe 3 wird durch eine chemische Reaktion elektrischer Strom erzeugt. Eine verwandte Technik ist in den ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen JP 2001-266 910 A und JP 2001-507 501 A offenbart.
Die vorgeschlagene und bisher als Zelle mit hoher Spannung und hoher Kapazität entwickelte Brennstoffzelle 1 ist jedoch eine schwere und große Zelle mit einem gestapelten Aufbau, deren Bestandteile große Abmessungen aufweisen, und die Verwendung einer Brennstoffzelle als kleine Zelle wurde bisher kaum in Betracht gezogen.
Da die Seitenflächen der Membranelektrodenbaugruppen 3 in einem durch Aufeinanderschichten der Membranelektrodenbaugruppen 3 unter Verwendung der Gastrenner erzeugten, gestapelten Körper außen freiliegen, bedeutet dies, dass bei dem herkömmlichen Gastrenner 6 der Brennstoffzelle 1 das Problem auftritt, dass sie bei einem Sturz bei einem Transport leicht beschädigt werden, und daß die mechanische Zuverlässigkeit der gesamten Brennstoffzelle 1 schwer zu garantieren ist.
Ferner ist zur Installation der Brennstoffzelle 1 in einer mobilen elektronischen Vorrichtung, anders als bei einem herkömmlichen großen Brennstoffzellengehäuse, ein Brennstoffzellengehäuse von ausgezeichneter Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit erforderlich. Anders ausgedrückt wird der Gastrenner 6, der einen großen Teil der Wärmekapazität der herkömmlichen Brennstoffzelle 1 dominiert, insbesondere ein Gastrenner 6, bei dem durch eine spanabhebende Bearbeitung Kanäle auf der Oberfläche einer Kohlenstoffplatte erzeugt werden, zerbrechlich, wenn er dünnwandig wird, und muß eine Dicke von einigen Millimetern haben, obwohl für eine Anwendung als tragbare Stromquelle, wie eine chemische Mehrzweckzelle, zum Zwecke der Verkürzung der zur Steigerung der Temperatur auf die Betriebstemperatur erforderlichen Zeitspanne und zur Verkleinerung der Wärmekapazität eine Miniaturisierung und Abflachung des Brennstoffzellengehäuses erforderlich sind. Daher tritt auch das Problem auf, dass eine Miniaturisierung und Abflachung schwierig sind.
Überdies wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 durch die Partialdrücke der den jeweiligen Elektroden 4, 5 auf beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppe 3 zugeführten Gase bestimmt. Dies bedeutet, dass der Partialdruck des Brennstoffgases auf der Fläche der Brennstoffelektrode 4 abnimmt und die Ausgangsspannung sinkt, wenn der Membranelektrodenbaugruppe 3 zugeführtes Brennstoffgas die Gasleitung 8 passiert und bei einer Reaktion zur Erzeugung elektrischen Stroms verbraucht wird. Auf die gleiche Weise sinken der Partialdruck des Sauerstoffs auf der Fläche der Luftelektrode 5 sowie die Ausgangsspannung, wenn Luft den Luftkanal 9 passiert und verbraucht wird. Obwohl es daher erforderlich ist, das Brennstoffgas gleichmäßig zuzuführen, werden die Kanäle insbesondere beim Gastrenner 6 der herkömmlichen Brennstoffzelle 1 durch eine spanabhebende Bearbeitung auf der Oberfläche einer Kohlenstoffplatte hergestellt, und daher werden die Rillen für die Kanäle bei einer Abflachung schmal, wodurch auch das Problem auftritt, dass der Kanalwiderstand groß und eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr schwierig werden.
Obwohl Kombinationen aus mehreren Membranelektrodenbaugruppen 3, die ihnen gegenüberliegenden Brennstoffelektroden 4 und Luftelektroden 5 und den Gastrennern 6 wahlweise effizient in Reihe oder parallel geschaltet werden müssen und die gesamte Ausgangsspannung und der gesamte Ausgangsstrom geregelt werden, tritt bei der herkömmlichen Brennstoffzelle 1 ferner auch das Problem auf, dass kein anderes Verfahren zur Entnahme von Elektrizität aus der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode existiert, zwischen denen die Membranelektrodenbaugruppe 3 angeordnet ist, als ein Verfahren zum Herausleiten und Anschließen bzw. als ein Verfahren, bei dem die Gastrenner 6 als leitende Werkstoffe aufeinandergeschichtet sind, eine Reihenschaltung hergestellt wird und zum Zeitpunkt der Verwendung eine Installation in einer mobilen elektronischen Vorrichtung erfolgt, und daß es schwierig ist, in einem begrenzten Raum eine Hauptplatine oder dergleichen zur Bereitstellung einer elektronischen Schaltung als Hauptteil einer elektronischen Vorrichtung anzuschließen.
Ferner sind für eine elektronische Vorrichtung, für die eine herkömmliche Brennstoffzelle 1 verwendet wird, viele Bauteile erforderlich, beispielsweise eine Kollektorplatine, die die in der Membranelektrodenbaugruppe 3 erzeugte Elektrizität zu einer Hauptplatine oder dergleichen leitet, die eine elektronische Schaltung darstellt, die einen Hauptteil der elektronischen Vorrichtung bildet, ein isolierender Werkstoff, wie Siliciumkautschuk, zum Isolieren der Kollektorplatine gegenüber dem Gehäuse zur Aufnahme der Brennstoffzelle und (in der Zeichnung nicht dargestellte) Schrauben und Klammern zur Montage des Gastrenners 6, der Membranelektrodenbaugruppe 3, der Kollektorplatine und des isolierenden Wertstoffs am Brennstoffzellengehäuse, und es tritt das Problem auf, dass eine Miniaturisierung und eine flache Gestaltung schwierig sind.
Als Verfahren zur Regelung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms wird ein Verfahren erwogen, bei dem mehrere Kombinationen aus Membranelektrodenbaugruppen 3 und ihnen gegenüberliegenden Brennstoffelektroden 4 und Luftelektroden 5 sowie Gastrennern 6 auf der gleichen Ebene angeordnet werden. Diese Anordnung auf der gleichen Ebene ist im Vergleich zu der bisher häufig verwendeten Stapelstruktur zur flacheren Gestaltung effizient, wobei sie jedoch das Problem zur Folge hat, dass zusätzlich ein isolierendes Element zur Sicherstellung der Isolation der nebeneinander liegenden Membranelektrodenbaugruppen 3 gegeneinander erforderlich ist und die Anzahl der Teile weiter steigt. Überdies tritt auch das Problem auf, dass keine Kanalbearbeitung zwischen den Schichten in der Richtung der Ebene zum Verbinden der nebeneinander liegenden Brennstoffzellen erfolgen kann, da die Kanäle durch ein spanabhebendes Verfahren oder Formen erzeugt werden und die Installation elektronischer Teile oder dergleichen im Gas-trenner 6 zur Integrationen einer elektrischen Schaltung oder dergleichen unmöglich ist, weil ein leitfähiger Werkstoff verwendet wird, etc.
Obwohl es zum Zeitpunkt der Montage einer derartigen Brennstoffzelle in einer mobilen elektronischen Vorrichtung erforderlich ist, die Brennstoffzelle mit einem Anschluß zum Anschließen an eine Hauptplatine oder dergleichen zu versehen, die eine elektronische Schaltung ist, die einen Hauptteil der elektronischen Vorrichtung bildet, und einen Anschluß bereitzustellen, der dem Verbindungsanschluß zur elektronischen Vorrichtung entspricht, besteht ferner das Problem, dass sowohl der Anschluß an der mobilen elektronischen Vorrichtung als auch der Anschluß auf dem Brennstoffzellengehäuse der Struktur einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau aufweisen müssen. Da es bei der Verwendung einer Brennstoffzelle des Kartuschentyps, die aus Bequemlichkeitsgründen bei der Verwendung und beim Transport der mobilen elektronischen Vorrichtung frei angebracht und abgenommen werden kann, erforderlich ist, die Anschlüsse so zu gestalten, dass eine freie Anbringung bzw. Entfernung möglich ist, tritt im Übrigen das Problem weiterer Schwierigkeiten auf.
Überdies wird der der Seite der Brennstoffelektrode zugeführte Brennstoff entsprechend der Erzeugung von elektrischem Strom verbraucht, und wenn seine Dichte abnimmt, nimmt auch die Effizienz der Erzeugung von elektrischem Strom ab. Daher sind zur Steigerung der Effizienz der Erzeugung elektrischen Stroms durch eine Brennstoffzelle ein Sauerstoffzufuhrmechanismus, der den Sauerstoff durch Druck umwälzt und der Luftelektrode zuführt und ein Brennstoffzufuhrmechanismus erforderlich, der den Brennstoff durch Druck umwälzt und der Brennstoffelektrode zuführt. Da der Mechanismus zur Zufuhr von Sauerstoff und Brennstoff durch Druck sperrig wird, wird auch die gesamte Brennstoffzelle groß und ist zur Verwendung als kleine Stromquelle für mobile elektronische Geräte ungeeignet.
Wenn in der Membranelektrodenbaugruppe 3 durch eine Folge elektrochemischer Reaktionen Elektrizität erzeugt wird, wird die Membranelektrodenbaugruppe 3 darüber hinaus auf hohe Temperaturen erwärmt, und gleichzeitig wird die Brennstoffzelle 1 heiß. Wenn die heiße Brennstoffzelle 1 hierbei beispielsweise versehentlich mit der Haut eines Benutzers in Berührung kommt, wird eine Verbrennung der Haut verursacht. Dies führt in der Praxis zu Unannehmlichkeiten.
Da bei diesem Aufbau ferner die Abstrahlung von Wärme nach außen nicht leicht unterdrückt werden kann, können unerwünschte Schwankungen der Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe 3 auftreten. Daher ist beispielsweise eine Minimierung von Schwankungen der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität zwischen der Brennstoffelektrode 4 und der Luftelektrode 5 in der Brennstoffzelle 1 unmöglich, was zu Schwankungen der Erzeugung von Elektrizität zwischen der Brennstoffelektrode 4 und der Luftelektrode 5 führt.
Ferner treten in der Brennstoffzelle 1 Temperaturdifferenzen zwischen den äußeren Brennstoff- und Luftelektroden 4, 5 und den mittleren Brennstoff- und Luftelektroden 4, 5 auf. Genauer gesagt weisen die äußeren Brennstoff- und Luftelektroden 4, 5 eine geringere Temperatur als die mittleren Brennstoff- und Luftelektroden 4, 5 auf und sind daher anfällig für eine übermäßig hohe Feuchtigkeit. Daher sind die äußeren Brennstoff- und Luftelektroden 4, 5 verglichen mit den mittleren Brennstoff- und Luftelektroden 4, 5 weniger effizient bei der Erzeugung von Elektrizität, etc.
Überdies werden in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung JP 08-180 883 A (1996) Vorschläge offenbart, gemäß denen der Gastrenner 6 durch Prägen, Stanzen oder ein ähnliches Verfahren aus einem Metallblech gefertigt wird. Wenn ein metallischer Gastrenner verwendet werden kann, kann der Gastrenner 6 unter Ausnutzung seiner mechanischen Eigenschaft dünnwandig gefertigt werden, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass das Brennstoffzellengehäuse sowohl kleiner als auch flacher gehalten werden kann. Die Verwendung eines metallischen Gastrenners hat jedoch das Problem der Korrosionsanfälligkeit zur Folge.
Überdies müssen mehrere Membranelektrodenbaugruppen 3 mit den ihnen entsprechenden Brennstoffelektroden 4, Luftelektroden 5 und Gastrennern 6 wahlweise effizient in Reihe oder parallel geschaltet werden, um die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom insgesamt einzustellen. Bei der herkömmlichen Brennstoffzelle 1 kann der elektrische Strom jedoch nicht aus der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode entnommen werden, zwischen denen die Membranelektrodenbaugruppe 3 angeordnet ist, ohne die Bauteile extern anzuschließen bzw. die Bauteile unter Verwendung des Gastrenners 6 als leitfähigem Werkstoff geschichtet in Reihe zu schalten. Ungünstiger Weise sind derartige Vorgänge bei einer kompakten Brennstoffzelle schwierig auszuführen.
Wenn der Brennstoffleitung 8 und dem Luftkanal 9 befeuchtender Wasserdampf zugeführt wird, bilden sich ferner bei einer übermäßig großen Feuchtigkeitsmenge aufgrund der Kondensation des Wasserdampfs Wassertröpfchen im Kanal des Gastrenners 6. Wenn die Menge der Wassertröpfchen zunimmt, blockieren die Wassertröpfchen die Brennstoffleitung 8 und den Luftkanal 9, was zu Schwierigkeiten bei der Zufuhr von Brennstoff und Luft in die Membranelektrodenbaugruppe 3 führt. Dadurch wird der ordnungsgemäße Ablauf der elektrochemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 3 gestört, was zu einer Verschlechterung der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität führt.
Das eben beschriebene Phänomen tritt aufgrund des Vorhandenseins von bei der elektrochemischen Reaktion erzeugtem Wasser (H₂O) tendenziell besonders in dem Teil der Membranelektrodenbaugruppe 3 auf der Seite der Luftelektrode 5 auf. Daher ist es erforderlich, dem Kanal eine Kondensatabgabefähigkeit zu verleihen, um die Abgabe des Kondensats zu erleichtern.
Ferner blockiert das durch die elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 3 erzeugte Wasser H₂O) den Luftkanal 9, was zu Schwierigkeiten bei der Zufuhr der Luft führt, die als Oxidationsgas durch den Luftkanal 9 aus der Atmosphäre in die Luftelektrode 5 geleitet wird. Dies behindert den ordnungsgemäßen Ablauf der elektrochemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 3, was zu einer Verschlechterung der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme der herkömmlichen Technik entwickelt, und dementsprechend ist es ihre Aufgabe, ein kompaktes, stabiles Brennstoffzellengehäuse, in dem eine Membranelektrodenbaugruppe untergebracht werden kann, welches hoch zuverlässig ist, und das eine gleichmäßige Gaszufuhr, einen Ausgleich der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und eine hoch effiziente elektrische Verbindung ermöglicht, und eine Brennstoffzelle zu schaffen, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird.
Die Erfindung wurde, wie vorstehend erwähnt, unter Berücksichtigung der Probleme der verwandten Technik realisiert, und eine weitere Aufgabe ist es, ein zuverlässiges Brennstoffzellengehäuse, das für eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr und eine hoch effiziente elektrische Verbindung geeignet ist, eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird und eine elektrische Vorrichtung zu schaffen, für die eine kleine, flache Hochleistungs-Brennstoffzelle verwendet wird, die eine stabile Verwendung ermöglicht.
Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit einer auf einer ihrer Oberflächen ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind,
einem ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt,
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers hinaus führt,
einem in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montierten Deckelkörper, dass er die Ausnehmung vollständig luftdicht abdeckt,
einem zweiten Fluidkanal, der sich von einer der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt, und
einem zweiten Verdrahtungsleiter geschaffen, dessen eines Ende auf der der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt.
Erfindungsgemäß ist das Brennstoffzellengehäuse aus der Membranelektrodenbaugruppe mit der ersten und der zweiten Elektrode, die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind, dem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit der auf ihrer einen Oberfläche ausgebildeten Ausnehmung zur Unterbringung der Membranelektrodenbaugruppe und dem in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montierten Deckelkörper aufgebaut, dass er die Ausnehmung luftdicht abdichtet. Durch diese Konstruktion kann durch eine luftdichte Abdichtung des Brennstoffzellengehäuses ein Austreten von Fluid, wie Gas, verhindert werden. Da überdies nicht die Notwendigkeit besteht, zusätzlich zu dem Gehäuse ein zusätzliches Paket bereitzustellen, kann die Brennstoffzelle mit hoher Effizienz betrieben werden, und eine Miniaturisierung kann realisiert werden. Ferner ist die Brennstoffzelle so konstruiert, dass mehrere Membranelektrodenbaugruppen in dem Gehäuse untergebracht sind, das aus dem aus Keramik gefertigten Basiskörper, in dessen einer Oberfläche die Ausnehmung ausgebildet ist, und dem Deckelkörper zum Abdichten der Ausnehmung besteht. Durch diesen Aufbau tritt niemals der Fall ein, dass die Membranelektrodenbaugruppe nach außen freiliegt, und daher kann das Gehäuse vor Beschädigungen geschützt werden. Dadurch wird die mechanische Zuverlässigkeit des Brennstoffzellengehäuses als Ganzes verbessert werden. Im Übrigen sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, deren jeweilige einen Enden im inneren Teil des aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuses angeordnet sind, die einzigen Bauteile, die elektrisch an die Membranelektrodenbaugruppe angeschlossen sind. Dadurch wird die Membranelektrodenbaugruppe selbst von unnötigen elektrischen Anschlüssen befreit, wodurch die Realisierung einer Brennstoffzelle möglich wird, die hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgezeichnet ist. Zudem kann durch die Verwendung von Keramik als Werkstoff zur Herstellung des Brennstoffzellengehäuses eine Brennstoffzelle realisiert werden, die hochgradig resistent gegen Korrosion durch ein durch verschiedene Gase typisiertes Fluid ist.
Da die ersten Fluidkanäle, die sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstrecken, und die zweiten Fluidkanäle vorgesehen sind, die sich von der einen, der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstrecken, und die jeweiligen Fluidkanäle an den einander auf beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden inneren Wandflächen angeordnet sind, ist ferner eine Steigerung der Gleichmäßigkeit der Zufuhr des der Membranelektrodenbaugruppe zugeführten Fluids möglich. Da das Fluid vertikal zur Membranelektrodenbaugruppe fließt, wird durch diese Fluidkanäle die Wirkung erzielt, dass die Partialdrücke der jeweiligen auf den beiden Hauptoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe ausgebildeten ersten und zweiten Elektrode zugeführten Gase nicht abnehmen, wenn das Fluid beispielsweise Wasserstoffgas und Luft (Sauerstoffgas) sind, und eine spezifizierte, stabile Ausgangsspannung realisiert werden kann.
Da der Druck eines zugeführten Fluids, beispielsweise der Teildruck eines Gases, stabilisiert wird, wird überdies die Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellengehäuses gleichmäßig, wodurch eine Steuerung der in der Membranelektrodenbaugruppe verursachten thermischen Spannungen und eine Steigerung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle möglich sind.
Da die jeweiligen Fluidkanäle im Basiskörper und im Deckelkörper ausgebildet sind, sind die jeweiligen Fluidkanäle weiterhin hervorragend hermetisch abgedichtet, es besteht nicht die Möglichkeit, dass die Funktion der Brennstoffzelle nicht erfüllt wird, weil zwei Arten von Fluid (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol oder dergleichen), deren Kanäle ursprünglich isoliert sein sollten, sich vermischen, und es besteht nicht die Gefahr, dass brennbare Fluide sich entzünden und explodieren, nachdem sie sich bei hohen Temperaturen vermischt haben, wodurch es möglich ist, eine sichere Brennstoffzelle zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise der erste Verdrahtungsleiter so um die Öffnung des auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung ausgebildeten ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt.
Erfindungsgemäß ist der erste Verdrahtungsleiter so um die Öffnung des auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die Öffnung des auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe berührt. Durch diesen Aufbau kann der erste oder der zweite Verdrahtungsleiter in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit der gesamten Fläche der ersten oder der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe stehen, mit Ausnahme des Bereichs, der dem ersten bzw. dem zweiten Fluidkanal entspricht. Dadurch werden eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe und dem ersten Verdrahtungsleiter und der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Verdrahtungsleiter sowie die Herstellung eines direkten Kontakts zwischen ihnen ermöglicht. Dadurch können eine Erhöhung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines untauglichen Kontakts effektiv verhindert werden, wodurch eine Brennstoffzelle realisiert wird, die erfolgreich eine hohe Effizienz bei der Erzeugung von Elektrizität bietet.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse ferner vorzugsweise ein Heizelement zum Erwärmen der einen oder der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe, das am Rand der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals und/oder der auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist das Heizelement zum Erwärmen der einen oder der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe am Umfang der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals und/oder der auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet. Hierbei wird die Wärmekapazität im Vergleich zur Verwendung eines herkömmlichen Gastrenners klein gehalten. Da das Heizelement in einem Bereich in der Nähe der Membranelektrodenbaugruppe in der Brennstoffzelle angeordnet ist, kann nebenbei die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe und der Elektrode mit ausgezeichnetem Ansprechverhalten und ausgezeichneter Steuerbarkeit beliebig eingestellt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass zum Erhalt effizienter chemischer Reaktionen die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe vorzugsweise auf 80°C bis 100°C erhöht werden sollte. In dieser Hinsicht erübrigt sich bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse durch die Verwendung eines derartigen Heizelements das Hinzufügen einer zusätzlichen Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Brennstoffs. So kann die Temperatursteuerung leicht realisiert werden, und die Effizienz der chemischen Reaktionen kann verbessert werden. Da das eingebaute Heizelement eine bemerkenswerte Temperatursteuerungsleistung zeigt, ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse insbesondere für eine methanolbetriebene DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle) vorteilhaft, bei der die Membranelektrodenbaugruppe durch den zuzuführenden Brennstoff gekühlt wird. Zudem können eine zufriedenstellende Miniaturisierung und Transportierbarkeit realisiert werden.
Wenn an der Luftelektrode durch die mittels der chemischen Reaktionsgleichung (2), (4) ausgedrückten chemische Reaktion Wasser erzeugt wird und sich in der porösen Elektrode ansammelt, wird die Zufuhr von Luft behindert, was zu einer unerwünschten Abnahme der Effizienz der chemischen Reaktionen führt. Da das sich ansammelnde Wasser bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse durch die Wirkung des Heizelements verdampft, kann die Abnahme der Effizienz jedoch verhindert werden.
Es gibt ein weiteres Problem. Wenn bei einer DMFC Methanol an dem Pt der Brennstoffelektrode (Anode) haftet und dadurch oxidiert, was zur Erzeugung von CO führt, während bei einer PEFC CO hauptsächlich in dem reformierten H₂ enthalten ist, steigt das Elektrodenpotential bei der Absorption des CO durch das Pt, was zu einer unerwünschten (nachstehend als „CO-Vergiftung” bezeichneten) Abnahme der verfügbaren elektrischen Potentiale führt. Da das CO erfindungsgemäß durch Erwärmen der Elektrode auf eine hohe Temperatur zu CO₂ oxidiert werden kann, kann das Auftreten einer CO-Vergiftung jedoch verhindert werden.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse ferner ein hygroskopisches Element, mit dem die Innenfläche des ersten Fluidkanals und/oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals beschichtet ist.
Da erfindungsgemäß zumindest entweder die Innenfläche des ersten Fluidkanals oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals mit dem hygroskopischen bzw. Feuchtigkeit aufnehmenden Element beschichtet ist, können durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugter Wasserdampf oder daraus entstehende Wassertropfen (H₂O) durch das hygroskopische Element absorbiert und entfernt werden, was den Vorteil einer effektiven Verhinderung einer Blockade des ersten und des zweiten Fluidkanals zur Folge hat, die als Fluidkanäle für Luft fungieren. Ferner können nach einer elektrochemischen Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe entstandener Wasserdampf oder daraus entstandene Wassertropfen (H₂O) durch das hygroskopische Element entfernt werden. Dies hilft, zu verhindern, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode mit Wasserdampf oder daraus entstehenden Wassertropfen (H₂O) bedeckt werden, und ermöglicht daher eine effiziente Zufuhr von als Oxidationsgas fungierender Luft, die der Atmosphäre entnommen wird, durch den ersten und den zweiten Fluidkanal. Zudem können dadurch die chemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe erleichtert werden, wodurch eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse ferner vorzugsweise eine wärmeisolierende Schicht, die in einem Teil des Basiskörpers und/oder einem Teil des Deckelkörpers in der Nähe der Ausnehmung ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist die wärmeisolierende Schicht auf einem Teil des Basiskörpers und/oder einem Teil des Deckelkörpers in der Nähe der Ausnehmung ausgebildet. Da in diesem Fall die wärmeisolierende Schicht in dem Bereich in der Nähe der Membranelektrodenbaugruppe angeordnet ist, können die Membranelektrodenbaugruppe und die Elektrode auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden. Daneben kann verhindert werden, dass die Außenwand des Brennstoffzellengehäuses heiß wird, und das Auftreten unterwünschter Schwankungen der Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe kann effektiv verhindert werden. Selbst wenn die Membranelektrodenbaugruppe auf hohe Temperaturen erwärmt wird, kann daher verhindert werden, dass die Brennstoffzelle so heiß wird, dass sie beispielsweise Verbrennungen der Haut verursacht, wenn die Haut eines Benutzers sie unabsichtlich berührt, da die Übertragung der resultierenden Wärme an die Außenfläche des Brennstoffzellengehäuses durch die wärmeisolierende Schicht verhindert wird. Ferner sind eine effiziente Minimierung von Schwankungen der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode in der Brennstoffzelle und damit das Verhindern eines Auftretens von Schwankungen der Erzeugung von Elektrizität zwischen diesen Elektroden möglich. Zudem existieren in der Brennstoffzelle keine Temperaturdifferenzen zwischen der äußersten Elektrode und der mittleren Elektrode, und insbesondere tritt nie der Fall ein, dass die äußerste Elektrode eine niedrigere Temperatur als die mittlere Elektrode aufweist. Dadurch kann eine durch eine übermäßig hohe Feuchtigkeit verursachte Abnahme der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität, etc. erfolgreich verhindert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe zum Erhalt effizienter chemischer Reaktionen vorzugsweise auf 80°C bis 100°C erhöht werden sollte. In dieser Hinsicht erübrigt sich bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse durch die Verwendung einer derartigen wärmeisolierenden Schicht das Hinzufügen einer zusätzlichen Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Brennstoffs. Daher können die Membranelektrodenbaugruppe auf einer optimalen Temperatur gehalten und die Effizienz der chemischen Reaktionen verbessert werden. Da die eingebaute wärmeisolierende Schicht eine bemerkenswerte Temperatursteuerungsleistung aufweist, wodurch die optimale Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe gehalten werden kann, ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse insbesondere für eine methanolbetriebene DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle) vorteilhaft, bei der die Membranelektrodenbaugruppe durch den zuzuführenden Brennstoff gekühlt wird. Zudem können eine zufriedenstellende Miniaturisierung und Transportierbarkeit des Brennstoffzellengehäuses erzielt werden.
Wenn an der Luftelektrode durch eine mittels der chemischen Reaktionsgleichung (2), (4) ausgedrückte chemische Reaktion Wasser erzeugt wird und sich in der porösen Elektrode ansammelt, wird die Luftzufuhr behindert, was zu einer unerwünschten Abnahme der Effizienz der chemischen Reaktionen führt. Da bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse die Verflüssigung des resultierenden Wasserdampfs in der Brennstoffzelle durch die wärmeisolierende Schicht verhindert wird, kann die Abnahme der Effizienz jedoch verhindert werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzelle ferner vorzugsweise eine hydrophobe Beschichtung, mit der zumindest entweder die Innenfläche des ersten Fluidkanals oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals beschichtet ist.
Da erfindungsgemäß die Innenfläche des ersten Fluidkanals und/oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals vollständig oder teilweise mit einer hydrophoben Beschichtung beschichtet ist, ist der mit der hydrophoben Beschichtung umgebene Fluidkanal zufriedenstellend wasserabweisend. Dadurch können das im ersten und im zweiten Fluidkanal auftretende Kondenswasser sowie das durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugte Wasser (H₂O) durch den Druck des zugeführten Brennstoffs und der zugeführten Luft leicht abgegeben und aus der Leitung entfernt werden, was zu dem Vorteil einer effektiven Verhinderung einer Ansammlung von Wassertröpfchen im ersten und zweiten Fluidkanal führt. Dies hilft, zu verhindern, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, und ermöglicht dadurch eine effektive Zufuhr von als Oxidationsgas wirkender, aus der Atmosphäre entnommener Luft und Brennstoff durch den ersten und den zweiten Fluidkanal. Dadurch können die chemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe erleichtert werden, wodurch eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität möglich wird.
Da bei diesem Verfahren die hydrophobe Beschichtung aus einer Metallschicht hergestellt wird, kann die hydrophobe Beschichtung leicht mittels Metallisierung und Plattieren erzeugt werden, die im Bereich der herkömmlichen, mehrschichtigen Keramiktechnologie verbreitet verwendet werden.
Überdies ist die Innenfläche des ersten und/oder des zweiten Fluidkanals mit einer hydrophoben Beschichtung beschichtet. Daher können durch die Kondensation von Wasserdampf entstandene Wassertröpfchen durch die hydrophobe Beschichtung abgegeben und entfernt werden, was den Vorteil einer effektiven Verhinderung des Auftretens einer Blockade des ersten und des zweiten Fluidkanals mit sich bringt, die als Fluidkanäle für Brennstoff und Luft fungieren. Daneben können auch durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugter Wasserdampf und teilweise in Tröpfchenform vorliegendes Wasser durch die hydrophobe Beschichtung abgegeben und entfernt werden. Dies hilft, effektiv zu verhindern, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode mit Wasserdampf und teilweise in Tröpfchenform vorliegendem Wasser bedeckt werden, wodurch eine effektive Zufuhr von als Oxidationsgas fungierender, aus der Atmosphäre entnommener Luft und Brennstoff über den ersten und den zweiten Fluidkanal ermöglicht wird. Dadurch können chemische Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe erleichtert werden, wodurch eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise der erste Verdrahtungsleiter so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt, und weist eine mit einem korrosionsbeständigen Metall beschichtete Oberfläche auf.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise der erste Verdrahtungsleiter so um die Öffnung des auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt, und/oder ist der zweite Verdrahtungsleiter so um die Öffnung des auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordneten zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt und weist eine mit einem korrosionsbeständigen Metall beschichtete Oberfläche auf. Durch diesen Aufbau können der erste und der zweite Verdrahtungsleiter in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit der gesamten Fläche der ersten und der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe in Kontakt stehen, mit Ausnahme des der Öffnung des ersten oder des zweiten Fluidkanals entsprechenden Bereichs. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe und dem ersten Verdrahtungsleiter sowie der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Verdrahtungsleiter und ebenso die Herstellung einer direkten Verbindung zwischen ihnen. Dadurch können eine Zunahme des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines nicht ordnungsgemäßen Kontakts effektiv verhindert werden, wodurch eine Brennstoffzelle realisiert wird, die erfolgreich eine hohe Effizienz bei der Erzeugung von Elektrizität bietet. Da als metallischer Werkstoff zur Beschichtung der Oberflächen des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters Gold, Platin oder Palladium ausgewählt wird, können der erste oder der zweite Verdrahtungsleiter nebenbei vor Korrosion geschützt werden.
Erfindungsgemäß ist der erste Verdrahtungsleiter vorzugsweise so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt. In einem in bezug auf den ersten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Teil des Basiskörpers ist parallel zu dem ersten Verdrahtungsleiter ein dritter Verdrahtungsleiter ausgebildet. Ein erster Verbindungsleiter zum Verbinden des ersten Verdrahtungsleiters mit dem dritten Verdrahtungsleiter ist zwischen den im Basiskörper angeordneten ersten Fluidkanälen ausgebildet. Der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt; in einem in bezug auf den zweiten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Teil des Deckelkörpers ist parallel zum zweiten Verdrahtungsleiter ein vierter Verdrahtungsleiter ausgebildet, und ein zweiter Verbindungsleiter zum Verbinden des zweiten Verdrahtungsleiters mit dem vierten Verdrahtungsleiter ist zwischen den im Deckelkörper angeordneten zweiten Fluidkanälen ausgebildet.
Da erfindungsgemäß die ersten Verdrahtungsleiter und die zweiten Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung und um die Öffnungen der zweiten Fluidkanäle auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet sind, dass sie die erste Elektrode und die zweite Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe berühren, können ein direkter Kontakt und eine elektrische Verbindung zwischen sämtlichen Teilen der ersten und der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe mit Ausnahme der Öffnungen der ersten und zweiten Fluidkanäle und den ersten zweiten Verdrahtungsleitern hergestellt werden. Daher kann über große Bereich der Membranelektrodenbaugruppe ein Kontakt zwischen der ersten Elektrode und den ersten Verdrahtungsleitern und der zweiten Elektrode und den zweiten Verdrahtungsleitern hergestellt werden, sie können direkt verbunden werden, und eine Zunahme des elektrischen Widerstands kann gedämpft und ein Scheitern des Kontakts kann so gut wie möglich vermieden werden, so daß es möglich ist, eine Brennstoffzelle zu schaffen, deren Effizienz bei der Erzeugung von elektrischem Strom hoch ist.
Da die ersten Verdrahtungsleiter und die zweiten Verdrahtungsleiter bei der ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzelle über die ersten Verbindungsleiter und die zweiten Verbindungsleiter, die zwischen den ersten Fluidkanälen des Basiskörpers und zwischen den zweiten Fluidkanälen des Deckelkörpers ausgebildet sind, mit den parallel zu den ersten Verdrahtungsleitern in Bezug auf die ersten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Bereichen des Basiskörpers ausgebildeten dritten Verdrahtungsleitern und den parallel zu den zweiten Verdrahtungsleitern in Bezug auf die zweiten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Bereichen des Deckelkörpers ausgebildeten vierten Verdrahtungsleitern verbunden sind, ist es ferner möglich, den Widerstand der im Brennstoffzellengehäuse angeordneten Verdrahtungsleiter sehr niedrig zu halten und eine Hauptplatine oder dergleichen, die eine elektronische Schaltung ist, die einen Hauptteil der elektronischen Vorrichtung bildet, die mit der Brennstoffzelle und der Membranelektrodenbaugruppe ausgestattet ist, mit geringem Widerstand anzuschließen. Dadurch ist es möglich, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die die Entnahme von in der Membranelektrodenbaugruppe elektrochemisch erzeugter Elektrizität nach außen in gutem Zustand ermöglicht.
Da die ersten Verbindungsleiter und die zweiten Verbindungsleiter jeweils zwischen den ersten Fluidkanälen des Basiskörpers und zwischen den zweiten Fluidkanälen des Deckelkörpers ausgebildet sind, ist es überdies möglich, effektiv zu verhindern, dass die ersten Verbindungsleiter und die zweiten Verbindungsleiter durch Brennstoff oder dergleichen korrodieren, und eine langfristige, stabile Entnahme von in der Membranelektrodenbaugruppe elektrochemisch erzeugter Elektrizität nach außen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist der erste Verdrahtungsleiter vorzugsweise so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt; in einem in Bezug auf den ersten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Teil des Basiskörpers ist parallel zu dem ersten Verdrahtungsleiter ein dritter Verdrahtungsleiter ausgebildet; ein erster Verbindungsleiter zum Verbinden des ersten Verdrahtungsleiters mit dem dritten Verdrahtungsleiter ist auf der inneren Umfangsfläche des im Basiskörper angeordneten ersten Fluidkanals ausgebildet; der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt; in einem in bezug auf den zweiten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Teil des Deckelkörpers ist parallel zum zweiten Verdrahtungsleiter ein vierter Verdrahtungsleiter ausgebildet, und ein zweiter Verbindungsleiter zum Verbinden des zweiten Verdrahtungsleiters mit dem vierten Verdrahtungsleiter ist auf der inneren Umfangsfläche des im Deckelkörper angeordneten zweiten Fluidkanals ausgebildet.
Da die ersten Verdrahtungsleiter und die zweiten Verdrahtungsleiter bei der zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzelle erfindungsgemäß über die ersten Verbindungsleiter und die zweiten Verbindungsleiter, die auf den inneren Umfangsflächen der ersten Fluidkanäle des Basiskörpers und auf den inneren Umfangsflächen der zweiten Fluidkanäle des Deckelkörpers ausgebildet sind, mit den parallel zu den ersten Verdrahtungsleitern in Bezug auf die ersten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Bereichen des Basiskörpers ausgebildeten dritten Verdrahtungsleitern und den parallel zu den zweiten Verdrahtungsleitern in Bezug auf die zweiten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Bereichen des Deckelkörpers ausgebildeten vierten Verdrahtungsleitern verbunden sind, ist es möglich, den Widerstand der im Brennstoffzellengehäuse angeordneten Verdrahtungsleiter sehr gering zu halten und mit geringem Widerstand eine Hauptplatine oder dergleichen anzuschließen, die eine elektronische Schaltung ist, die einen Hauptteil der elektronischen Vorrichtung bildet, die mit der Brennstoffzelle und der Membranelektrodenbaugruppe ausgestattet ist. Dadurch ist es möglich, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die die Entnahme von in der Membranelektrodenbaugruppe elektrochemisch erzeugter Elektrizität nach außen in gutem Zustand ermöglicht.
Da die ersten Verbindungsleiter und die zweiten Verbindungsleiter auf den inneren Umfangsflächen der ersten Fluidkanäle und auf den inneren Umfangsflächen der zweiten Fluidkanäle ausgebildet sind, können die ersten Verbindungsleiter und die zweiten Verbindungsleiter überdies den Basiskörper und den Deckelkörper verstärken, und es ist möglich, eine Beschädigung des Basiskörpers und des Deckelkörpers effektiv zu verhindern. Überdies wird es möglich, die Abstände zwischen den ersten Fluidkanälen und zwischen den zweiten Fluidkanälen weiter zu verringern und die ersten und zweiten Fluidkanäle in einer größeren Dichte zu erzeugen.
Ferner ist erfindungsgemäß eine Membranelektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses angeordnet, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe sind so angeordnet, dass jeweils Fluid zwischen den ersten und den zweiten Fluidkanälen ausgetauscht werden kann, der erste und der zweite Verdrahtungsleiter sind jeweils elektrisch mit der ersten und der zweiten Elektrode verbunden, der Deckelkörper ist auf der einen Oberfläche des Basiskörpers so um die Ausnehmung montiert, dass er die jeweiligen Ausnehmungen bedeckt, und es ist möglich, eine zuverlässige Brennstoffzelle zu schaffen, die durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse die vorstehend erwähnten Vorteile hat, klein und robust ist und zu einer gleichmäßigen Zufuhr von Brennstoff und zur Herstellung einer hoch effizienten elektrischen Verbindung geeignet ist.
Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper zur Unterbringung zumindest einer ersten Elektrode einer aus einem plattenförmigen, festen Elektrolyt gefertigten Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils so auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, dass der feste Elektrolyt am Rand übersteht, wobei auf einer Oberfläche des Basiskörpers eine erste Ausnehmung ausgebildet ist, an deren äußerem Rand ein Anordnungsabschnitt ausgebildet ist, auf dem der überstehende Teil des festen Elektrolyts angeordnet wird;
einem ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt;
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende hinaus zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers führt;
einem Deckelkörper zur Aufnahme der zweiten Elektrode, der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers so in der Nähe der ersten Ausnehmung montiert ist, dass er die erste Ausnehmung bedeckt, wobei der Deckelkörper eine auf seiner unteren Oberfläche ausgebildete zweite Ausnehmung aufweist, die einen so an seinem äußeren Rand ausgebildeten Auflageabschnitt aufweist, dass er den überstehenden Teil berührt, wodurch eine greifende Anordnung des überstehenden Abschnitts zwischen dem Auflageabschnitt und dem Anordnungsabschnitt ermöglicht wird, und der Deckelkörper die erste Ausnehmung hermetisch abdichtet;
einem zweiten Fluidkanal, der sich von einer der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zu einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt; und
einem zweiten Verdrahtungsleiter geschaffen, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur anderen Oberfläche des Deckelkörpers führt.
Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper zur Unterbringung zumindest einer ersten Elektrode einer aus einem plattenförmigen, festen Elektrolyt gefertigten Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils so auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, dass der feste Elektrolyt am Rand übersteht, wobei auf einer Oberfläche des Basiskörpers eine erste Ausnehmung ausgebildet ist, an deren äußerem Rand ein Anordnungsabschnitt ausgebildet ist, auf dem der überstehende Teil des festen Elektrolyts angeordnet wird;
einem ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt;
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende hinaus zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers führt;
einem Deckelkörper zum luftdichten Abdichten der Ausnehmung, der in der Nähe der ersten Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass er die erste Ausnehmung bedeckt;
einem zweiten Fluidkanal, der sich von einer der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zu einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt; und
einem zweiten Verdrahtungsleiter geschaffen, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur anderen Oberfläche des Deckelkörpers führt.
Erfindungsgemäß besteht das Brennstoffzellengehäuse aus der Membranelektrodenbaugruppe, deren erste und zweite Elektrode jeweils auf ihrer einen und auf ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind, dem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit der auf seiner einen Oberfläche ausgebildeten ersten Ausnehmung bzw. Ausnehmung zur Aufnahme der Membranelektrodenbaugruppe und dem in der Nähe der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montierten Deckelkörper, dass er die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung bedeckt, zum luftdichten Abdichten der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung. Bei dieser Konstruktion kann durch das luftdichte Abdichten des Brennstoffzellengehäuses ein Austreten von Fluid, wie Gas, verhindert werden. Da überdies nicht die Notwendigkeit besteht, zusätzlich zu dem Gehäuse ein zusätzliches Paket herzustellen, kann die Brennstoffzelle mit hoher Effizienz betrieben werden, und eine Miniaturisierung kann erzielt werden. Ferner wird die Brennstoffzelle durch Unterbringen mehrerer Membranelektrodenbaugruppen in dem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit der in seiner einen Oberfläche ausgebildeten ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung und dem Deckelkörper zum Abdichten der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung zusammengesetzten Gehäuse hergestellt. Durch diese Konstruktion tritt niemals der Fall ein, dass die Membranelektrodenbaugruppe nach außen freiliegt, wodurch das Gehäuse vor Beschädigungen geschützt werden kann. Dadurch kann die mechanische Zuverlässigkeit des Brennstoffzellengehäuses als Ganzem verbessert werden. Nebenbei sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, deren eines Ende jeweils im inneren Teil des aus der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuses angeordnet ist, die einzigen Bauteile, die elektrisch mit der Membranelektrodenbaugruppe verbunden sind. Dadurch weist die Membranelektrodenbaugruppe selbst keine überfüßigen elektrischen Anschlüsse auf, wodurch es möglich wird, eine Brennstoffzelle zu schaffen, deren Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgezeichnet sind. Zudem kann durch die Verwendung von Keramik als Werkstoff zur Herstellung des Brennstoffzellengehäuses eine Brennstoffzelle realisiert werden, die hochgradig resistent gegen eine Korrosion durch ein durch verschiedene Gase verkörpertes Fluid ist.
Da die ersten Fluidkanäle, die sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstrecken, und die zweiten Fluidkanäle vorgesehen sind, die sich von der der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstrecken, und die jeweiligen Fluidkanäle an den inneren Wandflächen angeordnet sind, die sich auf beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen, ist ferner eine Steigerung der Gleichmäßigkeit der Fluidzufuhr zur Membranelektrodenbaugruppe möglich. Da das Fluid in den Fluidkanälen vertikal zur Membranelektrodenbaugruppe fließt, entsteht ferner die Wirkung, dass die jeweiligen Partialdrücke der jeweiligen, der auf der einen und der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe ausgebildeten ersten und zweiten Elektrode zugeführten Gase nicht abnehmen, wenn das Fluid beispielsweise Wasserstoffgas, eine wässrige Methanollösung oder dergleichen und Luft (Sauerstoffgas) ist, und eine spezifizierte, stabile Ausgangsspannung erzielt werden kann. Da ferner der Druck des zugeführten Fluids, beispielsweise der Partialdruck des Gases, stabilisiert wird, wird überdies die Temperaturverteilung im Brennstoffzellengehäuse stabil, wodurch es möglich ist, die in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugten thermischen Spannungen zu steuern und die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle zu erhöhen.
Da die jeweiligen Fluidkanäle im Basiskörper und im Deckelkörper ausgebildet sind, sind die jeweiligen Fluidkanäle weiterhin vollständig hermetisch abgedichtet. Da der überstehende Teil des festen Elektrolyts auf dem am äußeren Rand der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung der einen Oberfläche des Basiskörpers ausgebildeten Positionierungsabschnitt angeordnet wird, sind die ersten und zweiten Fluidkanäle darüber hinaus durch die Membranelektrodenbaugruppe voneinander isoliert, es besteht nicht die Möglichkeit, dass die Funktion der Brennstoffzelle durch die Vermischung zweier Arten von Fluiden (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol oder dergleichen) nicht erfüllt wird, und es besteht nicht die Gefahr, dass sich brennbare Fluide entzünden und explodieren, nachdem sie sich bei hohen Temperaturen vermischt haben, wodurch die Schaffung einer sicheren Brennstoffzelle möglich wird.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise der erste Verdrahtungsleiter so um die auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die auf der unteren Oberfläche der zweiten Ausnehmung angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise der erste Verdrahtungsleiter so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt.
Daher können zwischen sämtlichen Teilen der ersten und der zweiten Elektroden der Membranelektrodenbaugruppe mit Ausnahme der Öffnungen der ersten und der zweiten Fluidkanäle und den ersten und den zweiten Verdrahtungsleitern ein direkter Kontakt und eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Daher können die erste Elektrode und die ersten Verdrahtungsleiter und die zweite Elektrode und die zweiten Verdrahtungsleiter über große Bereiche der Membranelektrodenbaugruppe aneinander angeschlossen und direkt verbunden werden, und eine Steigerung des elektrischen Widerstands und ein Versagen des Kontakts können effektiv vermieden werden, so daß es möglich ist, eine Brennstoffzelle zu schaffen, bei der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität hoch ist.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse vorzugsweise ferner
ein am Rand der auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals und/oder der auf der unteren Oberfläche der zweiten Ausnehmung angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildetes Heizelement zum Erwärmen der einen oder der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse vorzugsweise ferner
ein am Rand der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals und/oder der auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildetes Heizelement zum Erwärmen der einen oder der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe.
Erfindungsgemäß ist das Heizelement zur Erwärmung der einen oder der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe am Rand der auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals und/oder der auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals vorgesehen. Hierbei wird die Wärmekapazität im Vergleich zur Verwendung eines herkömmlichen Gastrenners gering gehalten. Da das Heizelement in dem Bereich in der Nähe der Membranelektrodenbaugruppe angeordnet ist, kann nebenbei die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe und der Elektrode in der Brennstoffzelle mit ausgezeichnetem Ansprechverhalten und ausgezeichneter Steuerbarkeit beliebig gesteuert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe zum Erzielen effizienter chemischer Reaktionen vorzugsweise auf 80°C bis 100°C erhöht werden sollte. In dieser Hinsicht erübrigt sich bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse durch die Verwendung eines derartigen Heizelements das Hinzufügen einer zusätzlichen Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Brennstoffs. Daher können die Temperatursteuerung leicht ausgeführt und die Effizienz der chemischen Reaktionen verbessert werden. Da das enthaltene Heizelement eine bemerkenswerte Temperatursteuerungsleistung bietet, ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse insbesondere für eine methanolbetriebene DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle) vorteilhaft, bei der die Membranelektrodenbaugruppe durch den zuzuführenden Brennstoff gekühlt wird. Zudem können eine zufriedenstellende Miniaturisierung und Transportierbarkeit realisiert werden.
Wird durch die mittels der chemischen Reaktionsgleichungen (2), (4) ausgedrückte chemische Reaktion an der Luftelektrode Wasser erzeugt und sammelt sich an der porösen Elektrode an, wird die Luftzufuhr behindert, was zu einer unerwünschten Verringerung der Effizienz der chemischen Reaktionen führt. Da bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse angesammeltes Wasser durch die Wirkung des Heizelements verdampft, kann eine Verringerung der Effizienz verhindert werden.
Es existiert ein weiteres Problem. Wenn in einer DMFC Methanol an dem Pt auf der Brennstoffelektrode (der Anode) haften bleibt und dadurch oxidiert, führt dies zur Entstehung von CO, während CO bei einer PEFC hauptsächlich in reformiertem H₂ enthalten ist. Wird das CO durch das Pt absorbiert, steigt das Potential der Elektrode, was zu einer (nachstehend als „CO-Vergiftung” bezeichneten) unerwünschten Abnahme der verfügbaren elektrischen Potentiale führt. Da erfindungsgemäß CO durch Erwärmen der Elektrode auf eine hohe Temperatur zu CO₂ oxidiert werden kann, kann das Auftreten einer CO-Vergiftung jedoch verhindert werden.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse vorzugsweise ferner ein hygroskopisches Element, mit dem zumindest entweder die Innenfläche des ersten Fluidkanals oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals beschichtet ist.
Da erfindungsgemäß zumindest entweder die Innenfläche des ersten Fluidkanals oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals mit dem hygroskopischen Element beschichtet ist, kann durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugtes Wasser (H₂O) von dem hygroskopischen Element absorbiert und entfernt werden, wodurch der Vorteil einer effektiven Verhinderung einer Blockade des ersten und des zweiten Fluidkanals erzielt wird, die als Fluidkanäle für Luft fungieren. Dies hilft, zu verhindern, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, wodurch eine effektive Zufuhr von als Oxidationsgas fungierender Luft, die der Atmosphäre entnommen wird, durch den ersten und den zweiten Fluidkanal ermöglicht wird. Dadurch können die chemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe erleichtert werden, wodurch eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse vorzugsweise ferner
eine wärmeisolierende Schicht, die auf einem in der Nähe der ersten Ausnehmung gelegenen Teil des Basiskörpers und/oder auf einem in der Nähe der zweiten Ausnehmung gelegenen Teil des Deckelkörpers ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellengehäuse vorzugsweise ferner
eine wärmeisolierende Schicht, die auf einem Teil des Basiskörpers und/oder auf einem Teil des Deckelkörpers ausgebildet ist, die in der Nähe der Ausnehmung liegt.
Erfindungsgemäß ist die wärmeisolierende Schicht auf einem in der Nähe der unteren Oberfläche der Ausnehmung gelegenen Teil des Basiskörpers und/oder auf einem in der Nähe der zweiten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung gelegenen Teil des Deckelkörpers ausgebildet. Da die wärmeisolierende Schicht hierbei in einem Bereich in der Nähe der Membranelektrodenbaugruppe angeordnet ist, können die Membranelektrodenbaugruppe und die Elektrode auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden. Im Übrigen kann verhindert werden, dass die Außenwand des Brennstoffzellengehäuses heiß wird, und auch das Auftreten unerwünschter Veränderungen der Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe kann effizient verhindert werden. Daher kann selbst bei einer Erwärmung der Membranelektrodenbaugruppe auf hohe Temperaturen verhindert werden, dass die Brennstoffzelle so heiß wird, dass sie beispielsweise Verbrennungen der Haut verursacht, wenn die Brennstoffzelle unabsichtlich mit der Haut eines Benutzers in Berührung kommt, da eine Übertragung der resultierenden Hitze auf die äußere Oberfläche des Brennstoffzellengehäuses durch die wärmeisolierende Schicht verhindert wird. Ferner sind eine effektive Minimierung der Schwankungen der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode in der Brennstoffzelle 21 und damit das Verhindern des Auftretens von Schwankungen der Erzeugung von Elektrizität zwischen den Elektroden möglich. Zudem existieren in der Brennstoffzelle keine Differenzen zwischen den Temperaturen der äußersten Elektrode und der mittleren Elektrode, und insbesondere tritt nie der Fall ein, dass die äußerste Elektrode eine niedrigere Temperatur als die mittlere Elektrode aufweist. Daher kann eine durch eine übermäßig hohe Feuchtigkeit verursachte Verringerung der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität, etc. erfolgreich verhindert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe zum Erhalt effizienter chemischer Reaktionen vorzugsweise auf 80 bis 100°C erhöht werden sollte. In dieser Hinsicht erübrigt sich bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse durch die Verwendung der wärmeisolierenden Schicht das Hinzufügen einer zusätzlichen Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Brennstoffs. Daher können die Membranelektrodenbaugruppe auf einer optimalen Temperatur gehalten und die Effizienz der chemischen Reaktionen verbessert werden. Da die eingebaute wärmeisolierende Schicht eine bemerkenswerte Temperatursteuerungsleistung bietet, wodurch die Membranelektrodenbaugruppe auf einer optimalen Temperatur gehalten werden kann, ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse insbesondere bei einer methanolbetriebenen DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle) vorteilhaft, bei der die Membranelektrodenbaugruppe durch den zuzuführenden Brennstoff gekühlt wird. Zudem können eine zufriedenstellende Miniaturisierung und Transportierbarkeit des Brennstoffzellengehäuses realisiert werden.
Wenn an der Luftelektrode durch eine mittels der chemischen Reaktionsgleichungen (2), (4) ausgedrückten chemische Reaktion Wasser erzeugt wird und sich in der porösen Elektrode ansammelt, wird die Luftzufuhr behindert, was zu einer unerwünschten Verringerung der Effizienz der chemischen Reaktionen führt. Da bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse eine Verflüssigung des resultierenden Wasserdampfs in der Brennstoffzelle durch die wärmeisolierende Schicht verhindert wird, kann eine Verminderung der Effizienz jedoch verhindert werden.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit
einer Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind, und
dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellengehäuse geschaffen,
wobei die Membranelektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses untergebracht ist, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so aufgebaut sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden sind und der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.
Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle durch die Unterbringung der Membranelektrodenbaugruppe in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse konstruiert, worauf die eine oder die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet wird, dass Fluid zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, worauf die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden werden, worauf der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert wird, dass er die Ausnehmung bedeckt. Durch diese Konstruktion ist es möglich, eine kompakte, robuste und hoch zuverlässige Brennstoffzelle zu schaffen, die unter Ausnutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses eine gleichmäßige Gaszufuhr, eine Vereinheitlichung der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und eine hoch effiziente elektrische Verbindung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle durch die Unterbringung der Membranelektrodenbaugruppe in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse konstruiert, worauf die eine oder die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet wird, dass Fluid zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, worauf die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden werden, worauf der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert wird, dass er die Ausnehmung bedeckt. Durch diese Konstruktion tritt niemals der Fall ein, dass die Membranelektrodenbaugruppe nach außen freigelegt und beschädigt wird. Überdies sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, deren eines Ende jeweils im Inneren des aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuses angeordnet ist, die einzigen Bauteile, die einen elektrischen Kontakt mit der Membranelektrodenbaugruppe herstellen. Dadurch weist die Membranelektrodenbaugruppe keine unnötigen elektrischen Anschlüsse auf, wodurch es möglich wird, eine Brennstoffzelle zu realisieren, deren Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgezeichnet sind. Ferner sind der erste und der zweite Fluidkanal so auf der entsprechenden inneren Wandfläche des Gehäuses, d. h. jeweils auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers und der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet, dass die Membranelektrodenbaugruppe zwischen ihnen angeordnet ist. Durch diese Anordnung sind eine Verbesserung der gleichmäßigen Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe zuzuführenden Gases sowie das Verhindern einer Verringerung des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe zugeführten Gases möglich. Daher kann eine vorgegebene, stabile Ausgangsspannung erzielt werden. Ferner können in der Membranelektrodenbaugruppe auftretende Spannungen unterdrückt werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle führt.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit
einer aus mehreren Festelektrolytplatten gefertigten Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, die jeweils so auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, dass der Festelektrolyt am Rand übersteht, und
dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellengehäuse geschaffen,
wobei die Membranelektrodenbaugruppe auf dem Anordnungsabschnitt des Brennstoffzellengehäuses angeordnet ist, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden sind und der Deckelkörper in der Nähe der ersten Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass er die erste Ausnehmung bedeckt.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit
einer aus mehreren Festelektrolytplatten gefertigten Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, die jeweils so auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, dass der Festelektrolyt am Rand übersteht, und
dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellengehäuse geschaffen,
wobei die Membranelektrodenbaugruppe auf dem Anordnungsabschnitt des Brennstoffzellengehäuses angeordnet ist, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden sind und der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.
Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle durch Anordnen der Membranelektrodenbaugruppe auf dem Anordnungsabschnitt des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses konstruiert; worauf die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet werden, dass Fluid zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, worauf die erste und die zweite Elektrode jeweils mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden werden, worauf der Deckelkörper in der Nähe der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert wird, dass er die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung bedeckt. Durch diese Konstruktion ist es möglich, eine kompakte, robuste und hoch zuverlässige Brennstoffzelle zu schaffen, die durch Ausnutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses eine gleichmäßige Gaszufuhr, eine Vereinheitlichung der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses, hoch effiziente elektrische Anschlüsse und das Verhindern einer Vermischung der fluiden Stoffe ermöglicht.
Durch die Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung mit
der vorstehend beschriebenen, als Stromquelle dienenden Brennstoffzelle geschaffen,
wobei der Basiskörper aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und auf dem Basiskörper und/oder auf dem Deckelkörper ein externer Verbindungsanschluß ausgebildet ist.
Da erfindungsgemäß der aus mehrschichtiger Keramik gefertigte Basiskörper mit der auf seiner oberen Oberfläche ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme der Membranelektrodenbaugruppe mit der ersten und der zweiten Elektrode auf der einen und der anderen Hauptoberfläche sowie der Deckelkörper vorgesehen sind, der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers so um die Ausnehmung montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt und hermetisch abdichtet, wodurch der Austritt eines Fluids, wie Gas, verhindert wird, und nicht die Notwendigkeit besteht, außer diesem Gehäuse ein Gehäuse, wie ein Paket, vorzusehen, ist es möglich, eine elektronische Vorrichtung zu realisieren, die effizient und sicher betrieben und mit hoher Leistung und Stabilität verwendet werden kann und hinsichtlich der Miniaturisierung und flachen Gestaltung effektiv ist.
Da die Brennstoffzelle durch Anordnen mehrerer Membranelektrodenbaugruppen in einem Kasten hergestellt werden kann, der aus dem aus dem aus mehrschichtiger Keramik gefertigten Basiskörper mit der Ausnehmung auf der einen Oberfläche sowie dem Deckelkörper ausgebildet ist, der die Ausnehmung abdichtet, wird ferner vermieden, dass die Membranelektrodenbaugruppe außerhalb des Gehäuses freiliegt und beschädigt wird, wodurch die mechanische Zuverlässigkeit der gesamten Brennstoffzelle erhöht wird.
Da außer dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter, deren eines Ende jeweils innerhalb des aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuses angeordnet ist, kein Bauteil unnötiger Weise mit der Membranelektrodenbaugruppe selbst in elektrischem Kontakt steht, sind ferner die Realisierung einer hoch zuverlässigen und sicheren Brennstoffzelle und die Herstellung einer langfristig zuverlässigen und sicheren elektronischen Vorrichtung möglich.
Da die Brennstoffzelle am Basiskörper und/oder am Deckelkörper externe Verbindungsanschlüsse (einen positiven Anschluß und einen negativen Anschluß) aufweist, kann sie ferner leicht elektrisch an eine Leiterplatte einer elektronischen Vorrichtung angeschlossen und frei angebracht und abgenommen werden. Dadurch kann die Brennstoffzelle durch eine neue ersetzt werden, ohne eine mit besonderen Sicherheitsvorkehrungen ausgestattete Anlage oder dergleichen zu verwenden, und die elektronische Vorrichtung kann sehr zweckmäßig gehalten werden.
Überdies können aufgrund der Verwendung mehrschichtiger Keramik als Bestandteil eines Brennstoffzellengehäuses verschiedenste Arten von Gasen und Flüssigkeiten verwendet werden, ohne dass ihre korrodierenden Eigenschaften berücksichtigt werden müßten, und die Effizienz der Zufuhr elektrischen Stroms kann leicht gesteigert werden. Da es möglich ist, mittels eines allgemein bekannten Metallisierungsverfahrens auf den jeweiligen Schichten der die mehrschichtige Keramik bildenden Keramik frei Verdrahtungsleiter zu erzeugen und daher eine freie elektrische Verdrahtung der Brennstoffzelle erfolgen kann, ist es überdies leicht, mehrere Zellen in Reihe oder parallel zu schalten, und die Miniaturisierung, die flache Gestaltung und die Verringerung des Gewichts der elektronischen Vorrichtung können dramatisch vorangetrieben werden.
Da der Basiskörper erfindungsgemäß aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und daher durch ein Metallisierungsverfahren oder dergleichen eine Metallschicht mit verschiedenen Formen und elektrischen Eigenschaften auf der Oberfläche der innen angeordneten Keramikschicht aufgebracht werden kann, ist es ferner möglich, eine elektronische Schaltungsvorrichtung herzustellen, die als Widerstand, Kapazität, Induktivität oder dergleichen fungiert. Daher kann beispielsweise durch Parallelschalten der Brennstoffzelle mit einem Kondensator mit hoher Kapazität ein Mangel an elektrischem Strom kompensiert werden, wenn von der Brennstoffzelle zu wenig elektrischer Strom abgegeben wird, und die Zufuhr des einem Sollausgang an elektrischem Strom entsprechenden elektrischen Stroms kann sichergestellt werden. Da eine Ladeschaltung vorgesehen sein kann, ist darüber hinaus die Sicherstellung der für die elektrische Vorrichtung erforderlichen Spannung möglich.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine elektronische Vorrichtungen mit
der vorstehend beschriebenen, als Stromquelle fungierenden Brennstoffzelle geschaffen,
wobei der Basiskörper aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und im Basiskörper und/oder im Deckelkörper ein externer Verbindungsanschluß ausgebildet ist.
Da erfindungsgemäß der aus mehrschichtiger Keramik gefertigte Basiskörper mit der auf seiner oberen Oberfläche ausgebildeten ersten Ausnehmung bzw. Ausnehmung zur Aufnahme der Membranelektrodenbaugruppe mit der ersten und der zweiten Elektrode auf der einen und der anderen Hauptoberfläche sowie der Deckelkörper vorgesehen sind, der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers so um die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung montiert ist, dass er die die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung bedeckt und hermetisch abdichtet, ist das Brennstoffzellengehäuse hermetisch abgedichtet, wodurch der Austritt eines Fluids, wie Gas, verhindert wird, und nicht die Notwendigkeit besteht, außer diesem Gehäuse ein Gehäuse, wie ein Paket, vorzusehen, wodurch es möglich ist, eine elektronische Vorrichtung herzustellen, die effizient und sicher betrieben und mit hoher Leistung und Stabilität verwendet werden kann und hinsichtlich der Miniaturisierung und flachen Gestaltung effektiv ist.
Da die Brennstoffzelle durch Anordnen mehrerer Membranelektrodenbaugruppen in einem Kasten hergestellt werden kann, der aus dem aus dem aus mehrschichtiger Keramik gefertigten Basiskörper mit der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung auf der einen Oberfläche und dem Deckelkörper ausgebildet ist, der die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung abdichtet, wird ferner vermieden, dass die Membranelektrodenbaugruppe außerhalb des Gehäuses freiliegt und beschädigt wird, wodurch die mechanische Zuverlässigkeit der gesamten Brennstoffzelle erhöht wird. Daher ist kein Schutzelement für die Brennstoffzelle erforderlich, und es ist möglich, eine elektronische Vorrichtung herzustellen, die klein und flach ist.
Da außer dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter, deren eines Ende jeweils innerhalb des aus der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuses angeordnet ist, kein Bauteil unnötiger Weise mit der Membranelektrodenbaugruppe selbst in elektrischem Kontakt steht, sind ferner die Realisierung einer hoch zuverlässigen und sicheren Brennstoffzelle und die Herstellung einer langfristig zuverlässigen und sicheren elektronischen Vorrichtung möglich.
Da die Brennstoffzelle zumindest entweder am Basiskörper oder am Deckelkörper externe Verbindungsanschlüsse (einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss) aufweist, kann sie ferner leicht elektrisch an eine Leiterplatte einer elektronischen Vorrichtung angeschlossen und frei angebracht und abgenommen werden. Daher ist es möglich, die Brennstoffzelle durch eine neue zu ersetzen, ohne eine mit besonderen Sicherheitsvorkehrungen ausgestattete Vorrichtung oder dergleichen zu verwenden, und eine sehr zweckmäßige elektronische Vorrichtung herzustellen.
Überdies ist durch die Verwendung mehrschichtiger Keramik als Werkstoff zur Fertigung des Brennstoffzellengehäuses die Verwendung verschiedener Arten von Gasen und Flüssigkeiten ohne Berücksichtigung ihrer korrodierenden Eigenschaften möglich, und es ist leicht, die Effizienz der Zufuhr elektrischen Stroms zu steigern.
Da mittels eines allgemein bekannten Metallisierungsverfahrens eine freie Erzeugung von Verdrahtungsleitern auf der Keramik der jeweiligen Schichten möglich ist, die die mehrschichtige Keramik bilden, und daher die elektrische Verdrahtung der Brennstoffzelle frei erfolgen kann, ist es überdies leicht, mehrere Zellen in Reihe oder parallel zu schalten, und es ist möglich, die Miniaturisierung, die flache Gestaltung und die Verringerung des Gewichts der elektronischen Vorrichtung dramatisch voranzutreiben.
Da der Basiskörper erfindungsgemäß aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und daher durch ein Metallisierungsverfahren oder dergleichen eine Metallschicht mit verschiedenen Formen und elektrischen Eigenschaften auf die Oberfläche einer innen angeordneten Keramikschicht aufgebracht werden kann, ist es ferner möglich, eine elektronische Schaltungsvorrichtung herzustellen, die als Widerstand, Kapazität, Induktivität oder dergleichen fungiert. Daher kann beispielsweise durch Parallelschalten der Brennstoffzelle mit einem Kondensator mit hoher Kapazität ein Mangel an elektrischem Strom kompensiert werden, wenn von der Brennstoffzelle zu wenig elektrischer Strom abgegeben wird, und die Zufuhr des einem Sollausgang an elektrischem Strom entsprechenden elektrischen Stroms kann sichergestellt werden. Da eine Ladeschaltung vorgesehen werden kann, ist darüber hinaus die Sicherstellung der für die elektrische Vorrichtung erforderlichen Spannung möglich.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Vorrichtung ferner vorzugsweise
eine im Basiskörper ausgebildete interne Schaltung.
Da erfindungsgemäß eine interne Schaltung im Basiskörper ausgebildet ist, ist ferner die Montage eines elektrisch an die interne Schaltung angeschlossenen elektronischen Elements an der Oberfläche des Basiskörpers möglich. Daher ist eine Steigerung der Funktionalität der elektronischen Vorrichtung durch das auf der Oberfläche des Basiskörpers montierte elektronische Element möglich.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Vorrichtung ferner vorzugsweise ein so auf der Oberfläche des Basiskörpers ausgebildetes elektronisches Element, dass es elektrisch an die interne Schaltung angeschlossen ist.
Da erfindungsgemäß ein elektrisch an die interne Schaltung angeschlossenes elektronisches Element auf der Oberfläche des Basiskörpers angeordnet ist, werden durch die Erfassung der Dichte des Brennstoffs in den Brennstoffleitungen mittels eines Dichtesensors durch die Verwendung eines Sensors, einer Steuerungs-IC oder dergleichen als elektronisches Element ferner eine optimale Zirkulation und Brennstoffverdünnung und eine Unterdrückung der Abnahme der Effizienz der Brennstoffnutzung ermöglicht. Zudem kann unter Verwendung elektronischer Elemente eine Ladeschaltung erzeugt werden, und die Steuerung der von der elektronischen Vorrichtung benötigten Spannung wird möglich. Ferner ermöglicht die Verwendung eines Temperatursensors oder dergleichen die Verwaltung und Steuerung der Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Vorrichtung ferner vorzugsweise
eine ein Stück weit entweder in den ersten oder in den zweiten Fluidkanälen angeordnete piezoelektrische Pumpe.
Da erfindungsgemäß in den ersten Fluidkanälen und/oder in den zweiten Fluidkanälen piezoelektrische Pumpen angeordnet sind, können durch die kleinen, in den Fluidkanälen montierten, piezoelektrischen Pumpen ferner ein Rückfluß von Brennstoff und dementsprechend eine Verunreinigung unverbrauchten Brennstoffs durch Reaktionssubstanzen oder dergleichen sowie eine Beeinträchtigung des Betriebs der elektronischen Vorrichtung durch Restluft verhindert werden, da die Restluft abgegeben wird. Da der Brennstoff konstant zugeführt wird, wird daneben dementsprechend stabil elektrischer Strom erzeugt, und aufgrund der gleichmäßigen Zufuhr von Brennstoff kann die Aktivierungszeit verkürzt werden. Dementsprechend kann die elektrische Vorrichtung beispielsweise selbst nach dem Ersetzen einer Brennstoffzelle oder Brennstoffkartusche durch eine neue und selbst nach dem Nachfüllen von Brennstoff sofort benutzt werden, und es kann eine elektronische Vorrichtung hergestellt werden, die hinsichtlich der Zweckmäßigkeit bei einem Vergleich mit herkömmlichen elektronischen Vorrichtungen vorteilhaft abschneidet, für die eine chemische Batterie oder dergleichen verwendet wird.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle vorzugsweise der erste Verdrahtungsleiter so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung ausgebildete Öffnung des ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt. Diese Anordnung ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe und dem ersten Verdrahtungsleiter und der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Verdrahtungsleiter sowie die Herstellung einer direkten Verbindung zwischen ihnen. Dadurch können eine Steigerung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines nicht ordnungsgemäßen Kontakts effektiv verhindert werden, wodurch eine Brennstoffzelle realisiert wird, die erfolgreich eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität bietet.
Ferner ist das Heizelement zum Erwärmen der einen oder der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle vorzugsweise am Rand zumindest entweder der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals oder der auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals vorgesehen. Dadurch können die Temperaturen der Membranelektrodenbaugruppe und der Elektrode entsprechend der Konzentration und der Strömungsmenge des zuzuführenden Brennstoffs (des Wasserstoffs oder des Methanols) bzw. der Luft (des Sauerstoffs) und den Umgebungsbedingungen (Temperatur und Feuchtigkeit) geeignet gesteuert werden. Daher können die chemischen Reaktionen mit hoher Effizienz ablaufen. Da Wasser, das sich in der Elektrode ansammelt, entfernt und das Problem der CO-Vergiftung vermieden werden können, bietet die Brennstoffzelle überdies erfolgreich eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse ist die wärmeisolierende Schicht vorzugsweise aus poröser Keramik gefertigt. Durch die Verwendung poröser Keramik mit zahlreichen feinen Poren in ihrem Inneren hat die wärmeisolierende Schicht zufriedenstellend wärmehaltende Eigenschaften, wodurch verhindert werden kann, dass die äußere Oberfläche des Brennstoffzellengehäuses heiß wird. Daher wird selbst bei einer Erwärmung der Membranelektrodenbaugruppe auf eine hohe Temperatur verhindert, dass das Brennstoffzellengehäuse so heiß wird, dass es eine Verbrennung der Haut verursacht, wenn es beispielsweise unabsichtlich mit der Haut eines Benutzers in Berührung kommt, und das Auftreten unerwünschter Schwankungen der Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe kann effektiv verhindert werden. Überdies ist es möglich, die Schwankungen der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode in der Brennstoffzelle zu minimieren und dadurch das Auftreten von Schwankungen der Erzeugung von Elektrizität zwischen den Elektroden zu verhindern.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse ist die wärmeisolierende Schicht vorzugsweise aus hohlen Komponenten gefertigt. Durch die Verwendung hohler Komponenten, in denen sich ein Hohlraum befindet, hat die wärmeisolierende Schicht zufriedenstellend wärmehaltende Eigenschaften, wodurch verhindert werden kann, dass die äußere Oberfläche des Brennstoffzellengehäuses heiß wird. Daher wird selbst bei einer Erwärmung der Membranelektrodenbaugruppe auf eine hohe Temperatur verhindert, dass das Brennstoffzellengehäuse so heiß wird, dass es eine Verbrennung der Haut verursacht, wenn es beispielsweise unabsichtlich mit der Haut eines Benutzers in Berührung kommt, und das Auftreten unerwünschter Schwankungen der Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe kann effektiv verhindert werden. Überdies ist es möglich, die Schwankungen der Effizienz der Erzeugung von Elektrizität zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode in der Brennstoffzelle zu minimieren und dadurch das Auftreten von Schwankungen der Erzeugung von Elektrizität zwischen den Elektroden zu verhindern.
Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle vorzugsweise durch die Unterbringung der Membranelektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses konstruiert, worauf die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet werden, dass Fluid zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, worauf die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden werden, worauf der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert wird, dass er die Ausnehmung bedeckt. Durch diese Konstruktion wird es möglich, eine kompakte, robuste und hoch zuverlässige Brennstoffzelle zu realisieren, die aufgrund der Nutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses eine gleichmäßige Gaszufuhr, eine Vereinheitlichung der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und hoch effiziente elektrische Anschlüsse ermöglicht.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle vorzugsweise der erste Verdrahtungsleiter so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals ausgebildet, dass er die erste Elektrode berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter ist so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet, dass er die zweite Elektrode berührt, wobei seine Oberfläche mit Gold, Platin oder Palladium beschichtet ist. Dieser Aufbau ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe und dem ersten Verdrahtungsleiter und der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe und dem zweiten Verdrahtungsleiter sowie die Herstellung einer direkten Verbindung zwischen ihnen. Dadurch können eine Steigerung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines nicht ordnungsgemäßen Kontakts effektiv verhindert und der erste und der zweite Verdrahtungsleiter gegen Korrosion geschützt werden, wodurch eine Brennstoffzelle realisiert werden kann, die erfolgreich eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität bietet.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise mehrere erste Ausnehmungen im Basiskörper ausgebildet, und es sind dritte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eines Ende jeweils auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegt und deren anderes Ende jeweils auf der unteren Oberfläche einer weiteren der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegt.
Da bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung dritte Verdrahtungsleiter im Basiskörper vorgesehen sind, deren eines Ende jeweils auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegt und deren anderes Ende jeweils auf der unteren Oberfläche einer weiteren der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegt, können die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch verbunden und dadurch parallelgeschaltet werden. Dadurch können die ausgegebenen elektrischen Ströme der gesamten Brennstoffzelle geregelt und die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen entnommen werden.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise mehrere Ausnehmungen sowie vierte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden jeweils auf der unteren Oberfläche einer der Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden jeweils zu der einen Oberfläche des Basiskörpers führen, auf der der Deckelkörper montiert ist, und fünfte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden jeweils auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe einer anderen der Ausnehmungen gegenüberliegen und deren andere Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers führen, die auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der vierten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen.
Da bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vierte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche einer der Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers führen, auf der der Deckelkörper montiert ist, und fünfte Verdrahtungsleiter im Basiskörper ausgebildet sind, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe einer der Ausnehmungen gegenüberliegen und deren andere Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers führen, die auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der vierten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen, können ferner die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch verbunden und dadurch parallel geschaltet werden. Da durch eine Reihenschaltung die Gesamtspannung selbst dann geregelt werden kann, wenn bei der Erzeugung elektrischen Stroms die Spannung jeder Membranelektrodenbaugruppe winzig ist, kann dadurch die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen entnommen werden.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise eine Ausnehmung im Basiskörper ausgebildet, die mehrere Membranelektrodenbaugruppen enthält, und es sind sechste Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung der ersten Elektrode einer anderen der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen.
Da bei der bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung sechste Verdrahtungsleiter auf dem Basiskörper vorgesehen sind, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung der ersten Elektrode einer anderen der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen, können ferner die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch verbunden und damit parallel geschaltet werden. Dadurch ist es möglich, den elektrischen Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle zu regeln und die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen zu entnehmen.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise eine Ausnehmung im Basiskörper ausgebildet, die mehrere Membranelektrodenbaugruppen enthält, und es sind siebte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, auf der der Deckelkörper montiert ist, sowie achte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode einer anderen der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andre Enden so zu der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montierten einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, dass sie den anderen Enden der siebten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen.
Aufgrund der Verwendung einer Brennstoffzelle, in der auf dem Basiskörper ausgebildete siebte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, auf der der Deckelkörper montiert ist, sowie achte Verdrahtungsleiter vorgesehen sind, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode einer anderen der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andre Enden so zu der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montierten einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, dass sie den anderen Enden der siebten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen, ist es bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung ferner möglich, die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch zu verbinden und dadurch in Reihe zu schalten. Da durch eine Reihenschaltung die Gesamtspannung selbst dann geregelt werden kann, wenn bei der Erzeugung elektrischen Stroms die Spannung jeder Membranelektrodenbaugruppe winzig ist, kann dadurch die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen entnommen werden, und es kann eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden, in der die Spannung über einen langen Zeitraum stabil ist und deren Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise die ersten Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung ausgebildet, dass sie die erste Elektrode berühren und/oder der zweite Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der zweiten Fluidkanäle auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet, dass sie die zweite Elektrode ber0ühren.
Ferner wird erfindungsgemäß die Membranelektrodenbaugruppe auf dem Anordnungsabschnitt des Brennstoffzellengehäuses angeordnet, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe werden so angeordnet, dass die jeweiligen Fluids zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden können, die erste und die zweite Elektrode werden jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden, der erste bis dritte Verdrahtungsleiter, der erste, der zweite, der vierte und der fünfte Verdrahtungsleiter, der erste, der zweite und der sechste Verdrahtungsleiter oder der erste, der zweite, der siebte und der achte Verdrahtungsleiter werden jeweils elektrisch an die externen Verbindungsanschlüsse angeschlossen, und der Deckelkörper wird so um die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert, dass er die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung bedeckt, wodurch es möglich ist, eine hoch effiziente elektronische Hochleistungsvorrichtung zu realisieren, die flach gehalten werden kann und für die eine zuverlässige Brennstoffzelle verwendet wird, die aufgrund des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses die vorstehend beschriebenen Vorteile hat, klein und robust ist, Brennstoff gleichmäßig zuführen kann und hoch effiziente elektrische Anschlüsse bietet.
Daher ist es ferner möglich, den gesamten Bereich der Fläche der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe mit Ausnahme der Öffnungen der ersten Fluidkanäle oder der zweiten Fluidkanäle direkt mit den ersten Verdrahtungsleitern bzw. den zweiten Verdrahtungsleitern zu verbinden und einen elektrischen Anschluß herzustellen. Daher ist es möglich, eine große Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode und den ersten Verdrahtungsleitern und eine große Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode und den zweiten Verdrahtungsleitern der Membranelektrodenbaugruppe sicherzustellen und sie direkt anzuschließen sowie eine Zunahme des elektrischen Widerstands und ein Versagen der Kontakte effektiv zu verhindern, wodurch eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden kann, bei der die Effizienz der Erzeugung von elektrischem Strom hoch ist.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise mehrere erste Ausnehmungen im Basiskörper ausgebildet, und es sind dritte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche einer weiteren der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise mehrere erste Ausnehmungen im Basiskörper ausgebildet, und es sind vierte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, an der der Deckelkörper montiert ist, und fünfte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe einer anderen der ersten Ausnehmungen gegenüberliegen und deren anderen Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der vierten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise eine erste Ausnehmung im Basiskörper ausgebildet, die mehrere Membranelektrodenbaugruppen enthält, und es sind sechste Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der ersten Elektrode einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise eine erste Ausnehmung im Basiskörper ausgebildet, die mehrere Membranelektrodenbaugruppen enthält, und es sind siebte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, an der der Deckelkörper montiert ist, und achte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren anderen Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der siebten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise mehrere Ausnehmungen im Basiskörper ausgebildet, und es sind dritte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche einer weiteren der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise mehrere Ausnehmungen im Basiskörper ausgebildet, und es sind vierte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, an der der Deckelkörper montiert ist, und fünfte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe einer anderen der Ausnehmungen gegenüberliegen und deren anderen Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der vierten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise eine Ausnehmung im Basiskörper ausgebildet, die mehrere Membranelektrodenbaugruppen enthält, und es sind sechste Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der ersten Elektrode einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise eine Ausnehmung im Basiskörper ausgebildet, die mehrere Membranelektrodenbaugruppen enthält, und es sind siebte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, an der der Deckelkörper montiert ist, und achte Verdrahtungsleiter vorgesehen, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren anderen Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, der auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der siebten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise die ersten Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung ausgebildet, dass sie die erste Elektrode berühren und/oder die zweiten Verdrahtungsleiter sind so um die Öffnungen der zweiten Fluidkanäle auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet, dass sie die zweite Elektrode berühren.
Ferner sind bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung vorzugsweise die ersten Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung ausgebildet, dass sie die erste Elektrode berühren und/oder die zweiten Verbindungsleiter sind so um die Öffnungen der zweiten Fluidkanäle auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet, dass sie die zweite Elektrode berühren.
Da erfindungsgemäß die dritten Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche einer weiteren der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen, können die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch verbunden und dadurch parallelgeschaltet werden. Dadurch können der elektrische Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle geregelt, die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen entnommen und eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt werden, in der der elektrische Strom über einen langen Zeitraum stabil bleibt und die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist.
Da erfindungsgemäß ferner vierte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche einer der ersten Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, an der der Deckelkörper montiert ist, und fünfte Verdrahtungsleiter im Basiskörper vorgesehen sind, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe einer der ersten Ausnehmungen gegenüberliegen und deren anderen Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, die auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der vierten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen, können die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch verbunden und dadurch in Reihe geschaltet werden. Da durch eine Reihenschaltung die Gesamtspannung selbst dann geregelt werden kann, wenn bei der Erzeugung von elektrischem Strom die Spannung jeder Membranelektrodenbaugruppe winzig ist, können dadurch die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen entnommen und eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden, in der der die Spannung über einen langen Zeitraum stabil bleibt und die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist.
Da erfindungsgemäß ferner sechste Verdrahtungsleiter im Basiskörper vorgesehen sind, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung der Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung der ersten Elektrode einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen, ist es möglich, die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch zu verbinden und sie dadurch parallel zu schalten. Dadurch können der elektrische Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle geregelt, die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen entnommen und eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden, in der der die Spannung über einen langen Zeitraum stabil bleibt und die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist.
Ferner ist es erfindungsgemäß aufgrund der Verwendung einer Brennstoffzelle, in deren Basiskörper siebte Verdrahtungsleiter, deren eine Enden auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren andere Enden zu der einen Oberfläche des Basiskörpers hinaus führen, an der der Deckelkörper montiert ist, und achte Verdrahtungsleiter vorgesehen sind, deren eine Enden auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen gegenüberliegen und deren anderen Enden so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers hinaus führen, die auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass sie den anderen Enden der siebten Verdrahtungsleiter gegenüberliegen, bei dieser Brennstoffzelle möglich, die mehreren Membranelektrodenbaugruppen elektrisch zu verbinden und sie dadurch in Reihe zu schalten. Da durch eine Reihenschaltung die Gesamtspannung selbst dann geregelt werden kann, wenn bei der Erzeugung von elektrischem Strom die Spannung jeder Membranelektrodenbaugruppe winzig ist, können dadurch die in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität unter guten Bedingungen nach außen entnommen und eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden, in der der die Spannung über einen langen Zeitraum stabil bleibt und die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist.
Da die Brennstoffzelle erste Fluidkanäle, die sich von der der einen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüber liegenden unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstrecken, und zweite Fluidkanäle aufweist, die sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüber liegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstrecken, und die jeweiligen Fluidkanäle jeweils auf den einander auf den beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden inneren Wandflächen angeordnet sind, kann ferner die Gleichmäßigkeit der Zufuhr des der Membranelektrodenbaugruppe zugeführten Fluids gesteigert werden. Durch derartige Fluidkanäle strömt das Fluid vertikal zur Membranelektrodenbaugruppe, so daß die Partialdrücke der jeweiligen, der ersten und der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe, die auf ihrer ersten und ihrer zweiten Hauptoberfläche ausgebildet sind, zugeführten Gase nicht abnehmen, wenn das Fluid beispielsweise Wasserstoffgas oder eine wässrige Methanollösung oder dergleichen und Luft (Sauerstoffgas) ist, und die Wirkung eintritt, dass eine spezifizierte, stabile Ausgangsspannung erhalten werden kann.
Da der Druck eines zugeführten Fluids, beispielsweise der Partialdruck des Gases, stabilisiert wird, wird überdies die Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellengehäuses vereinheitlicht, wodurch in der Membranelektrodenbaugruppe verursachte thermische Spannungen gesteuert werden können, die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle gesteigert werden kann und es daher möglich ist, eine elektronische Vorrichtung zu schaffen, deren Zuverlässigkeit noch besser ist.
Da die jeweiligen Fluidkanäle auf dem Basiskörper und dem Deckelkörper ausgebildet sind, sind die jeweiligen Kanäle weiterhin ausgezeichnet hermetisch abgedichtet, und da der überstehende Bereich des Festelektrolyts auf dem Anordnungsabschnitt angeordnet wird, der auf dem äußeren Randabschnitt der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung auf der einen Oberfläche des Basiskörpers angeordnet ist, werden der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal durch die Membranelektrodenbaugruppe isoliert, wodurch verhindert wird, dass sich zwei Arten fluider Stoffe (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas, eine wässrige Methanollösung oder dergleichen) mischen und dadurch die Funktion der Brennstoffzelle nicht erfüllt wird, nicht die Gefahr besteht, dass sich brennbare Fluids bei hohen Temperaturen mischen und daraufhin entzünden oder explodieren, und es daher möglich ist, eine sichere elektronische Vorrichtung zu schaffen.
Ferner wird erfindungsgemäß die Membranelektrodenbaugruppe auf dem Anordnungsabschnitt des Brennstoffzellengehäuses angeordnet, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe werden so plaziert, dass die jeweiligen Fluide zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden können, die erste und die zweite Elektrode werden jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter, dem ersten bis dritten Verdrahtungsleiter, dem ersten, dem zweiten, dem vierten und dem fünften Verdrahtungsleiter, dem ersten, dem zweiten und dem sechsten Verdrahtungsleiter oder dem ersten, dem zweiten, dem siebten und dem achten Verdrahtungsleiter und den externen Verbindungsanschlüssen verbunden, und der Deckelkörper wird so um die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung auf der einen Oberfläche des Basiskörpers angeordnet, dass er die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung bedeckt, wodurch es möglich ist, eine elektronische Vorrichtung zu schaffen, die flach gehalten werden kann, eine hohe Leistung und Effizienz aufweist und für die eine zuverlässige Brennstoffzelle verwendet wird, die durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse die vorstehend beschriebenen Vorteile hat, klein und robust ist und durch die eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr und hoch effiziente elektrische Anschlüsse realisiert werden können.
Da erfindungsgemäß die ersten Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung ausgebildet sind, dass sie die erste Elektrode der Membranbaugruppe berühren und/oder die zweiten Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der zweiten Fluidkanäle auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet sind, dass sie die zweite Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe berühren, kann ferner der gesamte Bereich einer Region mit Ausnahme der Öffnungen der ersten Fluidkanäle oder der zweiten Fluidkanäle der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe direkt mit den ersten Verdrahtungsleitern oder den zweiten Verdrahtungsleitern in Kontakt gebracht und elektrisch an sie angeschlossen werden. Dadurch können ein großer Kontaktbereich zwischen der ersten Elektrode und den ersten Verdrahtungsleitern und ein großer Kontaktbereich zwischen der zweiten Elektrode und den zweiten Verdrahtungsleitern der Membranelektrodenbaugruppe sichergestellt und ein direkter Kontakt hergestellt werden, und es ist möglich, eine Steigerung des elektrischen Widerstands und eine Fehlfunktion der Kontakte effektiv zu verhindern, so daß eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden kann, bei der die Effizienz der Erzeugung von elektrischem Strom hoch ist.
Bei dem ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse enthält der erste und/oder der zweite Fluidkanal vorzugsweise
einen aus mehreren in gleichmäßigen Abständen angeordneten, rillenförmigen Öffnungen von identischer Länge und Breite aufgebauten Öffnungsteil, der gegenüber der einen oder der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung bzw. der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist;
einen Kopplungsabschnitt zum Koppeln der einen Enden sowie der anderen Enden mehrerer im Basiskörper oder im Deckelkörper ausgebildeter Öffnungen;
einen Fluideinlaßabschnitt, der sich von einer Seite des Kopplungsabschnitts zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers erstreckt; und
einen Fluidabgabeabschnitt, der sich von der anderen Seite des Kopplungsabschnitts zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers erstreckt.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse sind die Abmessungen des Querschnitts des Fluidkanals des Kopplungsabschnitts vorzugsweise größer als die der Öffnung.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse sind vorzugsweise sowohl der Einlaßabschnitt als auch der Auslaßabschnitt an einem Ende der Anordnung mehrerer Öffnungen angeordnet, und die Öffnungen sind in der Reihenfolge von einem Ende der Anordnung zum anderen zunehmender Fluidkanalquerschnittsbereiche angeordnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse ist der Einlaßabschnitt vorzugsweise an einem Ende der Anordnung mehrerer Öffnungen angeordnet, wogegen der Auslaßabschnitt am anderen Ende der Anordnung angeordnet ist und die Öffnungen in der Reihenfolge von jedem Ende der Anordnung deren Mitte zunehmender Fluidkanalquerschnittsbereiche angeordnet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse sind vorzugsweise sowohl der Ein1aßabschnitt als auch der Auslaßabschnitt in der Mitte der Anordnung mehrerer Öffnungen angeordnet, und die Öffnungen sind in der Reihenfolge von der Mitte der Anordnung zu deren beiden Enden zunehmender Fluidkanalquerschnittsbereiche angeordnet.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit
dem vorstehend beschriebenen Elektrolyt und
dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellengehäuse geschaffen,
wobei die Membranelektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses untergebracht ist, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und den entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanälen ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden sind und der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.
Erfindungsgemäß umfasst das erste Brennstoffzellengehäuse den ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt, und den zweiten Fluidkanal, der sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers zur ersten Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt. Bei diesem Aufbau ist der erste und/oder der zweite Fluidkanal aus dem Öffnungsabschnitt, dem Kopplungsabschnitt, dem Fluideinlaßabschnitt und dem Fluidauslaßabschnitt aufgebaut. Der Öffnungsabschnitt umfasst mehrere, in gleichmäßigen Abständen angeordnete, rillenartige Öffnungen mit identischer Länge und Breite und ist gegenüber der einen bzw. der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung oder der einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet. Der Kopplungsabschnitt dient dem Koppeln der einen Enden sowie der anderen Enden mehrerer im Basiskörper oder im Deckelkörper ausgebildeter Öffnungen. Der Fluideinlaßabschnitt erstreckt sich von einer Seite des Kopplungsabschnitts zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers bzw. des Deckelkörpers. Der Fluidauslaßabschnitt erstreckt sich von der anderen Seite des Kopplungsabschnitts zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers bzw. des Deckelkörpers. Hierbei kann Fluid leicht über den Fluideinlaßabschnitt und den Kopplungsabschnitt zum Öffnungsabschnitt zugeführt werden, der die Form mehrerer Rillen aufweist. Überdies weisen die mehreren, rillenartigen Öffnungen, die den Öffnungsabschnitt bilden, eine identische Länge und Breite auf und sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Dadurch wird der im Fluidkanal festgestellte Widerstand selbst dann verringert, wenn ein Fluid mit einer hohen Geschwindigkeit strömt, da der Abstand zwischen dem Einlaßabschnitt und dem Auslaßabschnitt gering ist. Dadurch kann die gleichmäßige Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe zuzuführenden Fluide verbessert werden. Ferner tritt bei dieser Konstruktion im Gegensatz zu dem Fall, in dem sich der Fluidkanal über eine größere Strecke kompliziert schlängelt, ohne sich zu verzweigten, nie der Fall ein, dass Brennstoffgas oder Luft auf dem Weg durch den Fluidkanal allmählich verbraucht wird. Daher kann eine Verringerung der Ausgangsspannung verhindert werden.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse bieten die folgenden Vorteile. Da im allgemeinen insbesondere dann eine größere Menge an Fluid in die in der Nähe des Einlaßabschnitts und des Auslaßabschnitts angeordneten Öffnungen zu strömen tendiert, wenn die Öffnungen die gleichen Abmessungen aufweisen, kann die Fluidzufuhr aus einem Öffnungsabschnitt mit derartigen Öffnungen ungleichmäßig werden. Im Hinblick darauf werden die Fluidkanalquerschnittsbereiche des Kopplungsabschnitts und der Öffnung bei den erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäusen aufgrund der Veränderung der Anordnung des Einlaßabschnitts und des Auslaßabschnitts relativ zur Anordnung des Einlaßabschnitts und des Auslaßabschnitts verändert, oder der Fluidwiderstand im Kopplungsabschnitt und an der Öffnung wird geeignet gesteuert. Dies ermöglicht das Erzielen einer gleichmäßigen Zuführbarkeit des Fluids zu den einzelnen rillenartigen Öffnungen, die den Öffnungsabschnitt bilden. Daher können die chemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe stabilisiert werden, ohne ungleichmäßig von den Positionen abzuhängen, und die Temperaturverteilung im Brennstoffzellengehäuse kann dementsprechend gleichmäßig gehalten werden. Dadurch können in der Membranelektrodenbaugruppe auftretende thermische Spannungen unterdrückt werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle führt.
Da die jeweiligen Fluidkanäle erfindungsgemäß im Basiskörper und im Deckelkörper ausgebildet sind, sind die jeweiligen Fluidkanäle ferner ausgezeichnet hermetisch abgedichtet und es besteht nicht die Möglichkeit, dass die Funktionen der Brennstoffzelle nicht erfüllt werden, weil sich zwei Arten fluider Substanzen (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas, Methanol oder dergleichen) mischen, deren Kanäle ursprünglich isoliert sein sollten, und es besteht nicht die Gefahr, dass sich brennbare Fluide bei hohen Temperaturen entzünden und explodieren, nachdem sie vermischt wurden, wodurch die Schaffung einer sicheren Brennstoffzelle möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle durch Unterbringen der Membranelektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses konstruiert, worauf die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet werden, dass Fluid zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, worauf die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden werden, worauf der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert wird, dass er die Ausnehmung bedeckt. Durch diese Konstruktion ist es möglich, eine kompakte, robuste und hoch zuverlässige Brennstoffzelle herzustellen, die durch die Nutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses eine gleichmäßige Gaszufuhr, eine Vereinheitlichung der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und hoch effiziente elektrische Anschlüsse ermöglicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse ist vorzugsweise der erste und/oder der zweite Fluidkanal so aufgebaut, dass eine Öffnung an seinem membranelektrodenbaugruppenseitigen Ende eine geringere Breite als eine Öffnung an seinem gegenüberliegenden anderen Ende aufweist.
Erfindungsgemäß ist der erste und/oder der zweite Fluidkanal so geformt, dass sein Querschnittsbereich zur Membranelektrodenbaugruppe allmählich kleiner wird.
Erfindungsgemäß ist die Innenwand des ersten und/oder des zweiten Fluidkanals, der so aufgebaut ist, dass die Öffnung an seinem membranelektrodenbaugruppenseitigen Ende eine geringere Breite als die Öffnung an seinem gegenüberliegenden anderen Ende aufweist, mit einem hygroskopischen Element beschichtet.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit
dem vorstehend erwähnten Elektrolyt und
dem vorstehend erwähnten Brennstoffzellengehäuse geschaffen,
wobei die Membranelektrodenbaugruppe in der Ausnehmung eines beliebigen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse untergebracht wird, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet werden, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch an den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter angeschlossen werden und der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert wird, dass er die Ausnehmung bedeckt.
Erfindungsgemäß ist zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal so aufgebaut, dass die Öffnung auf seinem membranelektrodenbaugruppenseitigen Ende eine geringere Breite als die Öffnung auf seinem gegenüberliegenden anderen Ende aufweist. Dies erleichtert die Verdampfung von Wasserdampf oder Wasser, die durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugt wurden, was den Vorteil mit sich bringt, dass eine Blockade des Luftkanals verhindert wird. Daher ist es möglich, eine effiziente Zufuhr von als Oxidationsgas wirkender, der Atmosphäre entnommener Luft zu erzielen, wodurch die chemischen Reaktionen erleichtert werden können, was eine hocheffiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse ist vorzugsweise der erste und/oder der zweite Fluidkanal so geformt, dass sein Querschnittsbereich zur Membranelektrodenbaugruppe allmählich kleiner wird. Dadurch wird die Verdampfung von durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugtem Wasserdampf oder Wasser erleichtert, was den Vorteil mit sich bringt, dass eine Blockade des Luftkanals verhindert wird. Daher ist es möglich, eine effiziente Zufuhr von als Oxidationsgas wirkender, aus der Atmosphäre entnommener Luft zu realisieren, wodurch die chemischen Reaktionen erleichtert werden können, was eine hocheffiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse ist die Innenwand des ersten und/oder des zweiten Fluidkanals, der so beschaffen ist, dass die Öffnung an seinem membranelektrodenbaugruppenseitigen Ende eine geringere Breite als die Öffnung an seinem gegenüberliegenden anderen Ende aufweist, mit einem hygroskopischen Element beschichtet. Da bei einer elektrochemischen Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugter Wasserdampf oder Wasser von dem hygroskopischem Element absorbiert wird, kann eine Blockade des Luftkanals verhindert werden. Dadurch kann eine effiziente Zufuhr von als Oxidationsgas wirkender, aus der Atmosphäre entnommener Luft erzielt werden, wodurch die chemischen Reaktionen erleichtert werden können, was eine hocheffiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle durch Unterbringen der Membranelektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses konstruiert, worauf die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet werden, dass Fluid zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, worauf die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden werden, worauf der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert wird, dass die Ausnehmung abgedeckt wird. Durch diese Konstruktion kann eine kompakte, robuste und hoch zuverlässige Brennstoffzelle hergestellt werden, die durch die Nutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses eine gleichmäßige Gaszufuhr, eine Vereinheitlichung der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und hoch effiziente Anschlüsse ermöglicht.
Vorzugsweise ist zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse so konstruiert, dass die Öffnung an seinem membranelektrodenbaugruppenseitigen Ende eine größere Breite als die Öffnung an seinem gegenüberliegenden anderen Ende aufweist.
Erfindungsgemäß ist entweder der erste oder der zweite Fluidkanal so geformt, dass sein Querschnittsbereich zur Membranelektrodenbaugruppe allmählich größer wird.
Erfindungsgemäß ist die Innenwand zumindest des ersten oder des zweiten Fluidkanals, der so aufgebaut ist, dass die Öffnung an seinem membranelektrodenbaugruppenseitigen Ende eine größere Breite als die Öffnung an seinem gegenüberliegenden anderen Ende aufweist, mit einem hygroskopischen Element beschichtet.
Da erfindungsgemäß die Abmessungen des Kontaktabschnitts zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter und der ersten Elektrode und des Kontaktabschnitts zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter und der zweiten Elektrode klein werden, wenn der Basiskörper und der Deckelkörper in Druckkontakt mit der Membranelektrodenbaugruppe gebracht werden, ist eine Vergrößerung der auf den Kontaktabschnitt zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter und die erste Elektrode und den Kontaktabschnitt zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter und der zweiten Elektrode aufgebrachten Last pro Einheitsbereich möglich, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Anschlusses führt. Dadurch ist ein effizientes Verhindern des Auftretens von Rissen oder Brüchen im Basiskörper und im Deckelkörper selbst dann möglich, wenn die auf den Basiskörper und auf den Deckelkörper aufgebrachte Last klein gehalten wird.
Da der Bereich, in dem die Luft und das Brennstoffgas mit der ersten und der zweiten Elektrode in Kontakt gelangen, größer eingestellt werden kann, können zudem die elektrochemischen Reaktionen erleichtert werden, was eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht.
Daher wird durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle von ausgezeichneter Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit geschaffen, die eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr und hoch effiziente elektrische Anschlüsse ermöglicht und über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Auf der Grundalge des Vorstehenden kann durch die erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung aufgrund der Verwendung einer Brennstoffzelle mit ausgezeichneter Kompaktheit, Einfachheit und Sicherheit, die zur gleichmäßigen Zufuhr eines Fluids und zur Bereitstellung hoch effizienter elektrischer Anschlüsse geeignet ist, eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden, die klein und flach ist, über längere Zeiträume stabil betrieben werden kann und hinsichtlich der Sicherheit und Zweckmäßigkeit ausgezeichnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
7 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
8 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
10 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
11 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
13 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
14 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
15 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
16 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
17 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
18 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
19 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
20 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
21 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
22 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
23 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
24 ein Blockdiagramm, das eine elektronische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
25 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
26 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
27 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
28 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
29 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
30 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
31 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
32 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
33 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
34 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
35 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
36 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
37 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
38 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
39 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
40 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
41 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
42 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
43 eine Schnittansicht, die eine in der elektronischen Vorrichtung installierte Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
44 ein Blockdiagramm, das eine elektronische Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
45 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
46 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
47 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
48 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
49 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
50 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
51 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
52 eine Schnittansicht, die eine Brennstoffzelle zeigt, für die ein Brennstoffzellengehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
53 eine Schnittansicht, die eine Brennstoffzelle zeigt, für die ein Brennstoffzellengehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
54 eine Schnittansicht, die eine Brennstoffzelle zeigt, für die ein Brennstoffzellengehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
55 eine Schnittansicht, die eine Brennstoffzelle zeigt, für die ein Brennstoffzellengehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
56 eine Schnittansicht, die eine Brennstoffzelle zeigt, für die ein Brennstoffzellengehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
57 eine Schnittansicht, die eine Brennstoffzelle zeigt, für die ein Brennstoffzellengehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird; und
58 eine Schnittansicht, die ein Beispiel einer herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
1 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. In 1 bezeichnen das Bezugszeichen 11 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 12 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter.
Auf der Membranelektrodenbaugruppe 13 sind beispielsweise auf den beiden Hauptoberflächen einer aus einem plattenförmigen Festelektrolyt gefertigten Ionenleitermembran (Austauschmembran) eine (in der Zeichnung nicht dargestellte) Brennstoffelektrode, die zur Anode wird, und eine (in der Zeichnung nicht dargestellte) Luftelektrode, die zur Kathode wird, so als ein Körper ausgebildet, dass sie jeweils der auf der unteren Hauptoberfläche als der einen Hauptoberfläche ausgebildeten ersten Elektrode 14 und der auf der oberen Hauptoberfläche als der anderen Hauptoberfläche ausgebildeten zweiten Elektrode 15 gegenüberliegen. Dann sind das Fließen von in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugtem elektrischem Strom zur ersten Elektrode 14 und zur zweiten Elektrode 15 und seine Entnahme nach Außen möglich.
Eine derartige Ionenleitermembran (Austauschmembran) der Membranelektrodenbaugruppe 13 ist aus einer protonenleitenden Ionenaustauschmembran, wie einem Perfluorkohlenstoff-Sulfosäureharz, beispielsweise Nafion (ein Produktname, hergestellt von DuPont), aufgebaut. Überdies sind die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode poröse Gasdiffusionselektroden, die sowohl die Funktion einer porösen Katalysatorschicht als auch die Funktion einer Gasdiffusionsschicht erfüllen. Die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode sind aus einem porösen Werkstoff ausgebildet, der feine leitfähige Partikel, die einen Katalysator, wie Platin, Palladium oder eine Legierung dieser tragen, beispielsweise feine Kohlenstoffpartikel in einem hydrophoben Harzbindemittel, wie Polytetrafluorethylen, hält.
Die erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 15 auf der unteren Hauptoberfläche und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 werden durch ein Verfahren zum Warmpressen einer Kohlenstoffelektrode, auf der feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium, angeordnet sind, auf die Membranelektrodenbaugruppe 13, ein Verfahren zum Aufbringen oder zum Übertragen eines Gemischs aus einem Kohlenstoffelektrodenwerkstoff, auf dem feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium, angeordnet sind, und einer Lösung, in der ein Elektrolytwerkstoff gelöst ist, auf einem bzw. einen Elektrolyt oder dergleichen erzeugt.
Das Brennstoffzellengehäuse 12 umfasst den Basiskörper 16 mit der Ausnehmung und den Deckelkörper 17, hat die Funktionen der Aufnahme der Membranelektrodenbaugruppe 13 in der Ausnehmung und der hermetischen Abdichtung und ist aus einem Keramikwerkstoff, wie gesintertem Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertem Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertem Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Aluminiumnitrid (AlN), gesintertem Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik, gefertigt.
Gesinterte Glaskeramik besteht beispielsweise aus einer Glaskomponente und einem Füllstoff, wobei die Glaskomponente beispielsweise SiO₂-B₂O₃, SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃, SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-Mo (M bezeichnet Ca, Sr, Mg, Ba oder Zn), SiO₂-Al₂O₃-M¹O-M²O (M¹ und M² repräsentieren das gleiche oder unterschiedliche Elemente und bezeichnen Ca, Sr, Mg, Ba oder Zn) SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-M¹O-M²O (M¹ und M² repräsentieren das Gleiche, wie oben beschrieben) SiO₂-B₂O₃-M³ ₂O (M³ bezeichnet Li, Na oder K), SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-M³ ₂O (M³ bezeichnet das Gleiche, wie oben beschrieben), Pb-Glas oder Bi-Glas ist.
Ferner ist der Füllstoff beispielsweise ein Verbundoxid aus Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂ und einem Erdalkalimetalloxid, ein Verbundoxid aus TiO₂ und einem Erdalkalimetalloxid oder ein Verbundoxid, das zumindest entweder Al₂O₃ oder SiO₂ enthält (beispielsweise Spinell, Mullit, Cordierit).
Da das Brennstoffzellengehäuse 12 den Basiskörper 16 mit der Ausnehmung und den Deckelkörper 17 umfasst und die Ausnehmung durch die derartige Montage des Deckelkörpers 17 um die Ausnehmung des Basiskörpers 16, dass dieser die Ausnehmung abdichtet, hermetisch abgedichtet wird, wird der Deckelkörper 17 durch Verbinden mit einem Metallverbindungsmaterial wie Lötmittel oder Silberhartlotfüllmittel, durch Verbinden mit einem Harzmaterial, wie Epoxid, oder durch ein Verfahren zum Verbinden eines Dichtungsmittels oder dergleichen aus einer Ferrolegierung oder dergleichen mit der oberen Oberfläche als Oberfläche um die Ausnehmung und Verschweißen durch Nahtschweißen, einen Elektronenstrahl, einen Laser oder dergleichen auf dem Basiskörper 16 montiert. Hierbei kann der Deckelkörper 17, wie der Basiskörper 16, eine Ausnehmung aufweisen. Zudem können die Randabschnitte des Basiskörpers und des Deckelkörpers Durchgangsbohrungen aufweisen, und der Basiskörper und der Deckelkörper können durch Verschrauben über die Durchgangsbohrungen mechanisch gesichert werden.
Der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 können jeweils dünn sein, und zum Ermöglichen einer flachen Gestaltung der Brennstoffzelle 11 beträgt die Biegefestigkeit als mechanische Festigkeit vorzugsweise 200 MPa oder mehr.
Der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 sind vorzugsweise aus gesintertem Aluminiumoxid mit einem dicht gepackten Gefüge gefertigt, dessen relative Dichte beispielsweise 95% oder mehr beträgt. Dem gesintertem Aluminiumoxid werden in diesem Fall beispielsweise zunächst Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel beigefügt und mit dem Aluminiumoxidpulver gemischt, und Pulverwerkstoffe aus gesintertem Aluminiumoxid werden hergestellt. Als Zweites werden ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmedium hinzugefügt und mit den Pulverwerkstoffen aus Aluminiumoxidsinter gemischt, um eine Paste zu erzeugen, und mittels eines Streichmesserverfahrens oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels zu den Pulvermaterialien und Ausführen eines Pressformens, Walzformens oder dergleichen wird aus der Paste eine Rohplatte mit einer spezifizierten Dicke hergestellt. Dann werden durch Stanzen mit einem Stempel, einen Mikrobohrer, einen Laser, Pressformen oder dergleichen als erste Fluidkanäle 18 und zweite Fluidkanäle 19 dienende Durchgangsbohrungen, als Fluidkanäle dienende Öffnungen und Durchgangsbohrungen zum Anordnen der ersten Verbindungsleiter 20 und der zweiten Verbindungsleiter 21 in der Rohplatte erzeugt.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20 und 21 sollten vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän bestehen, um eine Oxidation zu verhindern. In diesem Fall wird als anorganische Substanz beispielsweise Al₂O₂ in einer Menge von 3 bis 20 Gew.-% und Nb₂O₅ in einer Menge von 0,5 bis 5 Gew.-% zu 100 Gew.-% Wolfram- und oder Molybdänpulver hinzugegeben, um eine Leiterpaste zu erzeugen. Die Leiterpaste wird in die durch die Rohplatte gebohrte Durchgangsbohrung gefüllt, um eine als Durchgangsleiter fungierende Durchgangsbohrung zu erzeugen.
Der Leiterpaste kann zum Zwecke der Steigerung einer nahen Haftung des Basiskörpers 16 und des Deckelkörpers 17 an der Keramik im Verhältnis von 0,05–2 Volumen-% Aluminiumoxidpulver oder Pulver aus diesem Verbundstoff mit der Keramikkomponente, aus der der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 ausgebildet sind, beigefügt werden.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20 und 21 werden vor, nach oder gleichzeitig mit der Erzeugung des Durchgangsleiters, die durch Einfüllen der Leiterpaste in die Durchgangsbohrung erfolgt, auf den äußeren und den inneren Schichten des Basiskörpers 16 und des Deckelkörpers 17 erzeugt. Die Erzeugung der Verdrahtungsleiter erfolgt mittels ein Siebdruckverfahrens, eines Gravurdruckverfahrens oder eines ähnlichen Verfahrens durch Druckbeschichtung der Rohplatte mit einer ähnlichen Leiterpaste in einem vorgegebenen Muster.
Anschließend wird eine vorgegebene Anzahl plattenartiger Formkörper, die die aufgedruckte und eingefüllte Leiterpaste tragen, einer Positionsausrichtung unterzogen und anschließend unter Druck aufeinander gestapelt. Der Schichtkörper wird dann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre mit einer hohen Temperatur Von ca. 1200 bis 1500°C gebrannt. Dadurch werden der gewünschte Keramikbasiskörper 16, der Deckelkörper 17 und der erste und der zweite Verdrahtungsleiter erzeugt.
Ferner haben der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17, die aus Keramik gefertigt sind, vorzugsweise eine Dicke von 0,2 mm oder mehr. Wenn die Dicke weniger als 0,2 mm beträgt, tendieren der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 dazu, durch die bei der Montage des Basiskörpers 16 und des Deckelkörpers verursachten Spannungen leicht zu springen, da ihre Festigkeit zur Abdeckung geeignet ist. Beträgt die Dicke andererseits mehr als 5 mm, ist die Verwendung als in einem kleinen, mobilen Gerät installierte Brennstoffzelle schwierig, da eine schmale und flache Gestaltung schwierig ist, und da die Wärmekapazität groß ist, wird es mit großer Wahrscheinlichkeit schwer, unverzüglich eine geeignete, den Bedingungen für eine elektrochemische Reaktion entsprechende Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe 13 einzustellen.
Die ersten Verdrahtungsleiter 20 und die zweiten Verdrahtungsleiter 21 sind jeweils elektrisch an die erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 angeschlossen und fungieren daher als Leiterpfade zur Entnahme von in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugtem elektrischem Strom aus dem Brennstoffzellengehäuse 12.
Das eine Ende des ersten Verdrahtungsleiters 20 ist in dem Teil der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 angeordnet, der der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegt, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 16 hinaus. Wie vorstehend beschrieben, ist der erste Verdrahtungsleiter 20 vorzugsweise einstückig mit dem Basiskörper 16 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16. Dies ermöglicht die leichte Herstellung eines Kontakts zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 20 und der ersten Elektrode 14. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 20 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste beim vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß in einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere erste Verdrahtungsleiter 20 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im ersten Verdrahtungsleiter 20 zu vermindern. Der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 20, der den Basiskörper 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Das eine Ende des zweiten Verdrahtungsleiters 21 ist in einem Teil der unteren Oberfläche, d. h. der einen Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordnet, die der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegt, und sein anderes Ende führt hinaus zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 17. Vorzugsweise ist der zweite Verdrahtungsleiter 21, wie der erste Verdrahtungsleiter 20, einstückig mit dem Deckelkörper 17 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 17. Dies ermöglicht eine leichte Herstellung eines Kontakts zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 21 und der zweiten Elektrode 15. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 21 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß in einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere zweite Verdrahtungsleiter 21 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet werden. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im zweiten Verdrahtungsleiter 21 zu verringern. Der Teil des zweiten Verdrahtungsleiters 21, der den Deckelkörper 17 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise ist die freiliegende Oberfläche des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters 20 und 21 mit einem hoch leitfähigen Metallwerkstoff, wie Nickel oder Gold, beschichtet, der hoch korrosionsbeständig ist und bei der Verwendung eines Galvanisierungsverfahrens in Bezug auf ein Hartlotfüllmaterial eine ausgezeichnete Benetzbarkeit aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter 20, 21 und einer externen elektrischen Schaltung.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20 und 21 können jeweils elektrisch mit der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 verbunden werden, indem die Membranelektrodenbaugruppe 13 greifend zwischen dem Basiskörper 16 und dem Deckelkörper 17 eingesetzt wird. Dadurch werden der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20 und 21 jeweils mit der ersten und der zweiten Elektrode in Druckkontakt gebracht.
Der erste Fluidkanal 18 und der zweite Fluidkanal 19 sind jeweils gegenüber der ersten Elektrode 14 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 und gegenüber der zweiten Elektrode 15 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordnet. Der erste Fluidkanal 18 erstreckt sich zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 16, wogegen sich der zweite Fluidkanal 19 zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 17 erstreckt. Der erste und der zweite Fluidkanal 18 und 19 werden von den durch den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17 gebohrten Durchgangsbohrungen und Rillen gebildet. Der erste und der zweite Fluidkanal 18 und 19 dienen jeweils als Kanal für ein der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführendes Fluid, wie Brennstoffgas, beispielsweise wasserstoffreiches Reformierungsgas, oder Oxidationsgas, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, und im Übrigen als Kanal für nach den Reaktionen aus der Membranelektrodenbaugruppe 13 abzugebendes Fluid, wie bei den Reaktionen erzeugtes Wasser oder Kohlendioxid.
Hinsichtlich der in den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17 gebohrten Durchgangsbohrungen oder Rillen, die als erster und zweiter Fluidkanal 18 und 19 dienen, werden Durchmesser und Anzahl der Durchgangsbohrungen bzw. Breite, Tiefe und Anordnung der Rillen entsprechend den Spezifikationen der Brennstoffzelle 11 so bestimmt, dass der Membranelektrodenbaugruppe 13 ein Fluid, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig zugeführt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 12 und der Brennstoffzelle 11 sollten die ersten und zweiten Fluidkanäle 18 und 19 vorzugsweise einen Bohrungsdurchmesser Φ von 0,1 mm oder mehr aufweisen und gleichmäßig beabstandet sein. Alternativ sollten bei der Erzeugung von Rillen der erste und der zweite Fluidkanal 18 und 19 vorzugsweise eine Breite von 0,2 mm oder mehr und eine Tiefe von 0,1 mm oder mehr aufweisen. Dies ermöglicht ein Fließen des Fluids in die Membranelektrodenbaugruppe 13 unter gleichmäßigem Druck.
Auf diese Weise ist der erste Fluidkanal 18 gegenüber der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit der ersten Elektrode 14 angeordnet, wogegen der zweite Fluidkanal 19 gegenüber der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit der zweiten Elektrode 15 angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann Fluid zwischen der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal 18 und 19 ausgetauscht werden, wodurch das Fluid durch den jeweiligen Fluidkanal zugeführt und abgegeben werden kann. Überdies kann bei der Zufuhr eines Gases als Fluid eine Abnahme des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 zugeführten Gases verhindert werden, wodurch eine vorgegebene stabile Ausgangsspannung erzielt werden kann. Da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert werden kann, wird ferner der Innendruck in der Brennstoffzelle 11 gleichmäßig. Dadurch können in der Membranelektrodenbaugruppe 13 auftretende thermische Spannungen unterdrückt werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 11 führt.
Durch die bisher beschriebene Konstruktion können erfindungsgemäß ein kompaktes und robustes Brennstoffzellengehäuse 12, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, wie in 1 gezeigt, und eine Brennstoffzelle 11 geschaffen werden, die eine hoch effiziente Steuerung ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sein muß und daß daher ohne Abweichung vom Geist oder Rahmen der Erfindung verschiedenste Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Der erste und der zweite Fluidkanal können beispielsweise alternativ durch Erzeugen eines Einlasses auf der seitlichen Oberfläche des Basiskörpers bzw. des Deckelkörpers erzeugt werden. In diesem Fall wird die Brennstoffzelle insgesamt verschmälert, und die verkleinerte Brennstoffzelle kann effektiv für ein tragbares elektronisches Gerät verwendet werden. Überdies können die anderen Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters jeweils zu den gemeinsamen Seitenflächen des Basiskörpers und des Deckelkörpers statt zu ihren äußeren Oberflächen hinaus geführt werden. In diesem Fall können die Verdrahtungsleitungen und die Kanäle auf nur einer Seite der Brennstoffzelle zusammengelegt werden. Dies hilft bei der Vereinfachung der Miniaturisierung und beim Schutz der extern angeschlossenen Abschnitte. Daher kann eine hoch zuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Ferner sind mehrere Membranelektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Basiskörpers untergebracht, und diese Membranelektrodenbaugruppen können über den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander verbunden sein. In diesem Fall kann insgesamt eine hohe Spannung oder ein hoher Stromausgang erzielt werden.
2 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 2 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16, der mehrere Ausnehmungen aufweist eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 22 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt. Dadurch sind die jeweiligen ersten Elektroden 14 sowie die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Um den gesamten Ausgang über die letzte Membranelektrodenbaugruppe 13 zu erhalten, sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20, 21 jeweils elektrisch mit ihr verbunden. Da der erste bis dritte Verdrahtungsleiter in diesem Fall eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können mehrere Membranelektrodenbaugruppen wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht eine effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. So wird eine Brennstoffzelle realisiert, bei der in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend extern extrahiert werden kann.
3 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. 4 ist eine Draufsicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend erwähnten Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 31 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 32 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20a einen ersten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 21a einen zweiten Verdrahtungsleiter. In 4 ist der Deckelkörper 17 perspektivisch gezeichnet, um das Verständnis des inneren Aufbaus zu erleichtern. Das Brennstoffzellengehäuse 32 umfasst den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17.
Das eine Ende des ersten Verdrahtungsleiters 20a ist um die der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegende Öffnung des ersten Fluidkanals 18 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 oder vorzugsweise über den gesamten Bereich der Oberfläche angeordnet, mit der die erste Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 in Kontakt steht, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche (d. h. bei dem Beispiel gemäß 3 der unteren Oberfläche) des Basiskörpers 16 hinaus. Durch diese Anordnung kann der erste Verdrahtungsleiter 20a mit der gesamten Fläche der Hauptoberfläche der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit Ausnahme des der Öffnung des ersten Fluidkanals 18 gegenüberliegenden Bereichs in unmittelbarem Kontakt stehen. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem ersten Verdrahtungsleiter 20a. Dadurch können eine Steigerung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines ungeeigneten Kontakts effektiv verhindert werden, wodurch eine Brennstoffzelle realisiert wird, die erfolgreich eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität bietet. Wie vorstehend beschrieben, ist der erste Verdrahtungsleiter vorzugsweise einstückig mit dem Basiskörper 16 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16. Dadurch kann der erste Verdrahtungsleiter 20a leicht die erste Elektrode 14 berühren. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 20a kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen erzielt werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß in einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere erste Verdrahtungsleiter gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im ersten Verdrahtungsleiter 20a zu verringern. Der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 20a, der den Basiskörper 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm aufweisen.
Das eine Ende des Verdrahtungsleiters 21a ist um die der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegende Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 oder äquivalent über den gesamten Bereich der Oberfläche angeordnet, mit der die zweite Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 in Kontakt steht, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche (d. h. bei dem Beispiel gemäß den 3 und 4 zur seitlichen Oberfläche) des Deckelkörpers 17 hinaus. Durch diesen Aufbau kann der zweite Verdrahtungsleiter 21a mit der gesamten Fläche der Hauptoberfläche der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit Ausnahme des der Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 gegenüberliegenden Bereichs in unmittelbarem Kontakt stehen. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem zweiten Verdrahtungsleiter 21a. Dadurch können eine Steigerung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines unzureichenden Kontakts effektiv verhindert werden, wodurch eine Brennstoffzelle realisiert wird, die erfolgreich eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität bietet. Vorzugsweise ist der zweite Verdrahtungsleiter 21a, wie der erste Verdrahtungsleiter 20a, einstückig mit dem Deckelkörper 17 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 17. Dies ermöglicht die einfache Herstellung eines Kontakts zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 21a und der zweiten Elektrode 15. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 11 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess in einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere zweite Verdrahtungsleiter 21a gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im zweiten Verdrahtungsleiter 21a zu reduzieren. Der Teil des zweiten Verdrahtungsleiters 21a, der den Deckelkörper 17 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise sollen die freiliegenden Oberflächen des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters 20a und 21a jeweils mit einem hoch leitfähigen Metallwerkstoff, wie Nickel oder Gold, beschichtet sein, der hoch korrosionsbeständig ist und bei der Verwendung eines Galvanisierungsverfahrens in bezug auf ein Hartlotfüllmaterial eine ausgezeichnete Benetzbarkeit aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter 20a und 21a sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter 20a und 21a und einer externen elektrischen Schaltung.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20a und 21a können durch greifendes Einsetzen der Membranelektrodenbaugruppe 13 zwischen den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17 jeweils elektrisch mit der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 verbunden werden. Dadurch werden der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20a und 21a jeweils mit der ersten und der zweite Elektrode 14 und 15 in Druckkontakt gebracht.
Bei der bisher beschriebenen Ausführungsform sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20a und 21a jeweils so über die gesamte untere Oberfläche der Ausnehmung um die Öffnung des ersten Fluidkanals 18 und auf der gesamten unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 um die Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 ausgebildet, dass sie jeweils die erste und die zweite Elektrode 14 und 15 berühren. Der Grund dafür ist, dass eine derartige Anordnung eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem ersten Verdrahtungsleiter 20a sowie der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode 15 und dem zweiten Verdrahtungsleiter 20a und ebenso eine Verringerung des elektrischen Widerstands ermöglicht. Dagegen können die Öffnungen des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 auf der Seite der Membranelektrodenbaugruppe 13 zur Steigerung der Menge der erzeugten Elektrizität größer eingestellt werden, um die Fluidzufuhr zur Membranelektrodenbaugruppe 13 zu erhöhen. Um dies zu erreichen, ist beispielsweise am Rand der Öffnung des ersten und des zweiten Fluidkanals 18, 19 ein von dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter 20a, 21a freier Abschnitt, d. h. ein Abschnitt vorgesehen, auf dem kein Verdrahtungsleiter vorhanden ist. Dies hilft bei der Vergrößerung der Abmessungen der Öffnung auf der Seite der Membranelektrodenbaugruppe 13, wodurch das Fluid der Membranelektrodenbaugruppe 13 gleichmäßiger zugeführt werden kann. Alternativ ist entsprechend der erforderlichen Fluidmenge zumindest entweder der erste oder der zweite Verdrahtungsleiter 20a und 21a wie vorstehend beschrieben konstruiert, wogegen der andere teilweise so ausgebildet ist, dass er elektrisch an einen Teil der ersten oder der zweiten Elektrode 14 oder 15 angeschlossen oder mehrfach vorgesehen ist.
Ferner sind mehrere Membranelektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Basiskörpers untergebracht, und diese Membranelektrodenbaugruppen können durch den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander verbunden sein. In diesem Fall kann insgesamt ein hoher Spannungs- oder Stromausgang erzielt werden.
5 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 5 hervorgeht, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 33 so im Basiskörper 16' angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt, und ein vierter Verdrahtungsleiter 34 ist im Deckelkörper 17' angeordnet. Der dritte und der vierte Verdrahtungsleiter sind elektrisch miteinander verbunden. So werden die jeweiligen ersten Elektroden 14 sowie die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Zum Erhalt des Gesamtausgangs über die letzte der mittels des dritten und vierten Verdrahtungsleiters 33 und 34 in Reihe geschalteten Membranelektrodenbaugruppen 13 sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20a und 21a jeweils elektrisch mit ihr verbunden. Da der erste bis vierte Verdrahtungsleiter 20a, 21a, 33, 34 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung zulassen, können in diesem Fall mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden (obwohl dies nicht dargestellt ist). Dies ermöglicht die effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden ein Brennstoffzellengehäuse 32' und eine Brennstoffzelle 31' realisiert werden, bei denen die in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend entnommen werden kann.
6 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. 7 ist eine Draufsicht, die das Brennstoffzellengehäuse und die Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß der weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In den Figuren bezeichnen das Bezugszeichen 41 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 42 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20a einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21a einen zweiten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 43 ein Heizelement. In 7 ist der Deckelkörper 17 in Draufsicht dargestellt, um das Verständnis des inneren Aufbaus zu erleichtern.
Der Aufbau der in 6 gezeigten Brennstoffzelle 41 ähnelt dem der Brennstoffzelle 31. Es wird darauf hingewiesen, dass die Brennstoffzelle 41 im Basiskörper 16 und im Deckelkörper 17 ein Heizelement 43 aufweist. Zudem umfasst das Brennstoffzellengehäuse 42 den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17.
Das Heizelement 43 zum Erwärmen der oberen oder der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 ist am Rand zumindest entweder der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals 18 oder der auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 ausgebildet. Das am Rand der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals 18 und/oder der auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 ausgebildete Heizelement 43 kann jedes gegebene Muster aufweisen, solange es die Membranelektrodenbaugruppe 13 gleichmäßig heizen kann. Die bevorzugten Beispiele umfassen das in 7 gezeigte, lineare Streifenmuster, ein bogenförmiges Streifenmuster, ein konzentrisch geformtes Muster und ein spiralförmiges Muster. Überdies kann das Heizelement 43 zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung in mehrere Muster unterteilt sein.
Das Heizelement 43 ist vorzugsweise aus Gold, Silber, Palladium, einem Metall der Platingruppe oder einer Legierung der vorstehend genannten oder aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Wolfram, Titan, Titannitrid oder Nickel gefertigt. Überdies weist das Heizelement 43 vorzugsweise einen (nicht dargestellten) Zufuhrabschnitt aus Gold, Silber, Palladium, Platin oder einem ähnlichen Metall auf. Dadurch wird die Leitung von Elektrizität sichergestellt, indem ein Verbindungsanschluss in Druckkontakt mit dem Zufuhrabschnitt gebracht wird.
Wenn die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe 13 verändert oder variiert wird, wird die Menge des dem Zufuhrabschnitt des Heizelements 43 zuzuführenden Stroms gesteuert. Dadurch kann das Auftreten unerwünschter Temperaturschwankungen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 verhindert werden, und auch die Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe 13 kann gleichmäßig gehalten werden.
Durch den bislang beschriebenen Aufbau können erfindungsgemäß das kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuse 42, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, wie in 6 gezeigt, und die Brennstoffzelle 41 bereitgestellt werden, die eine hocheffiziente Steuerung ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sein muss und dass daher ohne Abweichung vom Geist oder Rahmen der Erfindung zahlreiche Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Obwohl dies in der Figur nicht dargestellt ist, können zusätzlich beispielsweise ein z. B. aus poröser Keramik gefertigtes, wärmeisolierendes Element oder hohle Komponenten, die unter Luft oder Vakuum gehalten werden, als wärmeisolierende Schicht zwischen dem Heizelement 43 zum Heizen der unteren oder der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 und der äußeren Oberflächen des Basiskörpers 16 und des Deckelkörpers 17 vorgesehen sein. In diesem Fall kann die zur Erhöhung der Temperatur auf ein bestimmtes Betriebstemperaturniveau erforderliche Zeitspanne verkürzt werden, und daher kann die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe 13 effizienter gesteuert werden. Daneben kann ein unerwünschter Anstieg der Temperatur der Oberfläche des Brennstoffzellengehäuses 42 verhindert werden. Dadurch ist die Brennstoffzelle 41 hinsichtlich der Kompaktheit, der Zweckmäßigkeit und der Sicherheit ausgezeichnet und dementsprechend für ein tragbares elektronisches Gerät geeignet.
Überdies sind die 8 und 9, wie die 6 und 7, jeweils eine Schnittansicht und eine Draufsicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen. Wie in den Figuren gezeigt, können der erste und der zweite Kanal 18' und 19' alternativ erzeugt werden, indem ein Einlass auf der seitlichen Oberfläche des Basiskörpers 16' oder des Deckelkörpers 17' erzeugt wird. Dadurch wird die Brennstoffzelle 41' insgesamt schmaler, und die verkleinerte Brennstoffzelle kann effektiv für ein tragbares elektronisches Gerät verwendet werden. Ferner kann durch eine Steigerung der Geschwindigkeit des durch die Fluidkanäle 18' und 19' fließenden Luftstroms sichergestellt werden, dass gleichzeitig mit der Verdampfung des in der Luftelektrode angesammelten Wassers aufgrund der Wirkung des Heizelements 43' der Wasserdampf durch die Luft entfernt wird. Dadurch bieten das Brennstoffzellengehäuse 42' und die Brennstoffzelle 41' einen weiteren Vorteil.
Was den Aufbau des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters 20' und 21' betrifft, so können deren andere Enden jeweils statt zu deren äußeren Oberflächen zu gemeinsamen Seitenflächen des Basiskörpers 16' und des Deckelkörpers 17' hinaus führen. In diesem Fall können die Verdrahtungsleitungen und die Kanäle zusammen auf einer Seite der Brennstoffzelle 41' angeordnet werden. Dies hilft, die Miniaturisierung und den Schutz der extern angeschlossenen Elemente zu erleichtern. Daher kann eine hoch zuverlässige Brennstoffzelle 41' konstruiert werden, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Ferner sind in der Ausnehmung des Basiskörpers 16' mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 untergebracht, die elektrisch über den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter 20' und 21' aneinander angeschlossen sind. In diesem Fall kann insgesamt ein hoher Spannungs- bzw. Stromausgang erzielt werden.
10 ist eine zu 5 analoge Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 10 hervorgeht, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung eines Basiskörpers 16'' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 44 so im Basiskörper 16'' angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt, und ein vierter Verdrahtungsleiter 45 ist im Deckelkörper 17'' angeordnet. Der dritte und der vierte Verdrahtungsleiter sind elektrisch miteinander verbunden. Dadurch sind die jeweiligen ersten Elektroden 14 als auch die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Zur Entnahme des Gesamtausgangs über die letzte der mittels des dritten und des vierten Verdrahtungsleiters 44 und 45 in Reihe geschalteten Membranelektrodenbaugruppen 13 können der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20'' und 21'' jeweils elektrisch mit ihr verbunden sein. Da der erste bis vierte Verdrahtungsleiter 20'', 21'', 44 und 45 in diesem Fall eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden (obwohl dies nicht dargestellt ist). Dies ermöglicht ein effektives Einstellen der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 42'' und die Brennstoffzelle 41'' realisiert, durch die in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen geleitet werden kann.
11 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In 11 bezeichnen das Bezugszeichen 51 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 52 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 53 ein hygroskopisches Element.
Der Aufbau der in 11 gezeigten Brennstoffzelle 51 ähnelt dem der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 11. Es wird darauf hingewiesen, dass zumindest entweder der Basiskörper 16 oder der Deckelkörper 17 ein hygroskopisches Element 53 aufweist. Zudem umfasst das Brennstoffzellengehäuse 52 Brennstoffzelle 51 den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17.
Die Innenfläche zumindest entweder des ersten oder des zweiten Fluidkanals 18 oder 19 ist vollständig oder teilweise mit dem hygroskopischen Element 53 beschichtet. Dadurch können durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugtes Wasser oder Wasserdampf durch das hygroskopische Element 53 leicht absorbiert und entfernt werden, was den Vorteil mit sich bringt, dass das Auftreten einer Blockade des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 effektiv verhindert wird, die als Fluidkanäle für Brennstoff und Luft fungieren. Dies hilft, effektiv zu verhindern, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, wodurch eine effektive Zufuhr von als Oxidationsgas fungierender, aus der Atmosphäre entnommener Luft und Brennstoff über den ersten und den zweiten Fluidkanal 18 und 19 ermöglicht wird. Dadurch können die chemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erleichtert werden, wodurch eine hocheffiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird.
Als für das hygroskopische Element verwendetes Absorptionsmaterial, das auf die Innenflächen des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 aufgebracht wird, wird vorzugsweise ein hoch wasserabsorbierendes (H₂O-absorbierendes) Material verwendet. Beispiele hierfür umfassen: Siliciumoxidgel, Aluminiumoxid, Ton, Aktivkohle, Papier und Holzpulver. Pulver aus anorganischen Substanzen, wie Siliciumoxidgel, Aluminiumoxid oder Ton sind hinsichtlich des Erhalts der gewünschten Feuchtigkeitsabsorptionseigenschaften besonders zweckmäßig. Dies liegt daran, dass der wasserabsorbierende (H₂O-absorbierende) Bereich durch Einstellen der Größe der Pulverpartikel durch Pulverisieren oder einen ähnlichen Prozess leicht gesteuert werden kann.
Im Falle des Aufbringens eines hygroskopischen Elements 53 auf der Innenfläche des ersten oder zweiten Fluidkanals 18 oder 19 sollte das hygroskopische Element 53 vorzugsweise sowohl auf den gesamten ersten und zweiten Fluidkanal 18 und 19 aufgebracht werden. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung der Gleichmäßigkeit des als Oxidationsgas fungierenden, der Atmosphäre entnommenen Luftstroms im ersten und im zweiten Fluidkanal 18 und 19. Überdies sollte die Dicke des hygroskopischen Elements 53 vorzugsweise so eingestellt werden, dass sie 10% oder weniger des Öffnungsbereichs des ersten bzw. des zweiten Fluidkanals 18, 19 beträgt. Der Grund hierfür ist, dass der Einfluss des Verlustdrucks zum Zeitpunkt der Zufuhr von Luft als Oxidationsgas minimiert werden muss.
Zur Erleichterung der Verdampfung von Wasser auf dem hygroskopischen Element 53 durch die Wirkung des Luftstroms sind die Innenwände des ersten und des zweiten Fluidkanals vorzugsweise vollständig mit dem hygroskopischen Element beschichtet. Dadurch kann in einem Fall, in dem das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse 52 und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 51 für ein kompaktes Zellensystem, wie beispielsweise eine tragbare DMFC (Direktmethanolbrennstoffzelle), verwendet wird, das Zellensystem mit nur 10 ml Methanol über Dutzende Stunden betrieben werden. Hinsichtlich der Menge des erzeugten Wassers werden beim Verbrauch von 1 g Methanol lediglich 1 ml Wasser (H₂O) erzeugt. Dies bedeutet, dass die Menge des von dem hygroskopischen Element 53 absorbierten Wassers (H₂O) so gering ist, dass es durch den mittels eines Gebläses erzeugten Luftstrom ausreichend verdampft wird. Daher hat die Wassererzeugung absolut keine wesentlichen Auswirkungen auf den kontinuierlichen Betrieb.
Durch den bisher beschriebenen Aufbau können erfindungsgemäß das kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuse 52, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, wie in 11 gezeigt, und die Brennstoffzelle 51 geschaffen werden, die eine hocheffiziente Steuerung ermöglicht.
12 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen. Wie aus 12 hervorgeht, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal 18' und 19' weist einen Öffnungsabschnitt 54, einen Kopplungsabschnitt 55, einen Fluideinlaßabschnitt 56 und einen (nicht dargestellten) Abgabeabschnitt auf. Der Öffnungsabschnitt 54 ist aus mehreren, in gleichen Abständen angeordneten, rillenförmigen Öffnungen von identischer Länge und Breite zusammengesetzt. Der Öffnungsabschnitt ist gegenüber der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung ausgebildet. Der Kopplungsabschnitt 55 dient dem Koppeln der einen Enden sowie der anderen Enden mehrerer Öffnungen. Der Fluideinlaßabschnitt 56 erstreckt sich von der einen und der anderen Seite des Kopplungsabschnitts 55 zur äußeren Oberfläche. Die erste und die zweite Elektrode 14 und 15 sind jeweils elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsleiter 20' und dem zweiten Verdrahtungsleiter 21' verbunden. In diesem Fall kann dem Öffnungsabschnitt 54, der die Form mehrerer Rillen aufweist, leicht über den Fluideinlaßabschnitt 56 und den Kopplungsabschnitt 55 Fluid zugeführt werden. Mehrere rollenförmige Öffnungen, die den Öffnungsabschnitt 54 bilden, weisen eine identische Länge und Breite auf und sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Da der Abstand zwischen dem Einlassabschnitt 56 und dem Auslassabschnitt gering ist, wird daher der im Fluidkanal festgestellte Widerstand selbst dann verringert, wenn ein Fluid mit einer hohen Geschwindigkeit strömt. Dadurch kann die gleichmäßige Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführenden Fluids verbessert werden, und das von dem hygroskopischen Element 53 absorbierte Wasser (H₂O) kann kontinuierlich durch die als Oxidationsgas zugeführte Luft aus der Atmosphäre getrocknet und entfernt werden. Da der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20' und 21' eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können überdies mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht insgesamt ein effizientes Einstellen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 52 und die Brennstoffzelle 51 realisiert, durch die in der Membranelektrodenbaugruppe 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend extern extrahiert werden kann.
13 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie aus 13 hervorgeht, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16'' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 57 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt. Daher sind die jeweiligen ersten Elektroden 14 sowie die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Zum Erhalt des Gesamtausgangs über die letzte der Membranelektrodenbaugruppen 13 werden der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20'' und 21'' jeweils elektrisch mit ihnen verbunden. Da der erste bis dritte Verdrahtungsleiter 20'', 21'' und 57 in diesem Fall eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht eine effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 52'' und die Brennstoffzelle 51'' realisiert, durch die in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen geleitet werden kann.
14 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In 14 bezeichnen das Bezugszeichen 61 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 62 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 63 eine wärmeisolierende Schicht und das Bezugszeichen 65 einen Einlassabschnitt.
Der in 14 gezeigte Aufbau der Brennstoffzelle ähnelt dem der in 8 gezeigten Brennstoffzelle 41'. Es wird darauf hingewiesen, dass zumindest entweder der Basiskörper 16 oder der Deckelkörper 17 eine wärmeisolierende Schicht 63 aufweist. Zudem umfasst das Brennstoffzellengehäuse 62 den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 61 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 62 ist die wärmeisolierende Schicht 63 zumindest entweder auf einem in der Nähe der Ausnehmung gelegenen Teil des Basiskörpers 16, d. h. einem in Bezug auf die Ausnehmung im Basiskörper 16 auf der Unterseite angeordneten Teil, oder einem in der Nähe der Ausnehmung gelegenen Teil des Deckelkörpers, d. h. einem in Bezug auf die Ausnehmung im Deckelkörper 17 auf der Oberseite angeordneten Teil ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist die wärmeisolierende Schicht 63 in diesen beiden Bereichen ausgebildet. Eine wärmeisolierende Schicht 63 des Basiskörpers 16 ist unter dem ersten Fluidkanal 18 so im unteren Teil der Ausnehmung ausgebildet, dass sie sich innerhalb des Basiskörpers 16 im wesentlichen über die gesamte Oberfläche erstreckt. Anders ausgedrückt ist die eine wärmeisolierende Schicht 63 des Basiskörpers 16 zwischen der unteren Oberfläche der Ausnehmung im Basiskörper 16 und der äußeren Oberfläche des Basiskörpers 16 ausgebildet. Eine weitere wärmeisolierende Schicht 63 des Deckelkörpers 17 ist so ausgebildet, dass sie sich im Wesentlichen über die gesamte Innenfläche des Deckelkörpers 17 erstreckt, durch den der zweite Fluidkanal verläuft. Anders ausgedrückt ist die weitere wärmeisolierende Schicht 63 des Deckelkörpers 17 zwischen der unteren Oberfläche, d. h. der der Ausnehmung im Deckelkörper 17 gegenüberliegenden einen Oberfläche und der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 17 ausgebildet. Ein derartiger Aufbau der wärmeisolierenden Schicht 63 hat die folgenden Vorteile zur Folge. Da die wärmeisolierende Schicht 63 gegenüber der Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 angeordnet ist, wird durch eine chemische Reaktion erzeugte Wärme durch die wärmeisolierende Schicht 63 eingeschlossen. Daher kann verhindert werden, dass die äußere Oberfläche des Brennstoffzellengehäuses 62 leicht heiß wird, und auch die Membranelektrodenbaugruppe 13 kann auf einer optimalen Temperatur gehalten werden. Dadurch kann die Effizienz der chemischen Reaktionen verbessert werden. Da auf diese Weise die Effizienz der Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle 61 in bezug auf beliebige Ausgänge gesteigert werden kann, kann die Membranelektrodenbaugruppe 13 verkleinert werden, und die Brennstoffzelle 61 selbst kann dementsprechend sowohl verkleinert als auch flacher gestaltet werden, was zu einer ausgezeichneten Tragbarkeit führt. Alternativ kann die wärmeisolierende Schicht 63 auch auf der Seitenfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 und auf der Seitenfläche des Deckelkörpers 17 angeordnet werden.
Wird die wärmeisolierende Schicht 63 aus poröser Keramik gefertigt, werden zunächst poröse Rohplatten hergestellt. Die porösen Rohplatten werden aufeinandergestapelt, um einen Abschnitt zu erhalten, der eine bestimmte Schicht des gestapelten Körpers aus den Rohplatten aus gesintertem Aluminiumoxidpulver bildet, aus dem der Basis- oder der Deckelkörper 16 bzw. 17 geformt wird, worauf ein Brennen folgt. Die poröse Rohplatte wird beispielsweise wie folgt hergestellt. Zunächst wird ein aus schmelzgegossenem Aluminiumoxid und schmelzgegossenem Mullit mit einer Korngröße von 10 bis 150 μm gefertigtes Aggregat hergestellt. Das schmelzgegossene Aluminiumoxid, gesintertes Aluminiumoxid und das schmelzgegossene Mullit enthaltende Aggregat wird geeignet eingestellt, so dass es eine Zusammensetzung von 85 bis 95 Gew.-% Al₂O₃ enthält, 5 bis 15 Gew.-% SiO₂ und unvermeidliche Verunreinigungen hat, wenn eine poröse Aluminiumoxid-Mullit-Rohplatte daraus geformt wird. Die poröse Aluminiumoxid-Mullit-Rohplatte wird unter Verwendung einer Menge von 50 bis 85 Gew.-% des Aggregats und einer Menge von 15 bis 50 Gew.-% eines Bindemittels hergestellt. Dann werden vorgegebene Mengen eines organischen Bindemittels, eines organischen Lösungsmittels, eines Plastifiziermittels, etc. zu dem Aggregat hinzugefügt, um ein poröses Keramikpulver zu erzeugen, und Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel werden gemischt hinzugefügt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen. Aus der Aufschlämmung wird dann mittels des Streichmesserverfahrens oder eines Kalanderwalzverfahrens eine poröse Rohplatte erzeugt. Die poröse Aluminiumoxid-Mullit-Rohplatte wird einem formunterstützten Stanzprozess, einem mikrobohrerunterstützten Stanzprozess, einem laserlichtanwendungsunterstützten Stanzprozess oder einem ähnlichen Stanzprozess unterzogen, um die gewünschte Konfiguration zu erhalten. Danach werden die porösen Rohplatten aufeinandergestapelt, um einen Abschnitt zu erzeugen, der eine bestimmte Schicht des gestapelten Rohplattenkörpers aus gesintertem Aluminiumoxidpulver bildet, worauf ein Brennen folgt. Dadurch wird die wärmeisolierende Schicht 63 erzeugt.
Wird die wärmeisolierende Schicht 63 aus poröser gesinterter Keramik gefertigt, wird beispielsweise eine Glas enthaltenden Paste auf ein bestimmtes Teil der porösen gesinterten Aluminiumoxid-Mullit-Keramik aufgebracht, um eine Glasverbindungsschicht zu erhalten. Dann wird die Glasverbindungsschicht mit einer bestimmten Schicht des gesinterten Aluminiumoxids verbunden. Anschließend wird der so erhaltene gestapelte Körper in einer reduzierenden Atmosphäre mit einer Temperatur von ca. 300 bis 500°C erwärmt. Alternativ wird ein aus Epoxidharz mit hoher Hitzebeständigkeit oder Polyimidharz hergestellter Klebstoff auf einen bestimmten Teil der porösen gesinterten Aluminiumoxid-Mullit-Keramik aufgebracht, und der Teil mit dem darauf aufgebrachten Klebstoff wird mit einer bestimmten Schicht des gesinterten Aluminiumoxids verbunden. Dadurch wird die wärmeisolierende Schicht 63 gebildet.
Wird die wärmeisolierende Schicht 63 aus hohlen Komponenten hergestellt, wird eine vorgegebene Position einer aus gesintertem Aluminiumoxidpulver gefertigten Rohplatte vorab einem formunterstützten Stanzprozess, einem mikrobohrerunterstützten Stanzprozess, einem laserlichtanwendungsunterstützten Stanzprozess oder einem ähnlichen Stanzprozess unterzogen, um die gewünschte Konfiguration zu erhalten. Danach werden die porösen Rohplatten aufeinandergestapelt, um einen Abschnitt zu erzeugen, der eine bestimmte Schicht des gestapelten Körpers aus Rohplatten bildet, die aus gesintertem Aluminiumoxidpulver gefertigt sind, worauf ein Brennen folgt. Die hohle Komponente kann entweder die Form eines kreisförmigen Lochs oder eines rechteckigen Lochs aufweisen. Hinsichtlich ihrer Größe und Anzahl gilt, je größer Größe und Anzahl, desto besser arbeitet die wärmeisolierende Schicht 63. Die hohle Komponente muss jedoch unter Berücksichtigung der mechanischen Festigkeit des Brennstoffzellengehäuses 62 konstruiert werden.
Die wärmeisolierende Schicht 63 ist im Bereich zwischen den Fluidkanälen 18, 19 und den äußeren Oberflächen des Basiskörpers 16 und des Deckelkörpers angeordnet. Die Dicke der wärmeisolierenden Schicht 63 sollte vorzugsweise auf 0,1 mm oder mehr eingestellt werden. Wenn die Dicke weniger als 0,1 mm beträgt, ist es möglich, dass die wärmeisolierende Schicht 63 keine zufriedenstellende Wärmeleitungssteuerungswirkung entfaltet, und dadurch wird es schwierig, zu verhindern, dass die äußere Oberfläche der Brennstoffzelle 61 heiß wird. Beträgt die Dicke hingegen mehr als 5 mm, wird es schwierig die Brennstoffzelle 61 sowohl dünner als auch flacher zu gestalten, und daher wird die Brennstoffzelle 61 ungeeignet für eine kompakte, tragbare Vorrichtung. Überdies neigen die Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 und ihr Rand hinsichtlich der bei der Erzeugung von Elektrizität in der Membranelektrodenbaugruppe 13 festzustellenden Temperaturverteilung dazu, höhere Temperaturen aufzuweisen. Wenn die wärmeisolierende Schicht 63 aus hohlen Komponenten gefertigt wird, sollte die wärmeisolierende Schicht 63 daher vorzugsweise gegenüber der Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 angeordnet sein. Durch Steigern der Größe und der Anzahl (Freiflächenverhältnis) der hohlen Komponenten gegenüber der Hauptoberfläche und insbesondere ihrem Rand oder durch Steigern der Dicke der hohlen Komponente können die Wärmeeinschlusseigenschaften der wärmeisolierenden Schicht 63 und die Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe 13 geeignet eingestellt werden.
Überdies ist die wärmeisolierende Schicht 63 zumindest entweder auf dem unteren Teil der Ausnehmung des Basiskörpers 16 oder dem oberen Teil der Ausnehmung des Deckelkörpers 17 so ausgebildet, dass es die untere oder die obere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 umgibt. Die wärmeisolierende Schicht 63 kann jedes gegebene Muster aufweisen, solange sie die durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugte Wärme gleichmäßig einschließen kann, wie in 14 gezeigt. Die wärmeisolierende Schicht 64 kann beispielsweise in der Nähe der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 ausgebildeten Öffnung des ersten Fluidkanals 18 und in der Bodenplatte in der Nähe des Kopplungsabschnitts 63 oder in der Nähe der im Deckelkörper 17 angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 ausgebildet sein.
Durch den bisher beschriebenen Aufbau können erfindungsgemäß das kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuse 62, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, wie in 14 gezeigt, und die Brennstoffzelle 61 geschaffen werden, die eine hocheffiziente Steuerung ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sein muss und dass daher ohne eine Abweichung vom Geist oder Rahmen der Erfindung verschiedene Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Obwohl dies in der Figur nicht dargestellt ist, kann beispielsweise zusätzlich ein Heizelement zwischen der Membranelektrodenbaugruppe 13 und der wärmeisolierenden Schicht 63 ausgebildet sein. Das Heizelement ist vorzugsweise aus Gold, Silber, Palladium, einem Metall der Platingruppe oder einer Legierung der vorstehend erwähnten oder aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Wolfram, Titan, Titannitrid oder Nickel gefertigt. Überdies weist das Heizelement vorzugsweise einen (nicht dargestellten) Zufuhrabschnitt aus Gold, Silber, Palladium, Platin oder einem ähnlichen Metall auf. Dadurch wird die Leitung von Elektrizität sichergestellt, indem ein Leitungsanschluss in Druckkontakt mit dem Zufuhrabschnitt gebracht wird. Wenn die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe 13 verändert oder variiert wird, wird” die Menge des dem Zufuhrabschnitt des Heizelements zuzuführenden Stroms gesteuert. Dadurch können das Auftreten unerwünschter Temperaturschwankungen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 verhindert und ebenso die Temperaturverteilung in der Membranelektrodenbaugruppe 13 gleichmäßig gehalten werden. Ferner kann die zum Steigern der Temperatur auf ein bestimmtes Betriebstemperaturniveau erforderliche Zeitspanne verkürzt werden, und dadurch kann die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe 13 effizienter gesteuert werden. Dadurch ist die Brennstoffzelle 61 hinsichtlich ihrer Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit ausgezeichnet und dadurch für eine tragbare elektronische Vorrichtung geeignet.
15 ist eine Schnittansicht die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 15 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 66 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt. Daher sind jeweils die ersten Elektroden 14 sowie die ersten und die zweiten Elektroden 14 und 15 mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Zum Erhalt des Gesamtausgangs über die letzte der Membranelektrodenbaugruppen 13 sind jeweils der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20' und 21' elektrisch mit ihr verbunden. Da der erste bis dritte Verdrahtungsleiter 20', 21' und 66 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können in diesem Fall mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht ein effizientes Einstellen der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden ein Brennstoffzellengehäuse 62' und eine Brennstoffzelle 61' realisiert, bei denen in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen geleitet werden kann.
Ferner sind bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Oberflächen des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters 20, 20a, 20', 20'' und 21, 21a, 21', 21'' mit Gold, Platin oder Palladium beschichtet. Die Beschichtung kann durch Dampfabscheidung realisiert werden, vorzugsweise wird jedoch ein Galvanisierungsverfahren angewendet.
Bei der Verwendung des elektrolytischen Galvanisierungsverfahrens erfolgt die Beschichtung beispielsweise wie folgt. Der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 werden in eine aus Kalium-Gold-Cyanid, Kaliumcyanid, tertiärem Kaliumcitrat, monobasischem Kaliumphosphat, Ammoniumsulfat und Thalliumsulfat bestehende elektrolytische Goldplattierungslösung eingetaucht. Dann wird unter Nutzung eines vorgegebenen elektrischen Stroms für die Galvanisierung eine Goldplattierungsschicht auf die Oberflächen der unter Verwendung einer Plattierlehre oder dergleichen aus Wolfram, Molybdän oder einer Legierung dieser Bestandteile gefertigten ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 20, 20a, 20', 20'' und 21, 21a, 21', 21'' aufgebracht.
Wenn die Vergoldungsschicht eine Dicke von weniger als 0,1 μm aufweist, können der aus Wolfram, Molybdän oder einer Legierung dieser Komponenten gefertigte erste und zweite Verdrahtungsleiter 20, 20a, 20', 20'' und 21, 21a, 21', 21'' nicht vor Korrosion geschützt werden. Daher sollte die Dicke vorzugsweise auf 0,1 μm oder mehr eingestellt werden. Vom Standpunkt der Kosteneffizienz sollte die Dicke vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 3 μm gehalten werden.
Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Vergoldung kann als Galvanisierungsmaterial mit der Eigenschaft der Korrosionsbeständigkeit auch eine zumindest entweder aus Gold, Platin, Palladium oder einer Legierung mit einem der vorstehend genannten Elemente als Hauptbestandteil zusammengesetzte Plattierungsschicht zur Beschichtung des ersten und zweiten Verdrahtungsleiters 20, 20a, 20', 20'' und 21, 21a, 21', 21'' verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist als Stromquelle in eine Vielzahl elektronischer Geräte eingebaut. Konkrete Beispiele hierfür umfassen tragbare elektronische Geräte, wie Mobiltelefone, PDAs (Personal Digital Assistants), digitale Kameras, Videokameras und Spielzeuge, wie tragbare Spielgeräte, elektrische Haushaltsgeräte, wie Laptop-PCs (Personal Computer), tragbare Drucker, Faksimilegeräte, Fernsehgeräte, Kommunikationsvorrichten, Audio-/Videosysteme und ein elektrischer Fön sowie elektronische Geräte, wie ein angetriebenes Werkzeug. Da bei einer elektronischen Vorrichtung, die die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 11 enthält, zumindest entweder der erste oder der zweite Verdrahtungsleiter so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals oder um die auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals ausgebildet ist, dass er die erste oder die zweite Elektrode berührt, und da seine Oberfläche auch entweder mit Gold, Platin oder Palladium beschichtet ist, können die Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe und dem ersten Verdrahtungsleiter und die Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Verdrahtungsleiter vergrößert und eine direkte Verbindung zwischen ihnen hergestellt werden. Dadurch können eine Steigerung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines ungeeigneten Kontakts verhindert und der erste und der zweite Verdrahtungsleiter vor Korrosion geschützt werden, wodurch eine elektronische Vorrichtung mit einer hocheffizienten Erzeugung von Elektrizität realisiert wird, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Hauptkörper der elektronischen Vorrichtung kompakt, dünnwandig und leicht gestaltet werden kann, da die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse hinsichtlich der Kompaktheit und Zweckmäßigkeit ausgezeichnet und aufgrund hocheffizienter elektrischer Anschlüsse zur Realisierung einer langfristigen Stromzufuhr geeignet sind. Überdies kann beispielsweise der Hauptkörper eines Mobiltelefons selbst dann eine höhere Stoßfestigkeit und eine höhere Wasserfestigkeit als je zuvor bieten, wenn er aufgrund eines Sturzes einen Schlag erhält.
Ferner können die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse durch Bereitstellen einer Ersatzbrennstoffzelle und eines Ersatzbrennstoffzellengehäuses leicht ersetzt oder entnommen werden, um Brennstoff nachzufüllen oder im Falle eines Versagens der Batterie oder dergleichen zu ersetzen, wenn der Aufbau des Stromquellenabschnitts ein Aufbau ist, bei dem die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse frei angebracht und abgenommen werden können, wodurch es möglich ist, durchgehend zu telefonieren und die Annehmlichkeit des Telefons noch ausgezeichneter als bei einem herkömmlichen wird, bei dem ein Akkumulator als Energiequelle verwendet wird. Der Vorteil ist, dass sogar in einem Notfall, wie einem Stromausfall, eine Nutzung möglich ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb des Rahmens der Erfindung auf verschiedenste Arten und Weisen verändert werden. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird beispielsweise eine DMFC, bei der Methanol als Brennstoff verwendet wird, als Brennstoffzelle verwendet. Ferner kann auch eine Brennstoffzelle verwendet werden, bei der verschiedene Arten von Flüssigkeiten einschließlich Dimethyläther als Brennstoff verwendet werden.
16 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend erwähnten Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In 16 bezeichnen das Bezugszeichen 71 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 72 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 73 eine hydrophobe Beschichtung.
Der Aufbau der in 16 gezeigten Brennstoffzelle 71 ähnelt dem der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 11. Es wird darauf hingewiesen, dass zumindest entweder der Basiskörper 16 oder der Deckelkörper eine hydrophobe Beschichtung 73 aufweist. Zudem umfasst das Brennstoffzellengehäuse 72 den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17.
Die Innenfläche zumindest entweder des ersten oder des zweiten Fluidkanals 18 oder 19 ist vollständig oder teilweise mit der hydrophoben Beschichtung 73 beschichtet. Daher können durch die Kondensation von Wasserdampf entstandene Wassertröpfchen sowie durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugtes Wasser leicht durch die hydrophobe Beschichtung abgegeben und entfernt werden, was den Vorteil mit sich bringt, dass das Auftreten einer Blockierung des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19, die als Fluidkanäle für Brennstoff und Luft dienen, effektiv verhindert wird. Dies hilft, effizient zu verhindern, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweite Elektrode 14 und 15 mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, und ermöglicht so eine effektive Zufuhr von als Oxidationsgas wirkender, aus der Atmosphäre entnommener Luft und Brennstoff über den ersten und den zweiten Fluidkanal 18 und 19. Dadurch können chemische Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erleichtert werden, wodurch eine hocheffiziente Erzeugung von Elektrizität möglich wird.
Die hydrophobe Beschichtung 73, mit der die Innenfläche zumindest entweder des ersten oder des zweiten Fluidkanals 18 und 19 beschichtet ist, besteht aus einem wasserabweisenden (H₂O-abweisenden) Werkstoff. Bevorzugte Beispiele hierfür sind ein mit Wolfram, Kupfer, Silber oder Gold metallisierter Werkstoff, ein mit Gold plattierter Werkstoff, ein mit einem Fluorkohlenstoffpolymer, einer Silankopplungskomponente beschichteter Werkstoff. Unter diesen Beispielen ist der mit Gold plattierte Werkstoff hinsichtlich der Erzielung der gewünschten wasserabweisenden Eigenschaften besonders vorteilhaft, da er sich zur Einstellung des Kontaktwinkels zu dem durch Veränderungen der Bedingungen der Oberflächenrauhigkeit und -feinheit geleiteten Wasser (H₂O) anbietet.
Wird eine derartige hydrophobe Beschichtung 73 auf die Innenfläche des ersten oder des zweiten Fluidkanals 18 oder 19 aufgebracht, sollten vorzugsweise sowohl der erste als auch der zweite Fluidkanal 18 und 19 dem Aufbringen der hydrophoben Beschichtung 73 unterzogen werden. Dadurch kann die Gleichmäßigkeit des als Oxidationsgas wirkenden, aus der Atmosphäre entnommenen Luftstroms im ersten und im zweiten Fluidkanal 18 und 19 aufrechterhalten werden. Überdies sollte die Dicke der hydrophoben Beschichtung 73 vorzugsweise auf 10% oder weniger des Öffnungsbereichs des ersten bzw. zweiten Fluidkanals 18, 19 eingestellt werden. Der Grund dafür ist, dass der Einfluss des Druckverlusts bei der Zufuhr der als Oxidationsgas dienenden Luft minimiert werden muss.
Überdies sind die Innenflächen des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 zur Erleichterung der Abgabe von Wassertröpfchen von der hydrophoben Beschichtung 73 durch den Brennstoff oder Luftstrom vollständig mit der hydrophoben Beschichtung 73 beschichtet. Dadurch können das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse 72 und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 71 als kompaktes Zellensystem, wie eine tragbare DMFC (Direktmethanolbrennstoffzelle), verwendet werden.
Durch den bisher beschriebenen Aufbau können erfindungsgemäß das kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuse 72, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, wie in 16 gezeigt, und die Brennstoffzelle 71 geschaffen werden, die eine hocheffiziente Steuerung ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 71 ist als Stromquelle in einer Vielzahl elektronischer Geräte enthalten. Konkrete Beispiele hierfür umfassen tragbare elektronische Geräte, wie Mobiltelefone, PDAs (Personal Digital Assistants), digitale Kameras, Videokameras und Spielzeuge, wie tragbare Spielgeräte, elektrische Haushaltsgeräte, wie Laptop-PCs (Personal Computer), tragbare Drucker, Faksimilegeräte, Fernsehgeräte, Kommunikationsvorrichten, Audio-/Videosysteme und elektrische Gebläse sowie elektronische Geräte, wie angetriebene Werkzeuge. Da bei einer elektronischen Vorrichtung, die die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 71 enthält, die Innenfläche zumindest entweder des ersten oder des zweiten Fluidkanals vollständig oder teilweise mit der hydrophoben Beschichtung beschichtet ist, ist der von der hydrophoben Beschichtung umgebene Fluidkanal zufriedenstellend wasserabweisend. Dadurch können im ersten und im zweiten Fluidkanal entstehendes Wasserkondensat sowie durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe erzeugtes Wasser (H₂O) leicht abgegeben und durch den Druck des zugeführten Brennstoffs und der zugeführten Luft aus der Leitung entfernt werden, was den Vorteil mit sich bringt, dass eine Ansammlung von Wassertröpfchen im ersten und im zweiten Fluidkanal effektiv verhindert wird. Dies hilft, zu verhindern, dass die Elektrodenoberfläche der ersten und der zweiten Elektrode mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, und ermöglicht so eine effektive Zufuhr von aus der Atmosphäre entnommener, als Oxidationsgas wirkender Luft und Brennstoff über den ersten und den zweiten Fluidkanal. Dadurch können chemische Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe erleichtert und dementsprechend das elektronische Gerät über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden.
17 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 17 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal 18' oder 19' weist einen Öffnungsabschnitt 74, einen Kopplungsabschnitt 75, einen Fluideinlassabschnitt 76 und einen (nicht dargestellten) Auslassabschnitt auf. Der Öffnungsabschnitt bestellt aus mehreren, in gleichmäßigen Abständen angeordneten, rillenförmigen Öffnungen von identischer Länge und Breite. Der Öffnungsabschnitt ist gegenüber der oberen und der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 75 dient dem Koppeln der einen Enden und der anderen Enden 74 mehrerer Öffnungen miteinander. Der Fluideinlassabschnitt 15 erstreckt sich von der einen und der anderen Seite des Kopplungsabschnitts 75 zur äußeren Oberfläche. Die erste und die zweite Elektrode 14 und 15 sind jeweils elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsleiter 20' und dem zweiten Verdrahtungsleiter 21' verbunden. In diesem Fall kann dem Öffnungsabschnitt 74, der die Form mehrerer Rillen aufweist, leicht über den Fluideinlassabschnitt 76 und den Kopplungsabschnitt 75 ein Fluid zugeführt werden. Die mehreren rillenartigen Öffnungen, die den Öffnungsabschnitt 74 bilden, weisen eine identische Länge und Breite auf und sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Da der Abstand zwischen dem Einlassabschnitt 76 und dem Auslassabschnitt kurz ist, wird daher der in dem Fluidkanal festzustellende Widerstand selbst dann verringert, wenn ein Fluid mit einer hohen Geschwindigkeit fließt. Dadurch kann die gleichmäßige Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführenden Fluids verbessert werden, und das durch Kondensation auf der hydrophoben Beschichtung 73 erzeugte Wasser (H₂O) kann durch die aus der Atmosphäre entnommene, als Oxidationsgas dienende Luft und den Brennstoff abgeführt werden. Da der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20' und 21' eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können überdies mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht insgesamt eine effektive Einstellung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 72' und die Brennstoffzelle 71' realisiert, durch die in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen geleitet werden kann.
18 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 18 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16'', der mehrere Ausnehmungen aufweist, eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 77 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt. Dadurch sind die jeweiligen ersten Elektroden 14 sowie die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Zum Erhalt des Gesamtausgangs über die letzte der Membranelektrodenbaugruppen 13 sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20'' und 21'' jeweils elektrisch mit ihr verbunden. Da in diesem Fall der erste bis dritte Verdrahtungsleiter 20'', 21'' und 77 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können die mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht eine effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 72'' und die Brennstoffzelle 71'' realisiert, durch die die in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen geleitet werden kann.
19 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer in einer elektronischen Vorrichtung installierten Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend erwähnten Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
In 19 bezeichnen das Bezugszeichen 81 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 82 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 83 einen externen Verbindungsanschluss. Die elektronische Vorrichtung ist ein Mobiltelefon, ein PDA (ein Personal Digital Assistant), eine Digitalkamera oder dergleichen. Konkrete Beispiele werden nachstehend beschrieben.
Der in 19 gezeigte Aufbau der Brennstoffzelle 81 ähnelt dem der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 11. Es wird darauf hingewiesen, dass zumindest entweder der Basiskörper 16 oder der Deckelkörper 17 einen externen Verbindungsanschluss 83 aufweist. Zudem umfasst das Brennstoffzellengehäuse 82 den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17.
Die externen Verbindungsanschlüsse 83 sind durch Löten, Hartlöten oder dergleichen zumindest entweder mit dem Basiskörper 16 oder mit dem Deckelkörper 17 verbunden. Zweckmäßiger Weise weisen die externen Verbindungsanschlüsse 83 eine Form auf, die eine feine elektrische Verbindung mit einer Hauptplatine oder dergleichen ermöglicht, die eine elektronische Schaltung darstellt, die ein Hauptbestandteil der elektronischen Vorrichtung ist. Eine derartige Form ist beispielsweise ein Stab, ein Haken, ein Konus oder dergleichen, der durch Herstellung eines Kontakts zwischen den Anschlüssen oder ein Einführen des Anschlusses eine leichte elektrische und mechanische Verbindung mit einer elektronischen Schaltung ermöglicht, die Hauptteil der elektronischen Vorrichtung ist. Vorzugsweise ist in dem Bereich, in dem der externe Verbindungsanschluss 83 mit einer elektronischen Schaltung verbunden ist, die den Hauptteil der elektronischen Vorrichtung bildet, ein dem externen Verbindungsanschluss entsprechender Passabschnitt (eine Bohrung oder dergleichen) vorgesehen. Daneben kann die elektronische Vorrichtung durch Anordnen des externen Verbindungsanschlusses 83 auf der Seitenfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers flach gehalten werden.
Durch Beschichten der freiliegenden Oberflächen des ersten Verdrahtungsleiters 20, des zweiten Verdrahtungsleiters 21 und der externen Verbindungsanschlüsse 83 mit einem Metall, wie Nickel, Kupfer, Gold, Platin oder Palladium, das eine gute Leitfähigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und Benetzbarkeit mit einem Hartlot aufweist, kann eine gute elektrische Verbindung zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 20, dem zweiten Verdrahtungsleiter 21, dem externen Verbindungsanschluss 83 und einer Hauptplatine oder dergleichen realisiert werden, die eine elektronische Schaltung ist, die einen Hauptteil der elektronischen Vorrichtung bildet.
Die 20 bis 23 sind Schnittansichten, die jeweils Brennstoffzellen zeigen, die in elektronischen Vorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung installiert sind.
In diesen Ansichten bezeichnen die Bezugszeichen 91, 101, 111, 121 eine Brennstoffzelle, die Bezugszeichen 92, 102, 112, 122 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 83 einen externen Verbindungsanschluss, das Bezugszeichen 93 einen dritten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 103 einen vierten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 104 einen fünften Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 113 einen sechsten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 123 einen siebten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 124 einen achten Verdrahtungsleiter.
In den 20 bis 23 bezeichnen die Bezugszeichen 13 bis 21 und 83 die gleichen Komponenten, wie in 19.
Der dritte Verdrahtungsleiter 93 gemäß 20, dessen eines Ende in einem Bereich gegenüber der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche einer der mehreren Ausnehmungen des Basiskörpers 16 angeordnet ist und dessen anderes Ende in einem Bereich gegenüber der ersten Elektrode 14 einer weiteren Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche einer weiteren der Ausnehmungen angeordnet ist, ist einstückig mit dem Basiskörper 16 ausgebildet. Überdies ist der dritte Verdrahtungsleiter 93 vorzugsweise 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16, so daß leicht ein Kontakt zwischen seinen beiden Enden und der ersten Elektrode 14 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des dritten Verdrahtungsleiters 93 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere erste Verdrahtungsleiter 20 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, die elektrische Verlustleitung im dritten Verdrahtungsleiter 93 zu verringern. Der Teil des dritten Verdrahtungsleiters, der den Basiskörper 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Das eine Ende des vierten Verdrahtungsleiters 103 gemäß 21 ist in einem Bereich gegenüber der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche einer der mehreren Ausnehmungen des Basiskörpers 16 angeordnet, und sein anderes Ende führt zu einem Bereich hinaus, in dem der Deckelkörper 17 auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 16 montiert ist. Überdies ist der fünfte Verdrahtungsleiter so ausgebildet, dass sein eines Ende in einem Bereich gegenüber der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 einer weiteren der Ausnehmungen in der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordnet ist und sein anderes Ende so zu einem am Basiskörper 16 montierten Bereich der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 führt, dass es dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiter 103 gegenüberliegt.
Vorzugsweise ist der vierte Verdrahtungsleiter 103, wie der dritte Verdrahtungsleiter 93, einstückig mit dem Basiskörper 16 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die Ausnehmung in der unteren Oberfläche des Basiskörpers 16. Dies ermöglicht eine leichte Herstellung eines Kontakts zwischen seinem einen Ende und der ersten Elektrode 14. Die gewünschte Höhe des vierten Verdrahtungsleiters 103 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere vierte Verdrahtungsleiter 103 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im vierten Verdrahtungsleiter 103 zu verringern. Der Teil des vierten Verdrahtungsleiters 103, der den Basiskörpers 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Ferner ist der fünfte Verdrahtungsleiter 104, wie der zweite Verdrahtungsleiter 21, vorzugsweise einstückig mit dem Deckelkörper 17 ausgebildet und um 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 17. Dies ermöglicht das leichte Herstellen eines Kontakts zwischen dem einen seiner Enden mit der zweiten Elektrode 15. Die gewünschte Höhe des fünften Verdrahtungsleiters 104 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten gegenüber der zweiten Elektrode 15 vorzugsweise mehrere fünfte Verdrahtungsleiter 104 angeordnet werden. Dies hilft, die elektrische Verlustleitung im fünften Verdrahtungsleiter 104 zu verringern. Der Teil des fünften Verdrahtungsleiters 104, der den Deckelkörper 17 durchdringt, solle vorzugsweise einen Durchmesser 1 von 50 μm oder mehr aufweisen.
Der sechste Verdrahtungsleiter 113 gemäß 22, dessen eines Ende in einem Bereich gegenüber der ersten Elektrode einer der Membranelektrodenbaugruppen 13 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 und dessen anderes Ende in einem Bereich gegenüber der ersten Elektrode 14 einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen 13 auf der unteren Oberfläche der gleichen Ausnehmung angeordnet ist, ist einstückig mit dem Basiskörper 16 ausgebildet.
Zweckmäßiger Weise ist der sechste Verdrahtungsleiter 113 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16, so dass seine beiden Enden leicht mit der ersten Elektrode in Kontakt gebracht werden können. Die gewünschte Höhe des sechsten Verdrahtungsleiters 113 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere dritte Verdrahtungsleiter 93 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im sechsten Verdrahtungsleiter 113 zu reduzieren. Der Teil des sechsten Verdrahtungsleiters 113, der den Basiskörper 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Ein Ende des siebten Verdrahtungsleiters 123 gemäß 23 ist in einem Bereich gegenüber der ersten Elektrode 14 einer der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 16 angeordnet, und das andere Ende führt hinaus zu einem Bereich, an dem der Deckelkörper 17 an der oberen Oberfläche des Basiskörpers 16 montiert ist. Überdies ist der achte Verdrahtungsleiter 124 so ausgebildet, dass sein eines Ende in einem Bereich gegenüber der zweiten Elektrode 15 einer weiteren der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 so zu einem auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 16 montierten Bereich der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 führt, dass es dem anderen Ende des siebten Verdrahtungsleiters 123 gegenüberliegt.
Der siebte Verdrahtungsleiter 123 ist auf die gleiche Weise wie der dritte Verdrahtungsleiter 93 einstückig mit dem Basiskörper 16 ausgebildet und vorzugsweise 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16, so dass leicht ein Kontakt zwischen seinem einen Ende und der ersten Elektrode 14 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des siebten Verdrahtungsleiters 123 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere siebte Verdrahtungsleiter 123 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im siebten Verdrahtungsleiter 123 zu reduzieren. Der Teil des siebten Verdrahtungsleiters 123, der den Basiskörper 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Ferner ist der achte Verdrahtungsleiter 124 auf die gleiche Weise wie der zweite Verdrahtungsleiter 21 einstückig mit dem Deckelkörper 17 ausgebildet und zweckmäßiger Weise 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 17, so dass leicht ein Kontakt zwischen seinem einen Ende und der zweiten Elektrode 15 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des achten Verdrahtungsleiters 124 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere achte Verdrahtungsleiter 124 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im achten Verdrahtungsleiter 124 zu reduzieren. Der Teil des achten Verdrahtungsleiters 124, der den Deckelkörper 17 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Wie in den 20 und 21 gezeigt, ist bei den in der elektronischen Vorrichtung installierten Brennstoffzellengehäusen 92, 102 und den Brennstoffzellen 91, 101 durch die Unterbringung einer Membranelektrodenbaugruppe 13 in jeder der Ausnehmungen des Basiskörpers 16 mit mehreren Ausnehmungen, Anordnen der dritten Verdrahtungsleiter 93 oder der vierten Verdrahtungsleiter 103 und der fünften Verdrahtungsleiter 104 zwischen den Endabschnitten der nebeneinander liegenden Ausnehmungen, elektrisches Verbinden der ersten Elektroden 14 der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 oder der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 15 und elektrisches Verbinden der ersten Verdrahtungsleiter 20 und der zweiten Verdrahtungsleiter 21 zur Entnahme des gesamten Ausgangs zu den in den Positionen, die zu den beiden Enden werden, angeordneten Membranelektrodenbaugruppen 13 durch den ersten bis dritten Verdrahtungsleiter 20, 21, 93 oder durch den ersten, den zweiten, den vierten und den fünften Verdrahtungsleiter 20, 21, 103, 104 eine freie dreidimensionale Verdrahtung möglicht, so dass die mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Da eine effiziente Regelung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms möglich wird, wird dadurch eine Brennstoffzelle realisiert, aus der in den mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität gut nach außen geleitet werden kann.
Wie in den 22 und 23 gezeigt, ist bei den in der elektronischen Vorrichtung installierten Brennstoffzellengehäusen 112, 122 und Brennstoffzellen 111, 121 durch die Unterbringung mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 13 der Ausnehmung des Basiskörpers 16, Anordnen der sechsten Verdrahtungsleiter 113 oder der siebten Verdrahtungsleiter 123 und der achten Verdrahtungsleiter 124, elektrisches Verbinden der ersten Elektroden 14 der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 oder der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 15 und elektrisches Verbinden der ersten Verdrahtungsleiter 20 und der zweiten Verdrahtungsleiter 21 zur Entnahme des gesamten Ausgangs zu den in den Positionen, die zu den beiden Enden werden, angeordneten Membranelektrodenbaugruppen 13 durch die ersten, zweiten und sechsten Verdrahtungsleiter 20, 21, 113 oder durch die ersten, zweiten, siebten und achten Verdrahtungsleiter 20, 21, 123, 124 eine freie dreidimensionale Verdrahtung möglich, so dass die mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Da eine effiziente Regelung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms möglich wird, wird dadurch eine Brennstoffzelle realisiert, aus der die in den mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität gut nach außen geleitet werden kann.
Im Rahmen der Erfindung können verschiedene Veränderungen vorgenommen werden. Um die gesamte Brennstoffzelle flacher zu gestalten, können beispielsweise die Einlässe der ersten Fluidkanäle oder der zweiten Fluidkanäle auf der Seitenfläche des Basiskörpers angeordnet sein. Dies ist insbesondere bei der Verwendung für mobile elektronische Vorrichtungen zur Miniaturisierung effektiv. Im Übrigen können die zu den äußeren Oberflächen des Basiskörpers und des Deckelkörpers hinaus führenden anderen Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters jeweils auch zu den Seitenflächen auf der gleichen Seite hinaus führen, um die externen Verbindungsanschlüsse 83 zu sammeln. Dies ermöglicht das Sammeln der Verdrahtung, der Kanäle und dergleichen auf einer Seite der Brennstoffzelle, die Miniaturisierung und der Schutz der Verbindungen nach außen werden erleichtert, eine hoch zuverlässige Konstruktion wird ermöglicht und eine Brennstoffzelle wird realisiert, die über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Als nächstes wird eine elektronische Vorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle als Stromquelle beschrieben. Da für die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle als Stromquelle verwendet wird, hat sie, wie nachstehend beschrieben, verschiedene Auswirken und ist klein, flach, kann über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden und ist hinsichtlich der Sicherheit und Zweckmäßigkeit ausgezeichnet.
Wird die als Stromquelle installierte Brennstoffzelle 81 mit externen Verbindungsanschlüssen (einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss) an zumindest entweder dem Basiskörper 16 oder dem Deckelkörper 17 angeordnet, kann die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung leicht elektrisch an eine Leiterplatte der elektronischen Vorrichtung angeschlossen und frei befestigt und abgenommen werden. Daher ist es ohne die Verwendung einer Einrichtung, die mit einer besonderen Sicherheitseinrichtung versehen ist, oder dergleichen möglich, die Brennstoffzelle leicht durch eine neue zu ersetzen und die elektronische Vorrichtung hoch zweckmäßig zu gestalten.
Da die Erzeugung von Metallschichten in verschiedenen Formen und mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften auf der Oberfläche einer im inneren angeordneten Keramikschicht durch ein Metallisierungsverfahren oder dergleichen möglich ist, wenn der Basiskörper 16 des Brennstoffzellengehäuses 82 aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist, kann ferner eine elektronische Schaltungsvorrichtung hergestellt werden, die als Widerstand, Kapazität, Induktivität oder dergleichen fungiert. Daher wird beispielsweise durch Parallelschalten eines Kondensators mit hoher Kapazität mit der Brennstoffzelle ein Mangel an elektrischem Strom kompensiert, wenn von der Brennstoffzelle 81 zu wenig elektrischer Strom abgegeben wird, und die Zufuhr von elektrischem Strom entsprechend einem elektrischen Sollausgangsstrom kann sichergestellt werden. Da eine Ladeschaltung erzeugt werden kann, kann überdies die für die elektronische Vorrichtung erforderliche Spannung aufrechterhalten werden.
Bei der Erzeugung eines Widerstands, einer Kapazität oder einer Induktivität im Basiskörper 16 ist der Basiskörper 16 vorzugsweise aus gesinterter Glaskeramik gefertigt.
Gesinterte Glaskeramik besteht beispielsweise aus einer Glaskomponente und einem Füllstoff. Diese Komponenten stimmen mit denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform überein, und ihre genaue Beschreibung erübrigt sich.
Ferner beträgt das Mischverhältnis von Glas und Füllmittel gewichtsmäßig vorzugsweise 40:60 bis 99:1.
Als in eine Rohplatte aus Glaskeramik gemischtes organisches Bindemittel kann ein bisher für eine Keramikrohplatte verwendetes verwendet werden, d. h. beispielsweise ein Homopolymer oder ein Copolymer auf Acrylbasis (ein Homopolymer oder ein Copolymer aus Acrylsäure, Methacrylsäure oder ein Ester dieser, konkret ein Acrylsäureestercopolymer, ein Methacrylsäureestercopolymer, Acrylsäureester-Methacrylsäureestercopolymer oder dergleichen), Polyvinylbutyralbasis, Polyvinylalkoholbasis, Acrylstyrolbasis, Polypropylencarbonatbasis, Cellulosebasis oder dergleichen.
Eine Rohplatte aus Glaskeramik wird durch Hinzufügen der zur Erzeugung einer Aufschlämmung erforderlichen, vorgegebenen Mengen eines Plastifiziermittels und eines Lösungsmittels (eines organischen Lösungsmittels, Wasser oder dergleichen) zu dem Glaspulver, dem Füllmittelpulver und dem organischen Bindemittel und Formen derselben durch ein Streichmesser, Walzen, Kalanderwalzen und Tuschierpressen oder dergleichen mit einer Dicke von ca. 50 bis 500 μm erzeugt.
Auf der Oberfläche einer Rohplatte aus Glaskeramik wird durch beispielsweise Aufdrucken einer Paste aus einem Leitermaterialpulver mittels eines Siebdruckverfahrens, eines Gravurdruckverfahrens oder dergleichen oder durch Übertragen einer Metallfolie in einer spezifizierten Musterform ein Leitermuster erzeugt. Das Leitermaterial besteht beispielsweise aus einem oder zwei oder mehr unter Cu, Au, Ag, Pd, Pt oder dergleichen ausgewählten Elementen, und wenn es zwei oder mehr der Elemente enthält, kann es sich entweder um ein Gemisch, eine Legierung, oder dergleichen handeln.
Wenn eine hohe Kapazität erzeugt wird, wird ferner beispielsweise eine (nachstehend als Bariumtitanatschicht bezeichnete) Schicht aus einem Pulver aus einer anorganischen Substanz mit einer hohen dielektrischen Konstante, wie Bariumtitanat, in dem aus Glaskeramik gefertigten Basiskörper 16 erzeugt. Sie wird in diesem Fall durch anfängliches Erzeugen einer Keramikpulver und Glaspulver enthaltenden Aufschlämmung zur Herstellung mehrerer Rohplatten, anschließendes Aufdrucken einer Metallpaste zur Bildung einer unteren Elektrodenschicht auf der Rohplatte, darauffolgendes Aufdrucken einer dielektrischen Paste aus Bariumtitanat oder dergleichen auf die untere Elektrodenschicht mittels Siebdruck zur Erzeugung einer oberen Elektrodenschicht, Stapeln der Rohplatten und Brennen des Schichtkörpers hergestellt.
Wird ein Widerstand in dem Basiskörper 16 erzeugt, kann er ferner gemäß dem gleichen Verfahren wie der erste Verdrahtungsleiter 20 und der zweite Verdrahtungsleiter 21 mittels eines Verfahrens wie Siebdruck, Gravurdruck oder dergleichen durch Druckaufbringung einer Widerstandspaste, deren Hauptbestandteile RuO₂, IrO₂, RhO₂, SnO₂, LaB₆ und dergleichen sind, in einem spezifizierten Muster auf die Rohplatte erzeugt werden.
Ferner ist es günstig, wenn eine interne Schaltung im Basiskörper 16 der Brennstoffzelle 81 erzeugt wird. Dementsprechend ist es möglich, ein elektrisch mit der internen Schaltung verbundenes elektronisches Teil auf der Oberfläche des Basiskörpers 16 zu montieren. Dadurch kann durch das auf der Oberfläche des Basiskörpers 16 montierte elektronische Teil die Funktionalität der elektronischen Vorrichtung gesteigert werden.
Ferner ist es günstig, wenn ein elektrisch an die interne Schaltung angeschlossenes elektronisches Teil auf der Oberfläche des Basiskörpers 16 der Brennstoffzelle 81 angeordnet wird. Dementsprechend werden durch die Verwendung eines Sensors, einer Steuerungs-IC oder dergleichen als elektronisches Teil und Erfassen der Dichte des Brennstoffs in den Fluidkanälen 18, 19 mittels eines Dichtesensors ein optimaler Umlauf, eine optimale Brennstoffverdünnung und die Unterdrückung einer Abnahme der Nutzungseffizienz des Brennstoffs ermöglicht. Zudem kann durch die Verwendung elektronischer Teile eine Ladeschaltung erzeugt werden, und es wird möglich, die für die elektronische Vorrichtung erforderliche Spannung zu steuern. Ferner wird es durch die Verwendung eines Temperatursensors oder dergleichen möglich, die Temperatur der Membranelektrodenbaugruppe zu verwalten und zu steuern.
Es ist möglich, ein elektrisch an die interne Schaltung angeschlossenes elektronisches Teil auf der Oberfläche des Basiskörpers 16 oder des Deckelkörpers 17 zu montieren. Daher ist es möglich, die Funktionalität der elektronischen Vorrichtung durch das auf der Oberfläche des Basiskörpers 16 montierte elektronische Teil zu steigern.
Dementsprechend werden durch die Verwendung eines Sensors, einer Steuerungs-IC oder dergleichen als elektronisches Teil und die Erfassung der Dichte des Brennstoffs in den Brennstoffkanälen mittels eines Dichtesensors eine optimale Umwälzung und Verdünnung des Brennstoffs sowie das Verhindern einer Abnahme der Nutzungseffizienz des Brennstoffs ermöglicht.
Ferner ist es günstig, wenn zumindest entweder im ersten Fluidkanal 18 oder im zweiten Fluidkanal 19 der Brennstoffzelle 81 piezoelektrische Pumpen, d. h. Mikropumpen, angeordnet sind, für die ein piezoelektrischer Werkstoff, wie Bleizirkonattitanat (PZT; Formel der Zusammensetzung: Pb(Zr, Ti)O₃), verwendet wird. Dementsprechend verhindern die kleinen piezoelektrischen Pumpen einen Rückstrom des Brennstoffs, wodurch eine Verschmutzung unverbrauchten Brennstoffs durch Reaktionsrückstände oder dergleichen und eine Beeinträchtigung des Betriebs der elektronischen Vorrichtung durch Restluft verhindert werden können, da die Restluft abgeführt wird. Im Übrigen wird der Brennstoff konstant zugeführt, wodurch stabil elektrischer Strom erzeugt wird, und die Aktivierungszeit wird verkürzt, da der Brennstoff gleichmäßig zugeführt wird.
Die piezoelektrische Pumpe ist aus einem Zuflussabschnitt, einem Abschnitt mit verstellbarem Volumen und einem Abflussabschnitt aufgebaut. Der Abschnitt mit verstellbarem Volumen kann dann beispielsweise durch Anordnen eines piezoelektrischen Werkstoffs außerhalb des ersten und des zweiten Fluidkanals 18, 19 und unter Ausnutzung der Ausdehnung und Kontraktion des piezoelektrischen Materials in Abhängigkeit von der angelegten Spannung hergestellt werden, und die oberen Bereiche des ersten und des zweiten Fluidkanals 18, 19 können in Schwingungen versetzt werden. Dementsprechend können die Volumen des ersten und des zweiten Fluidkanals 18, 19 verstellt werden, wodurch sie als Pumpen fungieren.
Ferner werden der Zuflussabschnitt und der Abflussabschnitt durch den ersten und den zweite Fluidkanal 18, 19 gebildet, die mit dem Abschnitt mit verstellbarem Volumen verbunden sind und dazu dienen, den Brennstoff in den Abschnitt mit verstellbarem Volumen einströmen und aus ihm heraus strömen zu lassen. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Abflussabschnitts größer als der Durchmesser des Einlassabschnitts. Dementsprechend wird der Druck des Brennstoffs im Abflussabschnitt klein, und wenn ein Betrieb des Abschnitts mit verstellbarem Volumen als Pumpe veranlasst wird, strömt der Brennstoff zum Abflussabschnitt, in dem der Druck gering ist, und es ist möglich, Brennstoff gut in eine bestimmte Richtung zu leiten. Am Zuflussabschnitt und am Abflussabschnitt können Ventile zum Verhindern eines Rückflusses vorgesehen sein, die den Rückfluss von Brennstoff verhindern.
Eine derartige piezoelektrische Pumpe ist aus einem organischen oder anorganischen piezoelektrischen Werkstoff gefertigt und kann durch Verbinden des piezoelektrischen Werkstoffs mit einer keramischen Rohplatte, aus der der Basiskörper 16 oder der Deckelkörper 17 hergestellt wird, nach dem Brennen oder bei der Verwendung eines keramischen, piezoelektrischen Werkstoffs, wie PZT, durch Montieren des keramischen piezoelektrischen Werkstoffs auf einer bestimmten Position einer keramischen Rohplatte und anschließendes gleichzeitiges Brennen hergestellt werden.
Ferner sind die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Brennstoffzelle 81 ausgezeichnet, da außer dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter 20, 21, deren eine Enden innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, nichts unnötig in elektrischen Kontakt mit der Membranelektrodenbaugruppe 13 selbst gelangt.
Auf der Basis des Vorstehenden kann erfindungsgemäß eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden, deren Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit ausgezeichnet sind und die durch die gleichmäßige Zufuhr von Fluiden und hocheffiziente elektrische Anschlüsse für einen langfristigen, stabilen Betrieb geeignet ist.
Konkret ist die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung dann eine mobile elektronische Vorrichtung, wie ein Mobiltelefon, ein PDA (Personal Digital Assistant), eine digitale Kamera, eine Videokamera oder ein Spielzeug, wie ein tragbares Spielgerät, ein elektrisches Haushaltsgerät, wie ein Laptop-PC (Personal Computer), ein tragbarer Drucker, ein Faksimilegerät, ein Fernsehgerät, eine Kommunikationsvorrichtung, ein Audio-/Videosystem, und verschiedene Arten von elektrischen Haushaltsgeräten, wie ein elektrisches Gebläse oder ein tragbares angetriebenes Werkzeug.
In den jüngsten Jahren wurden elektronische Vorrichtungen verwendet, die zusätzlich die Funktion der Anzeige bewegter Bilder haben. Da eine derartige Anzeige bewegter Bilder einen erheblichen Stromverbrauch erfordert, kann eine elektronische Vorrichtung, für die ein herkömmlicher Akkumulator verwendet wird, nach kurzer Zeit nicht mehr betrieben werden, wogegen die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung eine Brennstoffzelle aufweist, die über einen erheblich längeren Zeitraum als Stromquelle genutzt werden kann und daher selbst bei der Anzeige bewegter Bilder über einen langen Zeitraum betrieben werden kann.
Ist die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung beispielsweise ein Mobiltelefon, wie in 24 in Form eines Blockdiagramms dargestellt, umfasst sie eine Zentraleinheit (CPU) 131, einen Steuerabschnitt 132, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 133, einen Festspeicher (ROM) 134, einen Eingabeabschnitt 135, der vom Benutzer eingegebene Daten in die CPU 131 eingibt, eine Antenne 136, einen Funkabschnitt (einen RF-Abschnitt) 137, der ein über die Antenne 136 empfangenes Signal demoduliert und an den Steuerungsabschnitt 132 weiterleitet sowie ein vom Steuerungsabschnitt 132 zugeführtes Signal moduliert und über die Antenne 136 sendet, einen Lautsprecher 138, der auf der Grundlage eines Tonsignals vom Steuerungsabschnitt 132 Geräusche erzeugt, eine Licht emittierende Diode (LED) 139, die entsprechend der Steuerung durch den Steuerungsabschnitt 132 eingeschaltet oder ausgeschaltet wird oder blinkt, einen Anzeigeabschnitt 140, der entsprechend einem Signal vom Steuerungsabschnitt 132 Informationen anzeigt, einem Vibrator 141, der nach Maßgabe eines Antriebssignals von dem Steuerungsabschnitt 132 vibriert, einen Sende- und Empfangsabschnitt 142, der die Stimme des Benutzers in ein Sprachsignal umwandelt und an den Steuerungsabschnitt 132 sendet sowie ein Sprachsignal vom Steuerungsabschnitt 132 in Sprache umwandelt und ausgibt, und einen Stromquellenabschnitt 143, der die Stromquelle für die jeweiligen Abschnitte bildet, wobei die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse in den Stromquellenabschnitt 143 eingebaut sind.
Hierbei weisen die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse eine ausgezeichnete Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit auf und können Brennstoff gleichmäßig zuführen und durch hocheffiziente elektrische Anschlüsse über einen langen Zeitraum als Stromquelle dienen, wodurch eine Miniaturisierung, eine flache Gestaltung und eine Gewichtsverringerung eines Mobiltelefons ermöglicht werden.
Ferner kann unter Berücksichtigung des Umstands, das moderne Mobiltelefone hinreichend miniaturisiert und flach sind, zusätzlich ein elektronisches Teil, das neben der Funktion eines Telefons die Funktion einer Kamera, eines Videogeräts oder dergleichen hat, in dem Raum installiert werden, der durch die vorstehend beschriebene Miniaturisierung und flache Gestaltung der Brennstoffzelle geschaffen wird, wodurch die Multifunktionalität gefördert wird.
Ferner kann anstelle der Neuinstallation eines elektronischen Teils auch ein Stoßdämpfer bzw. ein Schutzelement oder dergleichen zum Schutz einer elektronischen Hauptschaltung vorgesehen sein. In diesem Fall kann auch eine Struktur hergestellt werden, die die Stoßfestigkeit mehr den je verstärken kann, wenn der Hauptkörper eines Mobiltelefons durch einen Sturz oder dergleichen einen Stoß erhält, oder das Merkmal der Wasserfestigkeit bei einer Benutzung im Regen oder dergleichen bietet.
Ferner verringern sich aufgrund der Miniaturisierung des elektrischen Schaltungsabschnitts im Hauptkörper des Mobiltelefons die Einschränkungen hinsichtlich der äußeren Form des Hauptkörpers des Mobiltelefons, und es wird möglich, ein Mobiltelefon mit einer hinsichtlich der Konstruktion ausgezeichneten äußeren Form, beispielsweise einer Form herzustellen, die älteren Menschen und Kindern eine leichte Handhabung gestattet.
Wenn der Aufbau des Stromquellenabschnitts 143 ein Aufbau ist, bei dem die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse, wie vorstehend beschrieben, frei befestigt und abgenommen werden können, sind durch Bereithalten einer zusätzlichen Brennstoffzelle und eines zusätzlichen Brennstoffzellengehäuses ferner leicht ein Ersatz durch die zusätzliche Brennstoffzelle und das zusätzliche Brennstoffzellengehäuse bzw. die Entnahme einer Brennstoffzelle zum Nachfüllen und Ersetzen des Brennstoffs bei einem Ausfallen der Batterie oder dergleichen möglich, wodurch durchgehend telefoniert werden kann und das Telefon hinsichtlich der Zweckmäßigkeit ausgezeichneter als das herkömmliche wird, für das ein Akkumulator als Stromquelle verwendet wird.
Da eine ersetzte (gebrauchte) Brennstoffzelle sofort wieder verwendet werden kann, sowie Brennstoff nachgefüllt wurde, ist sie ferner leichter als ein wieder aufladbarer Typ zu verwenden, und die Ressourcen können effizient genutzt werden. Überdies besteht der Vorteil, dass selbst in einem Notfall, wie einem Stromausfall aufgrund einer Naturkatastrophe, selbst im Freien eine langfristige Verwendung möglich ist.
Ferner wird ein Laptop-PC (Personal Computer), der im Grundaufbau einen Personal-Computer-Hauptkörper, einen ersten Kasten, der eine Tastatur zur Eingabe spezifizierter Daten in den Personal-Computer-Hauptkörper enthält, einen zweiten Kasten, der eine Anzeige zur Anzeige der über die Tastatur eingegebenen Daten oder der vom Personal-Computer-Hauptkörper verarbeiteten Daten umfasst, durch derartiges Befestigen des zweiten Kasten am ersten Kasten, dass er geöffnet und geschlossen werden kann, und Erzeugen eines Stromquellenabschnitts hergestellt, die die Stromquelle für die jeweiligen Abschnitte des ersten Kastens bildet, wobei die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse im Stromquellenabschnitt installiert werden. In diesem Fall sind die in der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung installiere Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse, wie bei dem vorstehend erwähnten Mobiltelefon, hinsichtlich der Kompaktheit, der Zweckmäßigkeit und der Sicherheit ausgezeichnet und können den Brennstoff gleichmäßig zuführen und durch hoch effiziente elektrische Anschlüsse über einen langen Zeitraum als Stromquelle dienen, wodurch eine Miniaturisierung, eine flache Gestaltung und eine Gewichtsverringerung des Hauptkörpers eines Laptop-PC (Personal Computer) sowie seine Multifunktionalität ermöglicht werden und ein hochgradig zweckmäßiger Laptop-PC (Personal Computer) realisiert werden kann, der über einen langen Zeitraum stabil eine große Menge an elektrischem Strom zuführen kann und eine leicht erkennbare Anzeige aufweist und durch den die Last des Gewichts und der Größe aufgrund einer großen und hochauflösenden Anzeige verringert wird.
Wenn der Aufbau des Leistungsabschnitts ein Aufbau ist, bei dem die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse frei befestigt und abgenommen werden können, ergibt sich ferner der Vorteil, dass durch Bereitstellen einer zusätzlichen erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und eines zusätzlichen erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses bei der Verwendung im Freien oder in einer mobilen Einheit, wie einem Flugzeug, mit nur einer sekundären Batterie die Zufuhr von elektrischem Strom über einen dramatisch längeren Zeitraum als je zuvor möglich wird. Überdies ist sie bei der Verwendung in öffentlichen Räumen hinsichtlich der Zweckmäßigkeit herausragend ausgezeichnet und kann ohne Einschränkungen benutzt werden, da ihre Sicherheit ausgezeichnet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb des Rahmens der Erfindung auf unterschiedliche Weise verändert werden. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird beispielsweise eine DMFC, bei der Methanol als Brennstoff verwendet wird, als Brennstoffzelle verwendet. Es können jedoch auch Brennstoffzellen verwendet werden, für die verschiedene Arten von Flüssigkeiten einschließlich Dimethyläther als Brennstoff verwendet werden. Es kann auch eine PEFC verwendet werden, d. h. eine Brennstoffzelle, bei der unter Verwendung einer kompakten Reformiervorrichtung aus Methanol gewonnener Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.
25 ist eine Schnittansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend erwähnten Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In 25 bezeichnen das Bezugszeichen 151 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 152 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 153 einen ersten Verbindungsleiter, das Bezugszeichen 154 einen dritten Verbindungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 155 einen vierten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 156 einen zweiten Verbindungsleiter und das Bezugszeichen 157 einen externen Verbindungsanschluss.
Der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 sind vorzugsweise aus gesintertem Aluminiumoxid mit einem dicht gepackten Gefüge gefertigt, dessen relative Dichte beispielsweise 95% oder mehr beträgt. In diesem Fall werden bei gesintertem Aluminiumoxid zunächst Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel mit Aluminiumoxidpulver gemischt, und ein Pulvermaterial aus gesintertem Aluminiumoxid wird hergestellt. Als Zweites werden ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmedium hinzugefügt und mit dem pulverförmigen Werkstoff aus Aluminiumoxidsinter gemischt, um eine Paste zu erzeugen, und mittels eines Streichmesserverfahrens oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels zu den pulverförmigen Werkstoffen und Ausführen eines Druckgusses, eines Walzformens oder dergleichen wird aus der Paste eine Rohplatte mit einer vorgegebenen Dicke hergestellt. Dann werden durch Stanzen mit einem Stempel, einen Mikrobohrer, einen Laser oder dergleichen als erste Fluidkanäle 18 und zweite Fluidkanäle 19 dienende Durchgangsbohrungen und Durchgangsbohrungen zum Anordnen der ersten Verbindungsleiter 154 und der zweiten Verbindungsleiter 156 in der Rohplatte erzeugt. Die ersten Fluidkanäle 18 und die zweiten Fluidkanäle 19 können durch Stanzen mit einem Stempel, Druckformen oder dergleichen erzeugte Rillen sein, die auf der Oberflächenschicht und in einer internen Schicht angeordnet sind.
Bei der Verwendung von gesintertem Aluminiumoxid als Keramikwerkstoff sind die ersten Verdrahtungsleiter 20, die zweiten Verdrahtungsleiter 21, die dritten Verdrahtungsleiter 153, die vierten Verdrahtungsleiter 155, die ersten Verbindungsleiter 154 und die zweiten Verbindungsleiter 156 vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän gefertigt, damit sie nicht oxidieren. In diesem Fall wird beispielsweise eine durch Hinzufügen von 3 bis 20 Masseteilen Al₂O₃ und 0,5 bis 5 Masseteilen Nb₂O₅ zu 100 Masseteilen Wolfram und/oder Molybdän erzeugte Leiterpaste hergestellt. Durch Druckaufbringung der Leiterpaste mittels eines Siebdruckverfahrens, eines Gravurdruckverfahrens oder dergleichen in einem vorgegebenen Muster auf die Oberfläche der Rohplatte oder Füllen der Durchgangsbohrungen können die ersten Verdrahtungsleiter 20, die zweiten Verdrahtungsleiter 21, die dritten Verdrahtungsleiter 153, die vierten Verdrahtungsleiter 155, die ersten Verbindungsleiter 154 und die zweiten Verbindungsleiter 156 erzeugt werden.
Ferner weisen die ersten Verdrahtungsleiter 20, die zweiten Verdrahtungsleiter 21, die dritten Verdrahtungsleiter 153, die vierten Verdrahtungsleiter 155, die ersten Verbindungsleiter 154 und die zweiten Verbindungsleiter 156 unter dem Gesichtspunkt der effizienten Entnahme der in der Membranelektrodenbaugruppe 13 elektrochemisch erzeugten Elektrizität nach außen vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 mΩcm oder weniger auf. Derartige Materialien sind Wolfram, ein Metall auf Wolframbasis, Silber, ein Metall auf Silberbasis, Kupfer, ein Metall auf Kupferbasis, Gold, ein Metall auf Goldbasis oder dergleichen.
Ferner ist es günstig, wenn die Volumen sämtlicher Leiter einschließlich der ersten Verdrahtungsleiter 20, der zweiten Verdrahtungsleiter 21, der dritten Verdrahtungsleiter 153, der vierten Verdrahtungsleiter 155, der ersten Verbindungsleiter 154 und der zweiten Verbindungsleiter 156 0,5% oder mehr des Volumens des Brennstoffzellengehäuses 152 ausmachen. Dementsprechend wird der Widerstand der im Brennstoffzellengehäuse 152 ausgebildeten Leiter klein, und die in der Membranelektrodenbaugruppe 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität kann effizient nach außen geleitet werden.
Zu der Leiterpaste kann zum Zwecke der Steigerung einer engen Haftung des Basiskörpers 16 und des Deckelkörpers 17 an der Keramik in einem Verhältnis von 0,05 bis 2 Volumen-% Aluminiumoxidpulver oder Pulver aus dem gleichen Verbundstoff mit einer Keramikkomponente hinzugefügt werden, aus der der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 ausgebildet sind.
Dann können durch Ausrichten und Paketbördeln einer bestimmten Anzahl plattenartiger Formen mit der aufgedruckten und eingefüllten Leiterpaste und anschließendes Brennen dieses Schichtkörpers beispielsweise in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei der maximalen Brenntemperatur von 1200–1500°C der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 und die die ersten Verdrahtungsleiter 20, die zweiten Verdrahtungsleiter 21, die dritten Verdrahtungsleiter 153, die vierten Verdrahtungsleiter 155, die ersten Verbindungsleiter 154 und die zweiten Verbindungsleiter 156 wunschgemäß erzeugt werden.
Ferner sind die ersten Verdrahtungsleiter 20 in den auf der Unterseite als der Seite der in Bezug auf die ersten Verdrahtungsleiter 20 anderen Oberfläche angeordneten Bereichen des Basiskörpers 16 über die zwischen den ersten Fluidkanälen 18 des Basiskörpers 16 ausgebildeten ersten Verbindungsleiter 154 mit den parallel zu den ersten Verdrahtungsleitern 20 ausgebildeten dritten Verdrahtungsleitern 153 verbunden, dementsprechend kann der Widerstand der mit der ersten Elektrode 14 verbundenen Verdrahtungsleiter sehr klein gehalten werden, und es ist möglich, die elektrische Verlustleistung extrem gering zu halten. Vorzugsweise weist der erste Verbindungsleiter 154 einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr auf.
Ferner sind die zweiten Verdrahtungsleiter 21 in auf der Oberseite als der Seite der in Bezug auf die zweiten Verdrahtungsleiter 21 anderen Oberfläche angeordneten Bereichen des Deckelkörpers 17 über die zwischen den zweiten Fluidkanälen 19 des Deckelkörpers 17 ausgebildeten zweiten Verbindungsleiter 156 mit den parallel zu den zweiten Verdrahtungsleitern 21 ausgebildeten vierten Verdrahtungsleitern 155 verbunden, dementsprechend kann der Widerstand der mit der zweiten Elektrode 15 verbundenen Verdrahtungsleiter sehr klein gehalten werden, und die elektrische Verlustleistung kann extrem gering gehalten werden. Vorzugsweise weist der zweite Verbindungsleiter 156 einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr auf.
Durch Beschichten der freiliegenden Oberfläche der ersten Verdrahtungsleiter 20, der zweiten Verdrahtungsleiter 21, der dritten Verdrahtungsleiter 153, der vierten Verdrahtungsleiter 155 und des externen Verbindungsanschlusses 157 mit einem Metall, wie Nickel, Kupfer, Gold, Platin und Palladium, die eine gute Leitfähigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit und Benetzbarkeit mit Hartlot aufweisen, kann ein guter elektrischer Anschluss zwischen den Leitern und einer Hauptplatine oder dergleichen hergestellt werden, die eine elektronische Schaltung ist, die als Hauptteil der elektronischen Vorrichtung dient.
Als nächstes wird auf der Grundlage von 26 eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Da der Aufbau der Brennstoffzelle 151a mit Ausnahme der ersten Verbindungsleiter 154a und der zweiten Verbindungsleiter 156a mit dem der Brennstoffzelle übereinstimmt, wird auf seine genaue Beschreibung verzichtet.
Die ersten Verdrahtungsleiter 20 sind in Bezug auf die ersten Verdrahtungsleiter 20 auf der unteren Seite angeordneten Bereichen des Basiskörpers 16 über die auf den inneren Umfangsflächen der ersten Fluidkanäle 18 des Basiskörpers 16 ausgebildeten ersten Verbindungsleiter 154a mit den parallel zu den ersten Verdrahtungsleitern 20 ausgebildeten dritten Verdrahtungsleitern 153 verbunden, wodurch der Widerstand der mit der ersten Elektrode 14 verbundenen Verdrahtungsleiter sehr klein und die elektrische Verlustleistung extrem gering gehalten werden können. Vorzugsweise betragen die Durchmesser Φ der ersten Verbindungsleiter 154a 50 μm oder mehr.
Ferner sind die zweiten Verdrahtungsleiter 21 in Bezug auf die zweiten Verdrahtungsleiter 21 auf der oberen Seite angeordneten Bereichen des Deckelkörpers 17 über die auf der inneren Umfangsfläche der zweiten Fluidkanäle 19 des Deckelkörpers 17 ausgebildeten zweiten Verbindungsleiter 156a mit den parallel zu den zweiten Verdrahtungsleitern 21 ausgebildeten vierten Verdrahtungsleitern 155 verbunden, wodurch der Widerstand der mit der zweiten Elektrode 15 verbundenen Verdrahtungsleiter sehr gering und die elektrische Verlustleistung extrem klein gehalten werden können. Vorzugsweise weisen die zweiten Verdrahtungsleiter 156a Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr auf.
Zum effektiven Verhindern einer Korrosion aufgrund des in den ersten und zweiten Fluidkanälen 18, 19 strömenden Brennstoffs ist es günstig, wenn die Oberflächen der ersten und zweiten Verbindungsleiter 154a, 156a durch Galvanisieren, Dampfabscheidung oder dergleichen mit einem Metall, wie Gold oder Platin, beschichtet werden, das eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Die elektronische Vorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle als Stromquelle stimmt hinsichtlich ihres Aufbaus mit der vorstehend beschriebenen überein, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
Die 27 und 28 sind Schnittansichten, die jeweils ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen. In diesen Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 161 und 181 eine Brennstoffzelle, 162 und 182 ein Brennstoffzellengehäuse, 163 und 183 eine Membranelektrodenbaugruppe, 164 und 184 eine erste Elektrode, 165 und 185 eine zweite Elektrode, 166 und 186 einen Basiskörper, 167 und 187 einen Deckelkörper, 168 und 188 einen ersten Fluidkanal, 169 und 189 einen zweiten Fluidkanal, 170 und 190 einen ersten Verdrahtungsleiter, 171 und 191 einen zweiten Verdrahtungsleiter, 172 und 192 einen Anordnungsabschnitt, 173 einen Auflageabschnitt und 174 und 194 einen überstehenden Abschnitt.
Auf der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 sind beispielsweise auf den beiden Hauptoberflächen einer Ionenleitermembran (einer Austauschmembran) in Form eines plattenförmigen Festelektrolyts eine (in der Zeichnung nicht dargestellte) Brennstoffelektrode, die zur Anode wird, und eine (in der Zeichnung nicht dargestellte) Luftelektrode, die zur Kathode wird, einstückig so ausgebildet, dass sie jeweils der auf der unteren Hauptoberfläche ausgebildeten ersten Elektrode 164, 184 und der auf der oberen Hauptoberfläche ausgebildeten zweiten Elektrode 165, 185 gegenüberliegen. Dann kann in der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 erzeugter elektrischer Strom zur ersten Elektrode 164, 184 und zur zweiten Elektrode 165, 185 fließen und nach außen geleitet werden.
Eine derartige Ionenleitermembran (Austauschmembran) der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 besteht aus einer protonenleitenden Ionenaustauschmembran, wie einem Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz, beispielsweise Nafion (der Produktname eines von DuPont hergestellten Erzeugnisses). Überdies sind die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode poröse Gasdiffusionselektroden, die die Funktionen sowohl einer porösen Katalysatorschicht als auch einer Gasdiffusionsschicht hat. Die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode bestehen aus einem porösen Werkstoff, der mit einem hydrophoben Harzbindemittel, wie Polytetrafluorethylen, feine, leitfähige Partikel, beispielsweise feine Kohlenstoffpartikel hält, die einen Katalysator, wie Platin, Palladium oder eine Legierung dieser, tragen.
Die erste Elektrode 164, 184 und die zweite Elektrode 165, 185 auf der unteren Hauptoberfläche und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 werden durch ein Verfahren zum Warmpressen einer Kohlenstoffelektrode, auf der feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium, angeordnet sind, auf die Membranelektrodenbaugruppe 163, 183, ein Verfahren zum Aufbringen oder Übertragen eines Gemischs aus einem Kohlenstoffelektrodenmaterial, auf dem feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium, angeordnet sind, und einer Lösung, in der ein Elektrolytmaterial gelöst ist, auf eine Elektrode oder dergleichen erzeugt.
Diesmal sind nicht die erste und die zweite Elektrode 164, 184 und 165, 185, sondern der überstehende Abschnitt 174, 194 an der Außenkante des Elektrolyts ausgebildet.
Das in 27 gezeigte, erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse 162 umfasst den Basiskörper 166 mit einer ersten Ausnehmung und den Deckelkörper 167 mit einer zweiten Ausnehmung und hat die Funktion, die Membranelektrodenbaugruppe 163 in die erste und die zweite Ausnehmung aufzunehmen und hermetisch abzudichten. Das in 28 gezeigte, erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse 182 umfasst den Basiskörper 186 mit einer Ausnehmung und den Deckelkörper 187 und hat die Funktion, die Membranelektrodenbaugruppe 183 in der Ausnehmung aufzunehmen und hermetisch abzudichten. Das Brennstoffzellengehäuse 162, 182 ist aus einem Keramikwerkstoff, wie gesintertem Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertem Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertem Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Aluminiumnitrid (AlN), gesintertem Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik, hergestellt.
Die gesinterte Glaskeramik wird beispielsweise aus einer Glaskomponente und einem Füllmittel hergestellt. Diese Bestandteile stimmen mit denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform überein, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
Da das Brennstoffzellengehäuse 162, 182 den Basiskörper 166 mit der ersten Ausnehmung oder den Basiskörper 186 mit der Ausnehmung und den Deckelkörper 167 mit der zweiten Ausnehmung oder den Deckelkörper 187 umfasst und die Ausnehmung durch derartiges Montieren des Deckelkörpers 167, 187 um die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186, dass er die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung bedeckt, hermetisch abgedichtet wird, wird der Deckelkörper 167, 187 durch Verbinden mit einem Metallverbindungsmaterial, wie Lot oder Silberhartlotfüllmittel, durch Verbinden mit einem Harzmaterial, wie Epoxid, oder durch ein Verfahren auf dem Basiskörper 166, 186 montiert, bei dem ein Dichtungsmittel oder dergleichen aus einer Eisenlegierung oder dergleichen um die erste Ausnehmung bzw. die Ausnehmung mit der oberen Oberfläche verbunden wird und ein Schweißen durch Nahtschweißen, einen Elektronenstrahl, einen Laser oder dergleichen erfolgt.
Der Basiskörper 166, 186 und der Deckelkörper 167, 187 werden jeweils dünn gefertigt, und um die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 161, 181 flach halten zu können, beträgt die Biegefestigkeit als mechanische Festigkeit vorzugsweise 200 MPa oder mehr.
Der Basiskörper 166, 186 und der Deckelkörper 167, 187 sind vorzugsweise aus gesintertem Aluminiumoxid in Form eines dicht gepackten Werkstoffs gefertigt, dessen relative Dichte beispielsweise 95% oder mehr beträgt. In diesem Fall werden beispielsweise Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel zu dem Aluminiumoxidpulver hinzugefügt und mit diesem gemischt, und ein pulverförmiger Werkstoff aus gesintertem Aluminiumoxid wird erzeugt. Zweitens werden ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmedium zu dem pulverförmigen Werkstoff aus Aluminiumoxidsinter hinzugefügt, um eine Paste zu erzeugten, und durch ein Streichmesserverfahren oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels zu dem pulverförmigen Material und Ausführen eines Druckformens, eines Walzformens oder dergleichen wird eine Rohplatte mit einer bestimmten Dicke aus der Paste hergestellt. Dann werden durch Stanzen mit einem Stempel, einen Mikrobohrer, einen Laser oder dergleichen erste Durchgangsbohrungen, die die ersten Fluidkanäle 168, 188 und die zweiten Fluidkanäle 169, 189 bilden, und Durchgangsbohrungen zum Anordnen der ersten Verdrahtungsleiter 170, 190 und der zweiten Verdrahtungsleiter 171, 191 in der Rohplatte erzeugt.
Die ersten und die zweiten Verdrahtungsleiter 170, 190 und 171, 191 bestehen vorzugsweise aus Wolfram, Molybdän oder einer Legierung dieser, um eine Oxidation zu verhindern. In diesem Fall wird die Leiterpaste beispielsweise durch Hinzufügen von 3 bis 20 Masseteilen Al₂O₃ und 0,5 bis 5 Masseteilen Nb₂O₅ zu 100 Masseteilen als anorganische Komponente dienendem Wolfram- oder Molybdänpulver hergestellt. Die Leiterpaste wird in die in die Rohplatte gebohrte Durchgangsbohrung gefüllt, wodurch eine Durchgangsbohrung erzeugt wird, die als Durchgangsleiter fungiert.
Zu der Leiterpaste kann zum Zwecke der Steigerung einer dichten Haftung des Basiskörpers 166, 186 und des Deckelkörpers 167, 187 an der Keramik beispielsweise im Verhältnis von 0,05 bis 2 Volumen-% Aluminiumoxidpulver oder Pulver aus dem gleichen Verbundstoff mit der den Basiskörper 166, 186 und den Deckelkörper 167, 187 bildenden Keramikkomponente hinzugefügt werden.
Die ersten und die zweiten Verdrahtungsleiter 170, 190 und 171, 191 werden vor, nach oder gleichzeitig mit der durch Füllen der Leiterpaste in die Durchgangsbohrung ausgeführten Erzeugung des Durchgangsleiters in den äußeren und inneren Schichten des Basiskörpers 166, 167 und des Deckelkörpers 167, 187 erzeugt. Die Herstellung der Verdrahtungsleiter erfolgt durch Druckbeschichtung des Rohblechs mit einer ähnlichen Leiterpaste in einem vorgegebenen Muster gemäß einem Siebdruckverfahren, einem Gravurdruckverfahren oder einem ähnlichen Verfahren.
Anschließend wird eine vorgegebene Anzahl von plattenförmigen, geformten Körpern, die die aufgedruckte, eingefüllte Leiterpaste tragen, einer Positionsausrichtung unterzogen, worauf sie unter Druck aufeinandergestapelt werden. Der gestapelte Körper wird dann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer hohen Temperatur von ca. 1200 bis 1500°C gebrannt. Dadurch werden die gewünschten keramischen Basiskörper 166, 186 und Deckelkörper 167, 187 sowie die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 170, 190 und 171, 191 hergestellt.
Ferner weisen der Basiskörper 166, 186 und der Deckelkörper 167, 187, die aus Keramik gefertigt sind, vorzugsweise eine Dicke von 0,2 mm oder mehr auf. Beträgt die Dicke weniger als 0,2 mm, besteht die Tendenz, dass der Basiskörper 166, 186 und der Deckelkörper 167, 187 aufgrund von bei der Montage des Basiskörpers 166, 186 und des Deckelkörpers 167, 187 verursachten Spannungen leicht Risse entwickeln, da die Festigkeit mit hoher Wahrscheinlichkeit zu gering wird. Bei einer Dicke von mehr als 5 mm sind sie andererseits zur Verwendung als in einem kleinen, mobilen Gerät montierte Brennstoffzelle ungeeignet, da eine Verschmälerung und eine flache Gestaltung schwierig sind, und da die Wärmekapazität groß ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass es schwierig wird, sofort die geeignete Temperatur einzustellen, die den Bedingungen für eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 entspricht.
Bei dem in 27 gezeigten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 162 erhält die erste Ausnehmung des Basiskörpers 166 eine doppelte Struktur, wogegen die zweite Ausnehmung des Deckelkörpers 167 eine Einzelstruktur aufweist. Alternativ kann die erste Ausnehmung des Basiskörpers 166 eine Einzelstruktur erhalten, und die zweite Ausnehmung des Deckelkörpers 167 kann eine doppelte Struktur aufweisen.
Bei der in 28 gezeigten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 182 erhält die Ausnehmung des Basiskörpers 186 eine sogenannte doppelte Struktur, wogegen die Ausnehmung des Deckelkörpers 187 eine Einzelstruktur erhält. Die Konfigurationen können jedoch wie folgt verändert werden, um die Herstellung der Basis- und Deckelkörper 186', 186'' und 187', 187'' zu vereinfachen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in 29 analog zu 28 im Schnitt gezeigt ist, erhalten sowohl die Ausnehmung des Basiskörpers 186' als auch die Ausnehmung des Deckelkörpers 187' eine Einzelstruktur. Überdies erhält die Ausnehmung des Basiskörpers 186'' bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die analog zu 28 in 30 im Schnitt gezeigt ist, wogegen der Deckelkörper 187'' eine flache Struktur ohne Ausnehmung aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass in den 29 und 30 die Komponenten, die die gleiche oder eine entsprechende Rolle spielen, wie in 28, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Genauer bezeichnen die Bezugszeichen 181' und 181'' eine Brennstoffzelle, 182' und 182'' ein Brennstoffzellengehäuse, 183 eine Membranelektrodenbaugruppe, 184 eine erste Elektrode, 185 eine zweite Elektrode, 186' und 186'' einen Basiskörper, 187' und 187'' einen Deckelkörper, 188 einen ersten Fluidkanal, 189 einen zweiten Fluidkanal, 190 einen ersten Verdrahtungsleiter, 191 einen zweiten Verdrahtungsleiter, 192 einen Anordnungsabschnitt und 194 einen überstehenden Abschnitt.
Der erste Verdrahtungsleiter 170, 190 und der zweite Verdrahtungsleiter 171, 191 sind jeweils so mit der ersten Elektrode 164, 184 und der zweiten Elektrode 165, 185 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 verbunden, dass sie als stromführende Kanäle zur Extraktion von in der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 erzeugtem Strom aus dem Brennstoffzellengehäuse 162, 182 fungieren. Es wird darauf hingewiesen, dass auf eine Nennung der Bezugszeichen verzichtet wird, obwohl die nachstehende Erläuterung für ein weiteres, erfindungsgemäßes, in den 29 und 30 gezeigtes Beispiel des Brennstoffzellengehäuses und der Brennstoffzelle gilt, für die dieses verwendet wird.
Das eine Ende des ersten Verdrahtungsleiters 170, 190 ist in dem Teil der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 angeordnet, der der ersten Elektrode 164, 184 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 gegenüberliegt, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 166, 186 hinaus. Wie vorstehend beschrieben, ist der erste Verdrahtungsleiter 170, 190 vorzugsweise einstückig mit dem Basiskörper 166, 186 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186. Dies ermöglicht die leichte Herstellung eines Kontakts zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 170, 190 und der ersten Elektrode 164, 184. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 170, 190 kann realisiert werden, indem die Druckbedingungen so eingestellt werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsverfahren mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere erste Verdrahtungsleiter 170, 190 gegenüber der ersten Elektrode 164, 184 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im ersten Verdrahtungsleiter 170, 190 zu verringern. Der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 170, 190, der den Basiskörper 166, 186 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Das eine Ende des zweiten Verdrahtungsleiters 171, 191 ist in dem Teil der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 angeordnet, der der zweiten Elektrode 165, 185 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 gegenüberliegt, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 hinaus. Wie der erste Verdrahtungsleiter 170, 190, ist der zweite Verdrahtungsleiter 171, 191 vorzugsweise einstückig mit dem Deckelkörper 167, 187 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der im Deckelkörper 167, 187 vorgesehenen Ausnehmung. Dies ermöglicht die leichte Herstellung eines Kontakts zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 171, 191 und der zweiten Elektrode 165, 185. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 171, 191 kann realisiert werden, indem die Druckbedingungen so eingestellt werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsverfahren mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere zweite Verdrahtungsleiter 171, 191 gegenüber der zweiten Elektrode 165, 185 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im zweiten Verdrahtungsleiter 171, 191 zu verringern. Der Teil des zweiten Verdrahtungsleiters 171, 191, der den Deckelkörper 167, 187 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise sind die freiliegenden Oberflächen des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters 170, 190 und 171, 191 jeweils mit einem hoch leitfähigen Metallwerkstoff, wie Nickel oder Gold, beschichtet, der hoch korrosionsbeständig ist und bei der Verwendung eines Galvanisierungsverfahrens in Bezug auf ein Hartlotfüllmaterial eine ausgezeichnete Benetzbarkeit aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter 170, 190 und 171, 191 sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter 170, 190 und 171, 191 und einer externen elektrischen Schaltung.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 170, 190 und 171, 191 können jeweils durch ein greifendes Einsetzen der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 zwischen dem Basiskörper 166, 186 und dem Deckelkörper 167, 187 elektrisch mit der ersten und der zweiten Elektrode 164, 184 und 165, 185 verbunden werden. Dadurch werden der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 170, 190 und 171, 191 jeweils mit der ersten und der zweiten Elektrode 164, 184 und 165, 185 in Druckkontakt gebracht.
Auf der der ersten Elektrode 164, 184 gegenüberliegenden unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 und auf der der zweiten Elektrode 165, 185 gegenüberliegenden unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 sind jeweils der erste Fluidkanal 168, 188 und der zweite Fluidkanal 169, 189 ausgebildet. Der erste Fluidkanal 168, 188 erstreckt sich zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 166, 186, wogegen sich der zweite Fluidkanal 169, 189 zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 erstreckt. Der erste und der zweite Fluidkanal 168, 188 und 169, 189 werden durch in den Basiskörper 166, 186 und den Deckelkörper 167, 187 gebohrte Durchgangsbohrungen oder Rillen gebildet. Der erste und der zweite Fluidkanal 168, 188 und 169, 189 dienen jeweils als Kanäle für der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 zuzuführendes Fluid, wie Brennstoffgas, beispielsweise wasserstoffreiches Reformgas, oder Oxidationsgas, beispielsweise Luft, und daneben als Kanäle für nach Reaktionen aus der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 abzugebendes Fluid, wie durch Reaktionen erzeugtes Wasser.
Hinsichtlich der in den Basiskörper 166, 186 und den Deckelkörper 167, 187 gebohrten, als erster und zweiter Fluidkanal 168, 188 und 169, 189 dienenden Durchgangsbohrungen bzw. Rillen werden die Durchmesser und die Anzahl der Durchgangsbohrungen bzw. die Breite, Tiefe und Anordnung der Rillen entsprechend den Spezifikationen der Brennstoffzelle 161, 181 so bestimmt, dass der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 ein Fluid, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig zugeführt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 162, 182 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 161, 181 sollten der erste und der zweite Fluidkanal 168, 188 und 169, 189 vorzugsweise eine Bohrungsdurchmesser Φ von 0,1 mm oder mehr aufweisen und gleichmäßig beabstandet sein. Dies ermöglicht ein Strömen des Fluids unter gleichmäßigem Druck in die Membranelektrodenbaugruppe 163, 183.
Auf diese Weise ist der erste Fluidkanal 168, 188 gegenüber der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 mit der ersten Elektrode 164, 184 angeordnet, während der zweite Fluidkanal 169, 189 gegenüber der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 mit der zweiten Elektrode 165, 185 angeordnet ist. Durch diesen Aufbau kann Fluid zwischen der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal 168, 188 und 169, 189 ausgetauscht werden, wodurch über den jeweiligen Fluidkanal Fluid zugeführt und abgegeben werden kann. Überdies können bei der Zufuhr von Gas als Fluid eine Abnahme des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode 164, 184 und 165, 185 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 zugeführten Gases verhindert und damit eine vorgegebene, stabile Ausgangsspannung erzielt werden. Da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert wird, wird ferner der Innendruck in der Brennstoffzelle 161, 181 gleichmäßig gehalten. Dadurch können thermische Spannungen unterdrückt werden, die in der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 auftreten, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 161, 181 führt.
In dem in 27 gezeigten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 162 ist die Membranelektrodenbaugruppe 163 untergebracht, wobei ihr überstehender Abschnitt 174 greifend zwischen dem am äußeren Rand der ersten Ausnehmung in der oberen Oberfläche des Basiskörpers 166 ausgebildeten Anordnungsabschnitt 172 und dem am äußeren Rand der zweiten Ausnehmung in der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167 ausgebildeten Auflageabschnitt 173 angeordnet ist. Daher sind der erste und der zweite Fluidkanal 168 und 169 durch die Membranelektrodenbaugruppe 163 voneinander isoliert. Dies hilft, eine Vermischung von zwei verschiedenen fluiden Substanzen (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol) zu verhindern, und daher tritt nie der Fall ein, dass die Brennstoffzelle nicht ordnungsgemäß funktioniert und das sich brennbare fluide Substanzen entzünden und explodieren, weil sie sich bei hohen Temperaturen vermischen. Dadurch kann die Sicherheit der Brennstoffzelle sichergestellt werden. Da der überstehende Abschnitt 174 der Membranelektrodenbaugruppe 163 greifend zwischen dem Anordnungsabschnitt 172 des Basiskörpers 166 und dem Auflageabschnitt 173 des Deckelkörpers 167 angeordnet ist, kann die Membranelektrodenbaugruppe 163 überdies leicht sicher in dem Brennstoffzellengehäuse 162 untergebracht werden.
Um sicherzustellen, dass die Membranelektrodenbaugruppe 163 am Brennstoffzellengehäuse 162 befestigt ist und eine hermetische Abdichtung zwischen dem ersten Fluidkanal 168 und dem zweiten Fluidkanal 169 realisiert wird, sollte der Abstand zwischen dem Anordnungsabschnitt 172 und dem Auflageabschnitt 173 vorzugsweise gleich oder kleiner als die Dicke des überstehenden Abschnitts 174 der Membranelektrodenbaugruppe 163 gehalten werden. Überdies sollten die Abmessungen der Öffnung der ersten Ausnehmung vorzugsweise im Wesentlichen mit den Außenabmessungen der Membranelektrodenbaugruppe 163 übereinstimmen. Dies hilft, die Positionseinstellung der Membranelektrodenbaugruppe 163 in Bezug auf den Basiskörper 166 beim Zusammenbau zu vereinfachen. Ferner sollte zur Verbesserung der hermetischen Abdichtung zwischen dem ersten Fluidkanal 168 und dem zweiten Fluidkanal 169 vorzugsweise ein Dichtungsmaterial zwischen dem überstehenden Abschnitt 174 und zumindest entweder dem Anordnungsabschnitt 172 oder dem Auflageabschnitt 173 angeordnet sein. In diesem Fall ist hinsichtlich einer zuverlässigeren Befestigung der Membranelektrodenbaugruppe 163 ein Klebstoffdichtungsmaterial besonders wünschenswert.
In dem in 28 gezeigten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 182 ist die Membranelektrodenbaugruppe 183 auf dem am äußeren Rand der Ausnehmung in der unteren Oberfläche des Basiskörper 186 ausgebildeten Anordnungsabschnitt 192 angeordnet. Daher sind der erste und der zweite Fluidkanal 188 und 189 durch die Membranelektrodenbaugruppe 183 voneinander isoliert. Dies hilft, eine Vermischung von zwei unterschiedlichen fluiden Substanzen (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol) zu verhindern, und daher tritt nie der Fall ein, dass die Brennstoffzelle nicht ordnungsgemäß funktioniert und dass sich brennbare fluide Substanzen entzünden und explodieren, weil sie sich bei einer hohen Temperatur vermischen. Dadurch kann die Sicherheit der Brennstoffzelle sichergestellt werden. Da überdies nicht die Notwendigkeit besteht, die Tiefe der Ausnehmung an die Dicke des dünnen, überstehenden Abschnitts 194 der Membranelektrodenbaugruppe 183 anzupassen, kann der Basiskörper 186 leicht hergestellt werden.
Bei der Anordnung der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 auf dem Anordnungsabschnitt 172, 192 ist eine Anordnung über einen dazwischen angeordneten Klebstoff mit Dichtungsmerkmalen günstig, da die Befestigung der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 und die hermetische Abdichtung zwischen den ersten Fluidkanälen 168, 188 und den zweiten Fluidkanälen 169, 189 sichergestellt werden. Ein derartiger Klebstoff ist ein Kautschuk- oder Harzmaterial auf Fluorharzbasis, Siliciumbasis, Ethylenpropylenbasis, Polyurethanbasis, Polysulfidbasis, Butylkautschukbasis, Acrylbasis, Epoxidbasis oder dergleichen.
Durch den bisher beschriebenen Aufbau können erfindungsgemäß die in den 27 und 28 gezeigten, kompakten, robusten Brennstoffzellengehäuse 162, 182, in denen die Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 untergebracht werden kann, sowie die Brennstoffzellen 161, 181 geschaffen werden, die eine hocheffiziente Steuerung ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sein muss und daher verschiedene Veränderungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Geist oder Rahmen der Erfindung abzuweichen. Der erste und der zweite Fluidkanal können alternativ beispielsweise hergestellt werden, indem ein Einlass auf der Seitenfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers erzeugt wird. In diesem Fall wird die Brennstoffzelle insgesamt schmaler, und die verkleinerte Brennstoffzelle kann effizient für eine tragbare elektronische Vorrichtung verwendet werden. Überdies können die anderen Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters statt zu deren äußeren Oberflächen jeweils zu einer gemeinsamen Seitenfläche des Basiskörpers und des Deckelkörpers hinaus führen. In diesem Fall können die Verdrahtungsleitungen und die Kanäle auf nur einer Seite der Brennstoffzelle zusammengefasst werden. Dies hilft, die Miniaturisierung und den Schutz der extern angeschlossenen Teile zu vereinfachen. Daher kann eine hoch zuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Ferner sind mehrere Membranelektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Basiskörpers untergebracht, und diese Membranelektrodenbaugruppen können über den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander verbunden sein. In diesem Fall können insgesamt ein hoher Spannungs- bzw. ein hoher Stromausgang realisiert werden.
31 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 31 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder der ersten Ausnehmungen des Basiskörpers 166' mit mehreren ersten Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 163 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 175 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden ersten Ausnehmungen erstreckt. Dadurch sind die jeweiligen ersten Elektroden 164 sowie die ersten und zweiten Elektroden 164 und 165 der Membranelektrodenbaugruppen 163 elektrisch miteinander verbunden. Zum Erhalt des Gesamtausgangs über die an den entgegengesetzten Enden der Konstruktion angeordneten Membranelektrodenbaugruppen 163 sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 170 und 171 jeweils elektrisch mit ihnen verbunden. Da die ersten bis dritten Verdrahtungsleiter 170, 171 und 175 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können in diesem Fall mehrere Membranelektrodenbaugruppen 163 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht eine effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch wird die Brennstoffzelle 161' realisiert, bei der die in den Membranelektrodenbaugruppen 163 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen extrahiert werden kann. Der in 31 gezeigte Aufbau kann für das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle verwendet werden, die in den 28, 29 und 30 gezeigt sind. Es wird darauf hingewiesen, dass in 31 die Komponenten, die die gleiche oder übereinstimmende Rollen wie in 27 spielen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Genauer bezeichnen das Bezugszeichen 161' eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 162' ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 163 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 164 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 165 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 166' einen Basiskörper, das Bezugszeichen 167' einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 168 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 169 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 170 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 171 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 172 einen Anordnungsabschnitt, das Bezugszeichen 174 einen überstehenden Abschnitt und das Bezugszeichen 175 einen dritten Verdrahtungsleiter.
Bei der in 27 gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann, wie bei der in 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, ein Heizelement zum Heizen der unteren oder der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 163 am Umfang zumindest entweder der auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals 168 oder der auf der unteren Oberfläche der zweiten Ausnehmung angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals 169 ausgebildet sein. Zudem kann, wie bei der in 11 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, zumindest entweder die Innenfläche des ersten Fluidkanals 168 oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals 169 mit einem hygroskopischen Element beschichtet sein. Ferner kann zumindest entweder auf dem auf der Unterseite der ersten Ausnehmung im Basiskörper 166 angeordneten Teil oder auf dem auf der Oberseite der zweiten Ausnehmung im Deckelkörper 167 angeordneten Teil eine wärmeisolierende Schicht ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass zumindest entweder auf dem Teil des Basiskörpers 166, der in der Nähe der ersten Ausnehmung liegt, oder auf dem Teil des Deckelkörpers 167, der in der Nähe der zweiten Ausnehmung liegt, eine wärmeisolierende Schicht ausgebildet sein kann. Anders ausgedrückt kann zumindest entweder auf dem zwischen der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung im Basiskörper 166 und der Außenfläche des Basiskörpers 166 angeordneten Teil oder auf dem zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Ausnehmung im Deckelkörper 167 und der Außenfläche des Deckelkörpers 167 angeordneten Teil eine wärmeisolierende Schicht ausgebildet sein.
Bei der in 28 gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann, wie bei der in 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, am Umfang zumindest entweder der auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals 188 oder der auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 187 angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals 189 ein Heizelement zum Heizen der unteren oder der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe ausgebildet sein. Zudem kann, wie bei der in 11 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, zumindest entweder die Innenfläche des ersten Fluidkanals 188 oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals 189 mit einem hygroskopischen Element beschichtet sein. Ferner kann zumindest entweder auf dem auf der Unterseite der Ausnehmung im Basiskörper 186 angeordneten Teil oder auf dem auf der Oberseite der Ausnehmung im Deckelkörper 187 angeordneten Teil eine wärmeisolierende Schicht ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass zumindest entweder auf dem Teil des Basiskörpers 186, der in der Nähe der Ausnehmung liegt, oder auf dem Teil des Deckelkörpers 187, der in der Nähe der Ausnehmung liegt, eine wärmeisolierende Schicht ausgebildet sein kann. Anders ausgedrückt, kann zumindest entweder auf dem zwischen der unteren Oberfläche der Ausnehmung im Basiskörper 186 und der Außenfläche des Basiskörpers 186 angeordneten Teil oder auf dem zwischen der Ausnehmung im Deckelkörper 187 und der Außenfläche des Deckelkörpers 187 angeordneten Teil eine wärmeisolierende Schicht ausgebildet sein.
Die 32 und 33 sind Schnittansichten, die jeweils eine in der elektronischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung installierte Brennstoffzelle zeigen. Bei dieser Ausführungsform sind die mit denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen übereinstimmenden Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
In diesen Ansichten bezeichnen die Bezugszeichen 201, 211 eine Brennstoffzelle, die Bezugszeichen 202, 212 ein Brennstoffzellengehäuse, die Bezugszeichen 163, 183 eine Membranelektrodenbaugruppe, die Bezugszeichen 164, 184 eine erste Elektrode, die Bezugszeichen 165, 185 eine zweite Elektrode, die Bezugszeichen 166, 186 einen Basiskörper, die Bezugszeichen 167, 187 einen Deckelkörper, die Bezugszeichen 168, 188 einen ersten Fluidkanal, die Bezugszeichen 169, 189 einen zweiten Fluidkanal, die Bezugszeichen 170, 190 einen ersten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 171, 191 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 203 einen externen Verbindungsanschluss, die Bezugszeichen 172, 182 einen Anordnungsabschnitt, das Bezugszeichen 173 einen Auflageabschnitt und die Bezugszeichen 174, 184 einen überstehenden Abschnitt. Die elektronischen Vorrichtungen sind ein Mobiltelefon, ein PDA (Personal Digital Assistant), eine digitale Kamera oder dergleichen. Konkrete Beispiele derselben werden nachstehend beschrieben. Das in 32 dargestellte Brennstoffzellengehäuse 202 umfasst den Basiskörper 166 und den Deckelkörper 167. Zudem umfasst das in 33 gezeigte Brennstoffzellengehäuse 212 den Basiskörper 186 und den Deckelkörper 187.
Ferner sind die externen Verbindungsanschlüsse 203 durch Löten, Hartlöten oder dergleichen zumindest entweder mit dem Basiskörper 166, 186 oder mit dem Deckelkörper 167, 187 verbunden. Die externen Verbindungsanschlüsse 203 haben wünschenswerter Weise eine Form, die einen feinen elektrischen Anschluß an eine Hauptplatine oder dergleichen ermöglicht, die eine elektronische Schaltung bildet, die ein Hauptteil der elektronischen Vorrichtung ist. Eine derartige Form, die durch Herstellen eines Kontakts zwischen den Anschlüssen oder durch Einführen des Anschlusses ein leichtes elektrisches und mechanisches Verbinden mit einer elektronischen Schaltung als Hauptteil einer elektronischen Vorrichtung ermöglicht, ist beispielsweise ein Stab, ein Haken, ein Konus oder dergleichen. Vorzugsweise ist ein Passabschnitt (eine Bohrung oder dergleichen) der dem externen Verbindungsanschluss 203 entspricht, in einem Abschnitt angeordnet, in dem der externe Verbindungsanschluss 203 mit einer elektronischen Schaltung verbunden wird, die ein Hauptteil einer elektronischen Vorrichtung ist. Im Übrigen kann die elektronische Vorrichtung durch Anordnen des externen Verbindungsanschlusses 203 auf der Seitenfläche des Basiskörpers 166, 186 oder des Deckelkörpers 167, 187 flacher gehalten werden.
Bei dem in der elektronischen Vorrichtung gemäß der in 32 gezeigten Ausführungsform der Erfindung installierten Brennstoffzellengehäuse 202 erhält die erste Ausnehmung des Basiskörpers 166 eine Doppelstruktur, wogegen die zweite Ausnehmung des Deckelkörpers 167 eine Einzelstruktur erhält. Alternativ kann die erste Ausnehmung des Basiskörpers 166 eine Einzelstruktur erhalten, und die zweite Ausnehmung des Deckelkörpers 167 kann eine Doppelstruktur annehmen.
Bei der in der elektronischen Vorrichtung gemäß der in 33 gezeigten Ausführungsform der Erfindung installierten Brennstoffzelle 201 weist die Ausnehmung des Basiskörpers 186 eine sogenannte Doppelstruktur auf, wogegen die Ausnehmung des Deckelkörpers 187 eine Einzelstruktur aufweist. Die Konfigurationen können jedoch zur Vereinfachung der Herstellung des Basis- und des Deckelkörpers 186', 186'' und 187', 187'' auch wie folgt verändert werden. Bei einer in 34 analog zu 33 im Schnitt gezeigten, weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen beispielsweise sowohl die Ausnehmung des Basiskörpers 186' als auch die Ausnehmung des Deckelkörpers 187' eine Einzelstruktur auf. Überdies weist bei einer in 35 analog zu 33 im Schnitt gezeigten, weiteren Ausführungsform der Erfindung die Ausnehmung des Basiskörpers 186'' eine Einzelstruktur auf, wogegen der Deckelkörper 187'' eine flache Struktur ohne Ausnehmung aufweist.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den 34 und 35 die mit 33 übereinstimmenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und dass die Bezugszeichen 211', 211'' eine Brennstoffzelle, die Bezugszeichen 212', 212'' ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 183 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 184 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 185 eine zweite Elektrode, die Bezugszeichen 186', 186'' einen Basiskörper, die Bezugszeichen 187', 187'' einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 188 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 189 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 190 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 191 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 192 einen Anordnungsabschnitt und das Bezugszeichen 194 einen überstehenden Abschnitt bezeichnen.
Durch Beschichten der freiliegenden Oberflächen der ersten Verdrahtungsleiter 170, 190, der zweiten Verdrahtungsleiter 171, 191 und der externen Verbindungsanschlüsse 203 mit einem Metall, wie Nickel, Kupfer, Gold, Platin und Palladium, die eine gute Leitfähigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Benetzbarkeit mit Hartlot aufweisen, kann eine gute elektrische Verbindung zwischen dem ersten Leiter 170, 190, dem zweiten Leiter 171, 191, dem externen Verbindungsanschluss 203 und einer Hauptplatine oder dergleichen realisiert werden, die eine elektronische Schaltung ist, die einen Hauptteil der elektronischen Vorrichtung darstellt.
In der in der in 32 gezeigten, erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung installierten Brennstoffzelle ist die Membranelektrodenbaugruppe 163 montiert, wobei ihr überstehender Abschnitt 174 greifend zwischen dem am äußeren Rand der ersten Ausnehmung in der oberen Oberfläche des Basiskörpers 166 ausgebildeten Anordnungsabschnitt 172 und dem am äußeren Rand der zweiten Ausnehmung in der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167 ausgebildeten Auflageabschnitt 173 angeordnet ist. Daher sind der erste und der zweite Fluidkanal 168 und 169 durch die Membranelektrodenbaugruppe 163 voneinander isoliert. Dies hilft, eine Vermischung von zwei unterschiedlichen fluiden Substanzen (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol) zu verhindern, und daher tritt nie der Fall auf, dass die Brennstoffzelle nicht ordnungsgemäß funktioniert und dass entzündliche fluide Substanzen sich aufgrund ihrer Vermischung bei einer hohen Temperatur entzünden und explodieren. Dadurch kann die Sicherheit der Brennstoffzelle sichergestellt werden. Da der überstehende Abschnitt 174 der Membranelektrodenbaugruppe 163 greifend zwischen dem Anordnungsabschnitt 172 des Basiskörpers 166 und dem Auflageabschnitt 173 des Deckelkörpers 167 angeordnet ist, kann die Membranelektrodenbaugruppe 163 überdies leicht sicher in dem Brennstoffzellengehäuse 202 untergebracht werden.
Um sicherzustellen, dass die Membranelektrodenbaugruppe 163 im Brennstoffzellengehäuse 202 befestigt ist und eine hermetische Abdichtung zwischen dem ersten Fluidkanal 168 und dem zweiten Fluidkanal 169 realisiert ist, sollte der Abstand zwischen dem Anordnungsabschnitt 172 und dem Auflageabschnitt 173 vorzugsweise mit der Dicke des überstehenden Abschnitts 174 der Membranelektrodenbaugruppe 163 übereinstimmen oder kleiner sein. Überdies sollten die Abmessungen der ersten Ausnehmung vorzugsweise im Wesentlichen mit den Außenabmessungen der Membranelektrodenbaugruppe 163 übereinstimmen. Dies hilft, beim Zusammenbau das Einstellen der Position der Membranelektrodenbaugruppe 163 in Bezug auf den Basiskörper 166 zu erleichtern. Ferner sollte zur Verbesserung der hermetischen Abdichtung zwischen dem ersten Fluidkanal 168 und dem zweiten Fluidkanal 169 vorzugsweise ein Dichtungsmaterial zwischen dem überstehenden Abschnitt 174 und zumindest entweder dem Anordnungsabschnitt 172 oder dem Auflageabschnitt 173 angeordnet werden. In diesem Fall ist hinsichtlich einer zuverlässigeren Befestigung der Membranelektrodenbaugruppe 163 ein Klebstoffdichtungsmaterial besonders zweckmäßig.
In dem in 33 gezeigten Brennstoffzellengehäuse 212 ist die Membranelektrodenbaugruppe 183 auf dem am äußeren Rand der Ausnehmung in der oberen Oberfläche des Basiskörpers 186 ausgebildeten Anordnungsabschnitt 192 angeordnet. Dadurch sind der erste und der zweite Fluidkanal 188 und 189 durch die Membranelektrodenbaugruppe 183 voneinander isoliert. Dies hilft, eine Vermischung von zwei unterschiedlichen fluiden Substanzen (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol) zu verhindern, und daher tritt nie der Fall ein, dass die Brennstoffzelle nicht ordnungsgemäß funktioniert und dass entzündliche fluide Substanzen sich aufgrund ihrer Vermischung bei einer hohen Temperatur entzünden und explodieren. Dadurch kann die Sicherheit der Brennstoffzelle sichergestellt werden. Da überdies nicht die Notwendigkeit besteht, die Tiefe der Ausnehmung mit der Dicke des dünnen, überstehenden Abschnitts 194 der Membranelektrodenbaugruppe 183 in Übereinstimmung zu bringen, kann der Basiskörper 186 leicht hergestellt werden.
Bei der Anordnung der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 auf dem Anordnungsabschnitt 172, 192 ist es günstig, einen Klebstoff mit abdichtenden Eigenschaften zwischen ihnen anzuordnen, da die Befestigung der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 und die hermetische Abdichtung zwischen den ersten Fluidkanälen 168, 188 und den zweiten Fluidkanälen 169, 189 sichergestellt werden. Ein derartiger Klebstoff ist ein Kautschuk- oder Harzmaterial auf Fluorharzbasis, Siliciumbasis, Ethylenpropylenbasis, Polyurethanbasis, Polysulfidbasis, Butylkautschukbasis, Acrylbasis, Epoxidbasis oder dergleichen.
Durch den vorstehend beschriebenen, in den 32 und 33 dargestellten Aufbau können das Brennstoffzellengehäuse 202, 212, das zur Aufnahme der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 geeignet und klein und robust ist, und die Brennstoffzelle 201, 211 realisiert werden, die hoch effizient gesteuert werden kann und in der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung installiert ist.
Die 36 bis 43 sind Schnittansichten, die jeweils eine in einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung installierte Brennstoffzelle zeigen.
In diesen Ansichten bezeichnen die Bezugszeichen 221, 231, 241, 251, 261, 271, 281, 291 eine Brennstoffzelle, die Bezugszeichen 222, 232, 242, 252, 262, 272, 282, 292 ein Brennstoffzellengehäuse, die Bezugszeichen 163, 183 eine Membranelektrodenbaugruppe, die Bezugszeichen 164, 184 eine erste Elektrode, die Bezugszeichen 165, 185 eine zweite Elektrode, die Bezugszeichen 166, 186 einen Basiskörper, die Bezugszeichen 167, 187 einen Deckelkörper, die Bezugszeichen 168, 188 einen ersten Fluidkanal, die Bezugszeichen 169, 189 einen zweiten Fluidkanal, die Bezugszeichen 170, 190 einen ersten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 171, 191 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 203 einen externen Verbindungsanschluss, die Bezugszeichen 223, 263 einen dritten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 233, 273 einen vierten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 234,274 einen fünften Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 243, 283 einen sechsten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 253, 293 einen siebten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 254, 294 einen achten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 172, 192 einen Anordnungsabschnitt, das Bezugszeichen 173 einen Auflageabschnitt und die Bezugszeichen 174, 194 einen überstehenden Abschnitt.
In den 36 bis 43 bezeichnen die mit den in den 32 und 33 verwendeten übereinstimmenden Bezugszeichen die gleichen Teile, wie in den 32 und 33.
Der dritte Verdrahtungsleiter 223, 263 gemäß den 36 und 40, dessen eines Ende in einem der ersten Elektrode 164, 184 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 gegenüber liegenden Bereich auf der unteren Oberfläche der einen bzw. der mehreren ersten Ausnehmungen oder Ausnehmungen des Basiskörpers 166, 186 und dessen anderes Ende in einem der ersten Elektrode 164, 184 einer weiteren Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 gegenüber liegenden Bereich auf der unteren Oberfläche einer weiteren der ersten Ausnehmungen bzw. der Ausnehmungen angeordnet ist, ist einstückig mit dem Basiskörper 166, 186 ausgebildet. Überdies ist es wünschenswert, den dritten Verdrahtungsleiter 223, 263 so zu fertigen, dass er 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 ist, so dass leicht ein Kontakt zwischen seinen beiden Enden und der ersten Elektrode 164, 184 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des dritten Verdrahtungsleiters 223, 263 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere dritte Verdrahtungsleiter 223, 263 gegenüber der ersten Elektrode 164, 184 angeordnet werden. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im dritten Verdrahtungsleiter 223, 263 zu reduzieren. Der Teil des dritten Verdrahtungsleiters 223, 263, der den Basiskörper 166, 186 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Ein Ende des vierten Verdrahtungsleiters 233, 273 gemäß den 37 und 41 ist in einem der ersten Elektrode 164, 184 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 gegenüber liegenden Bereich auf der unteren Oberfläche einer der mehreren ersten Ausnehmungen oder Ausnehmungen des Basiskörpers 166, 186 angeordnet, und das andere Ende führt zu einem Bereich hinaus, in dem der Deckelkörper 167, 187 auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 166, 186 montiert ist. Überdies ist der fünfte Verdrahtungsleiter 234, 274 so ausgebildet, dass sein eines Ende in einem der zweiten Elektrode 165, 185 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 gegenüberliegenden Bereich einer weiteren der ersten Ausnehmungen oder der Ausnehmungen auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 angeordnet ist und das andere Ende so zu einem auf dem Basiskörper 166, 186 montierten Bereich der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 hinaus führt, dass es dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters 233, 273 gegenüberliegt.
Der vierte Verdrahtungsleiter 233, 273 ist, wie der dritte Verdrahtungsleiter 223, 263, einstückig mit dem Basiskörper 166, 186 ausgebildet, und es ist wünschenswert, dass er 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der ersten Ausnehmung oder der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 gefertigt wird, so dass leicht ein Kontakt zwischen seinem einen Ende und der ersten Elektrode 164, 184 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des vierten Verdrahtungsleiters 233, 273 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer höheren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere vierte Verdrahtungsleiter 233, 273 gegenüber der ersten Elektrode 164, 184 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im vierten Verdrahtungsleiter 233, 273 zu reduzieren. Der Teil des vierten Verdrahtungsleiters 233, 273, der den Basiskörper 166, 186 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Ferner ist der fünfte Verdrahtungsleiter 234, 274, wie der zweite Verdrahtungsleiter 171, 191, einstückig mit dem Deckelkörper 167, 187 ausgebildet, und es ist wünschenswert, dass er 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 ist, so daß leicht ein Kontakt zwischen seinem einen Ende und der zweiten Elektrode 165, 185 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des fünften Verdrahtungsleiters 234, 274 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer höheren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere fünfte Verdrahtungsleiter 234, 274 gegenüber der zweiten Elektrode 165, 185 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im fünften Verdrahtungsleiter 234, 274 zu reduzieren. Der Teil des fünften Verdrahtungsleiters 234, 274, der den Basiskörper 166, 186 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Der sechste Verdrahtungsleiter 243, 283 gemäß den 38 und 42, dessen eines Ende ein einem der ersten Elektrode 164, 184 der Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 gegenüberliegenden Bereich auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung oder der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 und dessen anderes Ende in einem der ersten Elektrode 164, 184 einer weiteren der Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 gegenüberliegenden Bereich auf der unteren Oberfläche der gleichen ersten Ausnehmung oder Ausnehmung angeordnet ist, ist einstückig mit dem Basiskörper 166, 186 ausgebildet.
Es ist wünschenswert, dass der sechste Verdrahtungsleiter 243, 283 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 gefertigt wird, so dass leicht ein Kontakt zwischen seinen beiden Enden und der ersten Elektrode 164, 184 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des sechsten Verdrahtungsleitern 243, 283 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer höheren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere sechste Verdrahtungsleiter 243, 283 gegenüber der ersten Elektrode 164, 184 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im sechsten Verdrahtungsleiter 243, 283 zu reduzieren. Der Teil des sechsten Verdrahtungsleiters 243, 283, der den Basiskörper 166, 186 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Ein Ende des siebten Verdrahtungsleiters 253, 293 gemäß den 39 und 43 ist in einem der ersten Elektrode 164, 184 einer der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 gegenüberliegenden Bereich auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 angeordnet, und das andere Ende führt zu einem Bereich hinaus, an dem der Deckelkörper 167, 187 auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 166, 186 montiert ist. Überdies ist der achte Verdrahtungsleiter 254, 294 so ausgebildet, dass sein eines Ende in einem der zweiten Elektrode 165, 185 einer weiteren der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 gegenüberliegenden Bereich der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 angeordnet ist und das andere Ende so zu einem auf dem Basiskörper 166, 186 montierten Bereich der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 hinaus führt, dass es dem anderen Ende des siebten Verdrahtungsleiters 253, 293 gegenüberliegt.
Der siebte Verdrahtungsleiter 253, 293 ist, wie der dritte Verdrahtungsleiter 223, 263, einstückig mit dem Basiskörper 166, 186 ausgebildet, und es ist wünschenswert, dass er 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 gefertigt wird, so dass leicht ein Kontakt zwischen seinem einen Ende und der ersten Elektrode 164, 184 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des siebten Verdrahtungsleiters 253, 293 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer höheren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere siebte Verdrahtungsleiter 253, 293 gegenüber der ersten Elektrode 164, 184 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im siebten Verdrahtungsleiter 253, 293 zu reduzieren. Der Teil des siebten Verdrahtungsleiters 253, 293, der den Basiskörper 166, 186 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Ferner ist der achte Verdrahtungsleiter 254, 294, wie der zweite Verdrahtungsleiter 171, 191, einstückig mit dem Deckelkörper 167, 187 ausgebildet, und es ist wünschenswert, dass er 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 167, 187 ist, so dass leicht ein Kontakt zwischen seinem einen Ende und der zweiten Elektrode 165, 185 hergestellt werden kann. Die gewünschte Höhe des achten Verdrahtungsleiters 254, 294 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess mit einer höheren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere achte Verdrahtungsleiter 254, 294 gegenüber der zweiten Elektrode 165, 185 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im achten Verdrahtungsleiter 254, 294 zu reduzieren. Der Teil des achten Verdrahtungsleiters 254, 294, der den Basiskörper 166, 186 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Wie in den 36, 37, 40 und 41 gezeigt, ist bei dem in der elektronischen Vorrichtung installierten Brennstoffzellengehäuse 222, 232, 262, 272 und der Brennstoffzelle 221, 231, 261, 271 durch Unterbringen einer Membranelektrodenbaugruppe 163, 183 in jeder ersten Ausnehmung oder Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186 mit mehreren ersten Ausnehmungen bzw. Ausnehmungen, Anordnen der dritten Verdrahtungsleiter 223, 263 oder der vierten Verdrahtungsleiter 233, 273 und der fünften Verdrahtungsleiter 234, 274 zwischen den Endabschnitten der nebeneinander liegenden ersten Ausnehmungen bzw. Ausnehmungen, elektrisches Verbinden der ersten Elektroden 164, 184 der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 oder der ersten Elektrode 164, 184 und der zweiten Elektrode 165, 185 und elektrisches Verbinden der ersten Verdrahtungsleiter 170, 190 und der zweiten Verdrahtungsleiter 171, 191 zur Entnahme des gesamten Ausgangs der in den Positionen an den beiden Enden angeordneten Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 durch die ersten bis dritten Verdrahtungsleiter 170, 190; 171, 191; 223, 263 oder durch die ersten, zweiten, vierten und fünften Verdrahtungsleiter 170, 190; 171, 191; 233, 273; 234, 274 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung möglich, wodurch die mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Dadurch kann eine Brennstoffzelle realisiert werden, durch die die in den mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 elektrochemisch erzeugte Elektrizität in gutem Zustand nach außen entnommen werden kann, da eine effiziente Regelung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms möglich wird.
Wie in den 38, 39, 42 und 43 gezeigt, ist bei dem in der elektronischen Vorrichtung installierten Brennstoffzellengehäuse 242, 252, 282, 292 und der Brennstoffzelle 241, 251, 281, 291 durch Unterbringen der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 in der ersten Ausnehmung bzw. der Ausnehmung des Basiskörpers 166, 186, Anordnen der sechsten Verdrahtungsleiter 243, 283 oder der siebten Verdrahtungsleiter 253, 293 und der achten Verdrahtungsleiter 254, 294, elektrisches Verbinden der ersten Elektroden 164, 184 der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 oder der ersten Elektrode 164, 184 und der zweiten Elektrode 165, 185 und elektrisches Verbinden der ersten Verdrahtungsleiter 170, 190 und der zweiten Verdrahtungsleiter 171, 191 zur Entnahme des gesamten Ausgangs über die in den Positionen an den beiden Enden angeordneten Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 durch die ersten, zweiten und sechsten Verdrahtungsleiter 170, 190; 171, 191; 243, 283 oder durch die ersten, zweiten, siebten und achten Verdrahtungsleiter 170, 190; 171, 191; 253, 293; 254, 294 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung möglich, wodurch die mehreren Membranelektrodenbaugruppen 3 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Dadurch kann eine Brennstoffzelle realisiert werden, durch die die in den mehreren Membranelektrodenbaugruppen 163, 183 elektrochemisch erzeugte Elektrizität gut nach außen entnommen werden kann, da eine effiziente Regelung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms möglich wird.
Im Rahmen der Erfindung können verschiedene Veränderungen vorgenommen werden. Um die gesamte Brennstoffzelle flach zu halten, können beispielsweise Einlässe für die ersten Fluidkanäle 168, 188 oder die zweiten Fluidkanäle 169, 189 auf der Seitenfläche des Basiskörpers 166, 186 und des Deckelkörpers 167, 187 angeordnet sein. Dies ist zur Miniaturisierung insbesondere bei der Verwendung für eine mobile elektronische Vorrichtung effektiv. Im Übrigen können die zu den äußeren Oberfläche des Basiskörpers 166, 186 und des Deckelkörpers 167, 187 hinaus führenden, anderen Enden der ersten und der zweiten Verdrahtungsleiter 170, 190; 171, 191 so angeordnet sein, dass sie jeweils zu den Seitenflächen auf der gleichen Seite hinaus führen, um die externen Verbindungsanschlüsse 203 zusammenzufassen. Dies ermöglicht eine Zusammenführung der Verdrahtung, der Kanäle und dergleichen auf einer Seite der Brennstoffzelle, die Miniaturisierung und der Schutz der Verbindungen nach außen werden vereinfacht, eine hoch zuverlässige Konstruktion wird möglich, und es wird eine Brennstoffzelle realisiert, die über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Als nächstes wird eine elektronische Vorrichtung beschrieben, die die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle als Stromquelle nutzt.
Da die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung die vorstehend besprochene Brennstoffzelle als Stromquelle nutzt, hat sie verschiedene Auswirkungen, die nachstehend beschrieben werden, und ist klein, flach, kann über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden und ist hinsichtlich der Sicherheit und Zweckmäßigkeit ausgezeichnet.
Da bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung ein Teil der externen Verbindungsanschlüsse 203 (ein positiver Anschluss und ein negativer Anschluss) der als Stromquelle dienenden Brennstoffzelle leicht elektrisch an eine Leiterplatte der elektronischen Vorrichtung angeschlossen und frei angebracht und abgenommen werden kann, kann die Brennstoffzelle beispielsweise sehr leicht durch eine neue Brennstoffzelle ersetzt werden und ist sehr zweckmäßig.
Da eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellengehäuse, das aus dem aus mehrschichtiger Keramik gefertigten Basiskörper 166, 186 besteht, als Stromquelle verwendet werden und daher eine freie elektrische Verdrahtung der Brennstoffzelle erfolgen kann, ist es ferner leicht, mehrere Brennstoffzellen in Reihe zu schalten, und es ist möglich, eine elektronische Vorrichtung zu realisieren, die klein, flach und leicht ist.
Da der Basiskörper 166, 186 aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist, können überdies ein Widerstand, eine Kapazität und eine Induktivität im Basiskörper ausgebildet sein.
Durch eine derartige Erzeugung einer beispielsweise mit der Brennstoffzelle parallel geschalteten hohen Kapazität im Basiskörper 166, 186 wird ein Mangel an elektrischem Strom kompensiert, wenn die Brennstoffzelle zu wenig elektrischen Strom ausgibt, und die Zufuhr von elektrischem Strom nach Maßgabe eines gewünschten elektrischen Ausgangsstroms kann sichergestellt werden. Da auf die gleiche Weise durch die Verwendung eines Widerstands, einer Kapazität und einer Induktivität eine Ladeschaltung erzeugt werden kann, wird es überdies möglich, die für die elektronische Vorrichtung erforderliche Spannung sicherzustellen.
Bei der Herstellung eines Widerstands, einer Kapazität oder einer Induktivität im Basiskörper 166, 186 ist der Basiskörper 166, 186 vorzugsweise aus gesinterter Glaskeramik gefertigt.
Die gesinterte Glaskeramik besteht beispielsweise aus einer Glaskomponente und einem Füllmittel. Diese Komponenten stimmen mit denen der vorstehend besprochenen Ausführungsform überein, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
Ferner ist das Mischungsverhältnis des Glases und des Füllmittels entsprechend der Masse vorzugsweise 40:60 bis 99:1.
Als in einer Rohplatte aus Glaskeramik enthaltenes, organisches Bindemittel kann eines verwendet werden, das bisher für keramische Rohplatten verwendet wurde und beispielsweise ein Homopolymer oder ein Copolymer auf Acrylbasis (ein Homopolymer oder ein Copolymer aus Acrylsäure, Methacrylsäure oder deren Esther, konkret ein Acrylsäureestercopolymer, ein Metacrylsäureestercopolymer, ein Acrylsäureester-Methacrylsäureestercopolymer oder dergleichen), Polyvinylbutyralbasis, Polyvinylalkoholbasis, Acrylstyrolbasis, Polypropylencarbonatbasis, Cellulosebasis oder dergleichen ist.
Eine Rohplatte aus Glaskeramik mit einer Dicke von ca. 50 bis 500 μm wird durch Hinzufügen der zum Erhalt einer Aufschlämmung erforderlichen, vorgegebenen Menge eines Plastifikators, eines Lösungsmittels (eines organischen Lösungsmittels, Wasser oder dergleichen) zu dem Glaspulver, dem Füllmittelpulver und dem organischen Bindemittel und Formen derselben durch ein Streichmesser, Walzen, Kalanderwalzen, Warmpressen oder dergleichen hergestellt.
Auf der Oberfläche einer Rohplatte aus Glaskeramik wird beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, eines Gravurdruckverfahrens oder dergleichen durch Aufdrucken einer Paste aus einem Leitermaterialpulver oder durch Übertragen einer Metallfolie mit einer bestimmten Musterform ein Leitermuster erzeugt. Ein Leitermaterial ist beispielsweise eines, zwei oder mehrere unter Au, Ag, Pd, Pt oder dergleichen ausgewählte Elemente, und wenn es mehrere der Elemente enthält, kann es die Form eines Gemischs, einer Legierung, einer Beschichtung oder dergleichen aufweisen.
Wird beispielsweise eine hohe Kapazität erzeugt, wird ferner eine (nachstehend als Bariumtitanatschicht bezeichnete) aus einem Pulver aus einer anorganischen Substanz mit einer hohen dielektrischen Konstante, wie Bariumtitanat, erzeugte Schicht in einem aus Glaskeramik gefertigten Basiskörper erzeugt. In diesem Fall erfolgt die Herstellung, indem zur Erzeugung mehrerer Rohplatten zunächst eine Aufschlämmung erzeugt wird, die Keramikpulver und Glaspulver enthält, anschließend eine Metallpaste auf die Rohplatte aufgedruckt wird, die eine untere Elektrodenschicht wird, darauf zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht mittels Siebdrucks eine aus Bariumtitanat oder dergleichen erzeugte dielektrische Paste auf die untere Elektrodenschicht aufgedruckt wird, ferner zur Erzeugung einer oberen Elektrodenschicht eine Metallspaste auf die dielektrische Schicht aufgedruckt wird, die Rohplatten gestapelt werden und der Schichtkörper gebrannt wird.
Wird ein Widerstand im Basiskörper erzeugt, kann dieser ferner durch Druckaufbringung einer Widerstandspaste, deren Hauptbestandteile RuO₂, IrO₂, SnO₂, LaB₆ und dergleichen sind, mittels eines Verfahrens, wie Siebdruck, Gravurdruck oder dergleichen, gemäß dem gleichen Verfahren wie der erste Verdrahtungsleiter 170, 190 und der zweite Verdrahtungsleiter 171, 191 in einem bestimmten Muster auf die Rohplatte erzeugt werden.
Ferner ist es günstig, eine interne Schaltung im Basiskörper 166, 186 der Brennstoffzelle 201, 211 zu erzeugen. Dementsprechend ist es möglich, ein elektrisch mit der internen Schaltung verbundenes elektronisches Teil auf der Oberfläche des Basiskörpers 166, 186 zu montieren. Dadurch kann die Funktionalität der elektronischen Vorrichtung durch das auf der Oberfläche des Basiskörpers 166, 186 montierte elektronische Teil gesteigert werden.
Ferner ist es günstig, wenn ein elektrisch mit der internen Schaltung verbundenes elektronisches Teil auf der Oberfläche des Basiskörpers 166, 186 der Brennstoffzelle 201, 211 angeordnet ist. Dementsprechend werden durch die Verwendung eines Sensors, einer Steuerungs-IC oder dergleichen als elektronisches Teil und Erfassen der Dichte des Brennstoffs in den Fluidkanälen 168, 188; 169, 189 mittels eines Dichtesensors eine optimale Umwälzung, Brennstoffverdünnung und die Unterdrückung einer Verringerung der Effizienz der Brennstoffnutzung ermöglicht.
Ferner ist es günstig, wenn bei der Brennstoffzelle 201, 211 zumindest entweder in den ersten Fluidkanälen 168, 188 oder in den zweiten Fluidkanälen 169, 189 piezoelektrische Pumpen, d. h. Mikropumpen, angeordnet sind, für die ein piezoelektrisches Material, wie Bleizirkonattitanat (PZT, Formel der Zusammensetzung: Pb (Zr, Ti) O₃) verwendet wird. Dementsprechend verhindern die kleinen piezoelektrischen Pumpen einen Rückstrom von Brennstoff, wodurch eine Verschmutzung von nicht verwendetem Brennstoff durch ein Reaktant oder dergleichen und eine Beeinträchtigung des Betriebs der elektronischen Vorrichtung verhindert werden können, da die Restluft abgegeben wird. Daneben wird konstant Brennstoff zugeführt, wodurch stabil elektrischer Strom erzeugt wird, und die Aktivierungszeit wird verkürzt, da der Brennstoff gleichmäßig zugeführt wird.
Die piezoelektrische Pumpe besteht aus einem Zuflussabschnitt, einem Abschnitt mit verstellbarem Volumen und einem Abflussabschnitt. Der Abschnitt mit verstellbarem Volumen kann dann beispielsweise durch Anordnen eines piezoelektrischen Werkstoffs außerhalb der ersten und zweiten Fluidkanäle 168, 188; 169, 189 hergestellt werden, und durch die Nutzung der Ausdehnung und Kontraktion des piezoelektrischen Materials als Reaktion auf eine angelegte Spannung können die oberen Bereiche der ersten und zweiten Fluidkanäle 168, 188; 169, 189 in Schwingungen versetzt werden. Dementsprechend können die Volumen der ersten und zweiten Fluidkanäle 168, 188; 169, 189 verändert werden, und sie können als Pumpe fungieren.
Ferner werden der Zuflussabschnitt und der Abschlussabschnitt durch die ersten und zweiten Fluidkanäle 168, 188; 169, 189 gebildet, die mit dem Abschnitt mit verstellbarem Volumen verbunden sind, und sie dienen dem Leiten von Brennstoff in den und aus dem Abschnitt mit verstellbarem Volumen. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Abflussabschnitts größer als der Durchmesser des Einlassabschnitts. Dementsprechend wird der Druck des Brennstoffs im Abflussabschnitt gering, und wenn der Abschnitt mit verstellbarem Volumen als Pumpe betrieben wird, strömt der Brennstoff zum Abflussabschnitt, an dem der Druck gering ist, und der Brennstoff kann gut in eine bestimmte Richtung geleitet werden. Im Zuflussabschnitt und im Abflussabschnitt können Rückflussverhinderungsventile zum Verhindern eines Rückflusses des Brennstoffs angeordnet sein.
Eine derartige piezoelektrische Pumpe wird aus einem organischen oder anorganischen piezoelektrischen Werkstoff hergestellt und kann durch Bonden dieses piezoelektrischen Werkstoffs nach dem Brennen der Rohplatte aus Keramik, aus der der Basiskörper 166, 186 oder der Deckelkörper 167, 187 hergestellt wird, oder bei der Verwendung eines keramischen piezoelektrischen Werkstoffs wie PZT durch Montieren des keramischen piezoelektrischen Werkstoffs an einer bestimmten Position einer Keramikrohplatte und anschließendes gleichzeitiges Brennen gefertigt werden.
Ferner ist die Brennstoffzelle 201, 211 hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgezeichnet, da außer den ersten und zweiten Fluidkanälen 168, 188; 169, 189, deren eine Enden innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, nichts unnötig mit der Membrarnlektrodenbaugruppe 163, 183 in Kontakt gelangt.
Auf der Grundlage des Vorstehenden kann durch die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung eine elektronische Vorrichtung geschaffen werden, die hinsichtlich der Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit ausgezeichnet ist und aufgrund der gleichmäßigen Zufuhr von Fluiden und hoch effizienter elektrischer Anschlüsse über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Dann ist die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung konkret eine mobile elektronische Vorrichtung, wie ein Mobiltelefon, ein PDA (Personal Digital Assistant), eine digitale Kamera oder eine Videokamera oder ein Spielzeug, wie eine Spielgerät, eine elektronische Vorrichtung einschließlich eines Laptop-PC (Personal Computer), eines Druckers, eines Faksimilegeräts, eines Fernsehers, einer Kommunikationsvorrichtung, einer Audio- und Videovorrichtung, oder eines von verschiedenen elektrischen Haushaltsgeräten, wie ein elektrisches Gebläse oder ein tragbares angetriebenes Werkzeug.
In den jüngsten Jahren wurden elektronische Vorrichtungen verwendet, die durch die Verwendung einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung oder dergleichen zusätzlich die Funktion der Anzeige bewegter Bilder haben. Da eine derartige Anzeige bewegter Bilder einen erheblichen Stromverbrauch zur Folge hat, kann eine elektronische Vorrichtung, für die ein herkömmlicher Akkumulator verwendet wird, nur über eine kurze Zeitspanne betrieben werden, wogegen die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle versehen ist, die über einen erheblichen Zeitraum als Stromquelle genutzt und daher selbst bei der Anzeige bewegter über einen langen Zeitraum betrieben werden kann.
Ist die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung beispielsweise ein Mobiltelefon, wie in 44 in Form eines Blockdiagramms gezeigt, umfasst sie eine Zentraleinheit (CPU) 301, einen Steuerungsabschnitt 302, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 303, einen Festspeicher (ROM) 304, einen Eingabeabschnitt 305, der von einem Benutzer eingegebene Daten in die CPU 301 eingibt, eine Antenne 306, einen Funkabschnitt 307, der ein über die Antenne 306 empfangenes Signal demoduliert und dem Steuerungsabschnitt 302 zuführt sowie ein Signal von dem Steuerungsabschnitt 302 moduliert und über die Antenne 306 sendet, einen Lautsprecher 308, der auf der Grundlage eines Geräuschsignal von dem Steuerungsabschnitt 302 Geräusche erzeugt, eine lichtemittierende Diode (LED) 309, die nach Maßgabe der Steuerung von dem Steuerungsabschnitt 302 eingeschaltet oder ausgeschaltet wird oder blinkt, einen Anzeigeabschnitt 310, der nach Maßgabe eines Signals von dem Steuerungsabschnitt 302 Informationen anzeigt, einen Vibrator 311, der nach Maßgabe eines Ansteuersignals von dem Steuerungsabschnitt 302 vibriert, einen Sende- und Empfangsabschnitt 312, der die Stimme des Benutzers in ein Sprachsignal umwandelt und an den Steuerungsabschnitt 302 sendet sowie ein Sprachsignal von dem Steuerungsabschnitt 302 in Sprache umwandelt und ausgibt, und einen Stromquellenabschnitt 313, der als Stromquelle für die jeweiligen Abschnitte dient, wobei die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse in den Stromquellenabschnitt 313 eingebaut sind.
Hierbei sind die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse hinsichtlich ihrer Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit ausgezeichnet und können Brennstoff gleichmäßig zuführen und aufgrund hoch effizienter elektrischer Anschlüsse über einen langen Zeitraum als Stromquellen genutzt werden, wodurch die Miniaturisierung, die flache Gestaltung und die Gewichtsverringerung eines Mobiltelefons ermöglicht werden.
Unter Berücksichtigung des Umstands, dass moderne Mobiltelefone hinreichend miniaturisiert und flach sind, kann zusätzlich ein elektronisches Teil, das neben der Funktion eines Telefons die Funktion einer Kamera, einer Videokamera oder dergleichen hat, in dem durch die vorstehend beschriebene Miniaturisierung und flache Gestaltung der Brennstoffzelle geschaffenen Raum installiert werden, und eine Förderung der Multifunktionalität ist möglich.
Ferner kann anstelle der zusätzlichen Installation einer elektronischen Vorrichtung auch ein Stoßdämpfer, ein Schutzelement oder dergleichen so angeordnet werden, dass er bzw. es eine elektronische Hauptschaltung schützt. In diesem Fall kann auch eine Struktur hergestellt werden, die möglicherweise die Stoßfestigkeit weiter als je zuvor erhöht, wenn der Hauptkörper des Mobiltelefons beispielsweise durch einen Sturz oder dergleichen einem Stoß ausgesetzt wird, oder die bei der Verwendung im Regen oder dergleichen die Eigenschaft der Wasserundurchlässigkeit verleiht.
Ferner verringern sich aufgrund der Miniaturisierung des elektrischen Schaltungsabschnitts im Inneren des Hauptkörpers des Mobiltelefons die Einschränkungen hinsichtlich der äußeren Form des Hauptkörpers des Mobiltelefons, und es kann ein Mobiltelefon mit einer äußeren Form, deren Konstruktion ausgezeichnet ist, beispielsweise einer Form hergestellt werden, die älteren Menschen und Kindern eine leichte Handhabung ermöglicht.
Wenn die Struktur des Stromquellenabschnitts 313 eine Struktur ist, bei der die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse frei befestigt und abgenommen werden können, wie vorstehend beschrieben, sind ferner durch Bereitstellen einer Ersatzbrennstoffzelle und eines Ersatzbrennstoffzellengehäuses leicht ein Ersatz durch die Ersatzbrennstoffzelle und das Ersatzbrennstoffzellengehäuse oder die Entnahme einer Brennstoffzelle zum Nachfüllen und Ersetzen des Brennstoffs bei einem Versagen der Batterie oder dergleichen möglich, wodurch durchgehend telefoniert werden kann und das Telefon hinsichtlich der Zweckmäßigkeit noch ausgezeichneter als eines wird, das einen Akkumulator als Stromquelle nutzt.
Da eine ersetzte (benutzte) Brennstoffzelle sofort wieder verwendet werden kann, nachdem Brennstoff nachgefüllt wurde, ist sie ferner leichter zu benutzen als ein Akkumulator, und die Ressourcen können effizient genutzt werden. Überdies besteht ein Vorteil darin, dass selbst in einem Notfall, wie einem Stromausfall aufgrund einer Naturkatastrophe, selbst im Freien über einen längeren Zeitraum eine Verwendung möglich ist.
Ferner umfasst ein Laptop-PC (Personal Computer) im Grundaufbau den Hauptkörper des Personal Computers, einen ersten Kasten, der eine Tastatur zur Eingabe bestimmter Daten in den Hauptkörper des Personal Computers enthält, und einen zweiten Kasten, der eine Anzeige zum Anzeigen der über die Tastatur eingegebenen Daten oder der durch den Hauptkörper des Personal Computers verarbeiteten Daten enthält, wobei der zweite Kasten so an dem ersten Kasten befestigt ist, dass er geöffnet und geschlossen werden kann, ein Stromquellenabschnitt vorgesehen ist, der als Stromquelle für die jeweiligen Abschnitte des ersten Kastens dient, und die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse im Stromquellenabschnitt installiert sind. Hierbei weisen die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse, wie bei dem vorstehend beschriebenen Mobiltelefon, eine ausgezeichnete Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit auf und können Brennstoff gleichmäßig zuführen und durch einen hoch effizienten elektrischen Anschluss über einen langen Zeitraum als Stromquelle genutzt werden, so dass die Miniaturisierung, flache Gestaltung und Gewichtsreduzierung des Hauptkörpers eines Laptop-PC sowie seine Multifunktionalität ermöglicht werden und ein sehr benutzerfreundlicher Laptop-PC (Personal Computer) realisiert werden kann, dem über einen langen Zeitraum stabil ein starker elektrischer Strom zugeführt werden kann und der eine leicht erkennbare Anzeige aufweist, wobei die Belastung durch Gewicht und Größe beim Transport trotz einer großen und hochauflösenden Anzeige verringert wird.
Wenn die Struktur des Stromquellenabschnitts eine Struktur ist, bei der die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse frei befestigt und abgenommen werden können, hat dies ferner den Vorteil, dass bei der Verwendung im Freien oder in einer mobilen Einheit, wie einem Flugzeug, mit nur einer sekundären Batterie über einen dramatisch längeren Zeitraum als je zuvor elektrischer Strom zugeführt werden kann. Überdies ist die Zweckmäßigkeit bei einer Verwendung an öffentlichen Orten herausragend, und eine Verwendung ist aufgrund der ausgezeichneten Sicherheit ohne Einschränkung möglich.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt und kann innerhalb des Rahmens der Erfindung auf unterschiedliche Art und Weise verändert werden.
Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eine DMFC als Brennstoffzelle verwendet wird, für die Methanol als Brennstoff verwendet wird, können überdies auch Brennstoffzellen verwendet werden, für die verschiedene Arten von Flüssigkeiten, einschließlich Dimethylether, als Brennstoff verwendet werden.
45 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die 46 bis 51 sind Draufsichten, die jeweils den Basiskörper des Brennstoffzellengehäuses und die Brennstoffzellen, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die mit denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform übereinstimmen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In diesen Ansichten bezeichnen die Bezugszeichen 321, 331, 341, 351 und 361 eine Brennstoffzelle, die Bezugszeichen 322, 332, 342, 352 und 362 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, die Bezugszeichen 323, 333, 343, 353 und 363 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, die Bezugszeichen 324, 334, 344, 354 und 364 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, die Bezugszeichen 325, 335, 345, 355 und 365 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter, die Bezugszeichen 326, 336, 346, 356 und 366 einen Öffnungsabschnitt, die Bezugszeichen 327, 337, 347, 357 und 367 einen Kopplungsabschnitt, die Bezugszeichen 328, 338, 348, 358 und 368 einen Einlassabschnitt und, die Bezugszeichen 329, 339, 349, 359 und 369 einen Auslassabschnitt. Ansonsten unterscheiden sich erfindungsgemäß der Öffnungsabschnitt 326, 336, 346, 356 und 366, die Kopplungsabschnitte 327, 337, 347, 357 und 367, die Einlassabschnitte 328, 338, 348, 358 und 368 und die Auslassabschnitte 329, 339, 349, 359 und 369 hinsichtlich der Anordnung, der Breite und der Tiefe voneinander.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse 322, 332, 342, 352 und 362 umfasst den Basiskörper 323, 333, 343, 353 und 363 mit einer Ausnehmung und den Deckelkörper 17, hat die Funktion der Aufnahme der Membranelektrodenbaugruppe 13 in der Ausnehmung und der hermetischen Abdichtung und ist aus einem Keramikwerkstoff, wie gesintertem Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertem Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertem Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Aluminiumnitrid (AlN), gesintertem Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik, gefertigt.
Gesinterte Glaskeramik wird beispielsweise aus einer Glaskomponente und einem Füllmittel hergestellt. Diese Komponenten stimmen mit denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform überein, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
Da das Brennstoffzellengehäuse 322, 332, 342, 352, 362 den Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 mit der Ausnehmung und den Deckelkörper 17 umfasst und die Ausnehmung durch derartiges Montieren des Deckelkörpers 17 um die Ausnehmung des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363, dass er die Ausnehmung bedeckt, hermetisch abgedichtet wird, wird der Deckelkörper 17 durch Verbinden mit einem Metallbindemittel, wie einem Lot oder einem Silberhartlotfüllmittel, durch Verbinden mit einem Harzmaterial, wie Epoxid, oder mittels eines Verfahrens zum Verbinden eines aus einer Eisenlegierung oder dergleichen hergestellten Dichtungsmittels oder dergleichen mit der oberen Oberfläche um die Ausnehmung und Verschweißen durch Nahtschweißen, einen Elektronenstrahl, einen Laser oder dergleichen auf dem Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 montiert. Dabei kann der Deckelkörper 17, wie der Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363, ebenfalls eine Ausnehmung aufweisen.
Der Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 und der Deckelkörper 17 werden jeweils dünn gehalten, und um eine flache Gestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 321, 331, 341, 351, 361 zu ermöglichen, beträgt die Biegefestigkeit als mechanische Festigkeit vorzugsweise 200 MPa oder mehr.
Der Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 und der Deckelkörper 17 sind vorzugsweise aus gesintertem Aluminiumoxid mit einem dicht gepackten Gefüge gefertigt, dessen relative Dichte beispielsweise 95% oder mehr beträgt. In diesem Fall werden zunächst beispielsweise Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel zu dem Aluminiumoxidpulver hinzugefügt und mit ihm vermischt, und ein Pulvermaterial aus gesintertem Aluminiumoxid wird hergestellt. Als Zweites werden ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmedium zu dem Pulvermaterial aus Aluminiumoxidsinter hinzugefügt und mit diesem gemischt, um eine Paste zu erzeugen, und durch ein Streichmesserverfahren oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels zu dem Pulvermaterial und Ausführen eines Druckformens, Walzformens oder dergleichen wird eine Rohplatte mit einer bestimmten Dicke aus der Paste hergestellt. Dann werden durch Stanzen mit einem Stempel, einen Mikrobohrer, einen Laser oder dergleichen Durchgangsbohrungen und Öffnungen, die als erste Fluidkanäle 324, 334, 344, 354, 364 und zweite Fluidkanäle 19 dienen, und Durchgangsbohrungen zum Anordnen der ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und der zweiten Verdrahtungsleiter 21 in der Rohplatte erzeugt.
Der erste Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und der zweite Verdrahtungsleiter 21 sollten vorzugsweise aus Wolfram, Molybdän oder einer Legierung dieser gefertigt sein, um eine Oxidation zu verhindern. In diesem Fall wird beispielsweise durch Hinzufügen von 3 bis 20 Masseteilen Al₂O₃ und 0,5 bis 5 Masseteilen Nb₂O₅ zu 100 Masseteilen des als anorganische Komponente dienenden Wolfram- oder Molybdänpulvers eine Leiterpaste erzeugt. Die Leiterpaste wird in die durch die Rohplatte gebohrte Durchgangsbohrung gefüllt, um eine als Durchgangsleiter dienende Durchgangsbohrung zu erzeugen.
Zu der Leiterpaste wird zur Steigerung einer dichten Haftung des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363 und des Deckelkörpers 17 an Keramik beispielsweise im Verhältnis von 0,05 bis 2 Volumen-% Aluminiumoxidpulver oder Pulver aus dem gleichen Verbundstoff mit der Keramikkomponente hinzugefügt, aus der der Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 und der Deckelkörper 17 ausgebildet sind.
Der erste Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und der zweite Verdrahtungsleiter 21 werden vor, nach oder gleichzeitig mit der durch Füllen der Leiterpaste in die Durchgangsbohrung realisierten Erzeugung der Durchgangsleiter in den äußeren und inneren Schichten des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363 und des Deckelkörpers 17 erzeugt. Die Erzeugung der Verdrahtungsleiter erfolgt durch Druckbeschichtung der Rohplatte mit einer ähnlichen Leiterpaste in einem ähnlichen Muster mittels eines Siebdruckverfahrens, eines Gravurdruckverfahrens oder eines ähnlichen Verfahrens.
Anschließend werden die Positionen einer vorgegebenen Anzahl plattenartiger Formkörper mit der aufgedruckten und eingefüllten Leiterpaste ausgerichtet, worauf sie unter Druck aufeinander gestapelt werden. Der Schichtkörper wird dann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer hohen Temperatur von ca. 1200 bis 1500°C gebrannt. Dadurch werden der gewünschte Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363, der Deckelkörper 17, der erste Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und der zweite Verdrahtungsleiter 21 hergestellt.
Ferner weisen der Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 und der Deckelkörper 17, die aus Keramik gefertigt sind, vorzugsweise eine Dicke von 0,2 mm oder mehr auf. Wenn die Dicke geringer als 0,2 mm ist, treten aufgrund von Spannungen bei der Montage des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363 und des Deckelkörpers 17 leicht Risse im Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 und im Deckelkörper 17 auf, da die Festigkeit dazu neigt, unzureichend zu werden. Beträgt die Dicke andererseits mehr als 5 mm, geht die Eignung für eine Verwendung als in einem kleinen, mobilen Gerät installierte Brennstoffzelle verloren, da eine Verschmälerung und eine flache Gestaltung schwierig sind, und es besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein sofortiges Einstellen auf die den Bedingungen für elektrochemische Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 entsprechende, geeignete Temperatur schwierig wird.
Die ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und die zweiten Verdrahtungsleiter 21 sind jeweils elektrisch mit der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 verbunden, wodurch sie als Leitwege zur Entnahme von in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugten elektrischem Strom aus dem Brennstoffzellengehäuse 322, 332, 342, 352, 362 fungieren.
Das eine Ende des ersten Verdrahtungsleiters 325, 335, 345, 355, 365 ist um den der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegenden Öffnungsabschnitt 326, 336, 346, 356 und 366 des ersten Fluidkanals 324, 334, 344, 354, 364 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363 oder vorzugsweise über den gesamten Bereich der Oberfläche angeordnet, mit dem die erste Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 in Kontakt steht, und sein anderes Ende führt hinaus zu der äußeren Oberfläche (d. h. bei dem Beispiel gemäß 45 der unteren Oberfläche) des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363. Durch diesen Aufbau kann ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und dem gesamten Bereich der Hauptoberfläche der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit Ausnahme des Bereichs gegenüber dem Öffnungsabschnitt 326, 336, 346, 356 und 366 des ersten Fluidkanals 324, 334, 344, 354, 364 hergestellt werden. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365. Dadurch können eine Steigerung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines ungeeigneten Kontakts effektiv verhindert und so eine Brennstoffzelle realisiert werden, die erfolgreich eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität bietet.
Wie vorstehend beschrieben, ist der erste Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 vorzugsweise einstückig mit dem Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die Ausnehmung in der unteren Oberfläche des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363. Dadurch kann leicht ein Kontakt zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und der ersten Elektrode 14 hergestellt werden. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 325, 335, 345, 355, 365 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess in einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 zu reduzieren. Der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 325, 335, 345, 355, 365, der den Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Das eine Ende des zweiten Verdrahtungsleiters 21 ist um die der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 gegenüber liegende Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 oder äquivalent über den gesamten Bereich der Oberfläche angeordnet, mit dem die zweite Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 in Kontakt steht, und sein anderes Ende führt hinaus zu der äußeren Oberfläche (d. h. bei dem Beispiel gemäß 45 der oberen Oberfläche) des Deckelkörpers 17. Durch diesen Aufbau kann ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 21 und dem gesamten Bereich der Hauptoberfläche der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit Ausnahme des Bereichs gegenüber der Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 hergestellt werden. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem zweiten Verdrahtungsleiter 21. Dadurch können eine Steigerung des elektrischen Widerstands und das Auftreten eines ungeeigneten Kontakts effektiv verhindert und so eine Brennstoffzelle realisiert werden, die erfolgreich eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität bietet.
Wie der erste Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365, ist der zweite Verdrahtungsleiter 21 vorzugsweise einstückig mit dem Deckelkörper 17 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die Ausnehmung in der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17. Dadurch kann leicht ein Kontakt zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 21 und der zweiten Elektrode 15 hergestellt werden. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 21 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess in einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner können mehrere zweite Verdrahtungsleiter 21 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet sein. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im zweiten Verdrahtungsleiter 21 zu reduzieren. Der Teil zweiten Verdrahtungsleiters 21, der den Deckelkörper 17 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Durchmesser Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise werden die freiliegenden Oberflächen des ersten Verdrahtungsleiters 325, 335, 345, 355, 365 und des zweiten Verdrahtungsleiters 21 jeweils unter Verwendung eines Galvanisierungsverfahrens mit einem hoch leitfähigen Metallwerkstoff, wie Nickel, beschichtet, der hoch korrosionsbeständig ist und in Bezug auf ein Hartlotfüllmaterial eine ausgezeichnete Benetzbarkeit aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und dem zweiten Verdrahtungsleiter 21 sowie zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365, dem zweiten Verdrahtungsleiter 21 und einer externen elektrischen Schaltung.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365, 21 können jeweils elektrisch an die erste und die zweite Elektrode 14 und 15 angeschlossen werden, indem die Membranelektrodenbaugruppe 13 greifend zwischen den Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 und den Deckelkörper 17 eingesetzt wird. Dadurch werden der erste und zweite Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365, 21 jeweils mit der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 in Druckkontakt gebracht.
Auf der der ersten Elektrode 14 gegenüberliegenden Unterseite der Ausnehmung des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363 und auf der der zweiten Elektrode 15 gegenüber liegenden unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 sind jeweils der erste Fluidkanal 324, 334, 344, 354, 364 und der zweite Fluidkanal 19 ausgebildet. Der erste Fluidkanal 324, 334, 344, 354, 364 erstreckt sich zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 323, 333, 343, 353, 363, wogegen sich der zweite Fluidkanal 19 zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 17 erstreckt. Der erste und der zweite Fluidkanal 324, 334, 344, 354, 364, 19 bestehen aus in den Basiskörper 323, 333, 343, 353, 363 und den Deckelkörper 17 gebohrten Durchgangsbohrungen oder Rillen. Der erste und der zweite Fluidkanal 324, 334, 344, 354, 364, 19 dienen jeweils als Kanal für ein der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführendes Fluid, wie Brennstoffgas, beispielsweise wasserstoffreiches Reformgas, oder Oxidationsgas, beispielsweise Luft, und darüber hinaus als Kanal für nach Reaktionen aus der Membranelektrodenbaugruppe 13 abzugebendes Fluid, wie durch die Reaktionen erzeugtes Wasser.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 322 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 321 setzt sich zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal 324, 19 aus dem Öffnungsabschnitt 326, dem Kopplungsabschnitt 327, dem Fluideinlassabschnitt 328 und dem Fluidauslassabschnitt 329 zusammen. Der Öffnungsabschnitt 326 umfasst mehrere, in gleichmäßigen Abständen angeordnete, rillenartige Öffnungen von identischer Länge und Breite und ist gegenüber der unteren bzw. der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung im Basiskörper 323 oder auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 327 dient dem Koppeln der einen Enden sowie der anderen Enden mehrerer im Basiskörper 323 bzw. im Deckelkörper 17 ausgebildeter Öffnungen. Der Fluideinlassabschnitt erstreckt sich von einer Seite des Kopplungsabschnitts 327 zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 323 bzw. des Deckelkörpers 17. Der Fluidauslassabschnitt 329 erstreckt sich von der anderen Seite des Kopplungsabschnitts zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 323 bzw. des Deckelkörpers 17. Hinsichtlich der in den Basiskörper 323 bzw. den Deckelkörper 17 gebohrten Durchgangsbohrung oder Rille werden die Durchmesser und die Anzahl der Durchgangsbohrung bzw. die Tiefe und Anordnung der rillenartigen Öffnung nach Maßgabe der Spezifikationen der Brennstoffzelle 321 so bestimmt, dass der Membranelektrodenbaugruppe 13 ein Fluid, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig zugeführt werden kann.
Wird ein Teil des Fluids von dem Kopplungsabschnitt 327 in den Öffnungsabschnitt 326 abgeleitet, strömt das Fluid in der auf der Seite des Einlassabschnitts 328 und des Auslassabschnitts 329 angeordneten, rillenartigen Öffnung des Öffnungsabschnitts 326 mit einer höheren Geschwindigkeit ein, wogegen das Fluid in der entfernt vom Einlassabschnitt 328 und vom Auslassabschnitt 329 angeordneten Öffnung des Öffnungsabschnitts 326 mit einer geringeren Geschwindigkeit einströmt. Daher muss der im Öffnungsabschnitt 326 festzustellende Fluidwiderstand verringert werden. Um dies zu erreichen, ist es wichtig, die Anzahl der Öffnungen im Öffnungsabschnitt 326 zu erhöhen. Zur Verbesserung der gleichmäßigen Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführenden Fluids sollte die Öffnung z. B. vorzugsweise eine Breite von 1 mm und eine Tiefe von 0,2 mm aufweisen. Eine weitere Verbesserung der gleichmäßigen Zuführbarkeit des Fluids kann durch Verringern der Breite der Öffnungen auf 100 μm und durch Erhöhen der Anzahl der Öffnungen erzielt werden.
Bei dem in 47 gezeigten erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 332 und der Brennstoffzelle 331 ist es wesentlich, den in den mehreren rillenartigen Öffnungen, die den Öffnungsabschnitt 336 bilden, und in dem Kopplungsabschnitt 337, der die Öffnungen miteinander verbindet, festzustellenden Fluidwiderstand zu verringern. Zur Verbesserung der gleichmäßigen Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführenden Fluids wird der Fluidkanaldurchmesser des Kopplungsabschnitts 337 größer als der des Öffnungsabschnitts 336 eingestellt. Dies hilft, den Fluidwiderstand des Kopplungsabschnitts 337 über die Öffnungen in Bezug auf den Fluidwiderstand der Öffnung auf ein vernachlässigbares Niveau zu verringern zu verringern, und daher tritt nie der Fall ein, dass nur die auf der Seite des Einlassabschnitts 338 und des Auslassabschnitts 339 angeordnete Öffnung eine größere Fluidmenge erhält. Dadurch wird das Fluid den einzelnen, rillenartigen Öffnungen des Öffnungsabschnitts 336 gleichmäßig zugeführt. Um dies zu erreichen, sollte der Kopplungsabschnitt 337 vorzugsweise eine Breite von beispielsweise 4 mm und eine Tiefe von 0,5 mm oder mehr aufweisen, um in Bezug auf die Öffnung mit einer Breite von 1 mm und einer Tiefe von 0,2 mm einen geeigneten Fluidkanaldurchmesser zu erhalten. In diesem Fall ist das Fluidwiderstandsverhältnis zwischen der Öffnung und dem Kopplungsabschnitt 337 über die Öffnungen durch 20:(1·0,2):2:(4·0,5) bis mehr als 100:1 gegeben, da der Fluidwiderstand der Öffnung von dem Ausdruck Länge:(Breite·Tiefe) abgeleitet wird. Daher ist der Fluidwiderstand des Kopplungsabschnitts 337 über die Öffnungen in Relation zu dem der Öffnung kleiner eingestellt, und dadurch wird das Fluid den einzelnen, rillenartigen Öffnungen des Öffnungsabschnitts 336 gleichmäßig zugeführt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Breite und Tiefe des Kopplungsabschnitts 337 so bestimmt werden sollten, dass unter Berücksichtigung der Notwendigkeit der kompakten und flachen Gestaltung des Brennstoffzellengehäuses 332 ein größerer Fluidkanaldurchmesser realisiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 342, 352, 362 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 341, 351, 361 ist es wesentlich, Breite und Tiefe der rillenartigen Öffnung des Öffnungsabschnitts 346, 356, 366 entsprechend der Anordnung des Einlassabschnitts 348, 358, 368 und des Auslassabschnitts 349, 359, 369 zu verändern. Vorzugsweise weisen die auf der Seite des Einlassabschnitts 348, 358, 368 und des Auslassabschnitts 349, 359, 369 angeordnete, rillenartige Öffnung zur Steigerung des Fluidwiderstands eine schmalere Öffnungsbreite und die entfernt von dem Einlassabschnitt 348, 358, 368 und dem Auslassabschnitt 349, 359, 369 angeordnete Öffnung zur Verringerung des Fluidwiderstands eine breitere Öffnungsbreite auf. Durch sukzessives, geeignetes Einstellen der Fluidkanaldurchmesser der einzelnen Öffnungen entsprechend der Anzahl der rillenartigen Öffnungen des Öffnungsabschnitts 346, 356, 366 und der Fluidkanaldurchmesser und -längen des Öffnungsabschnitts 346, 356, 366 und des Kopplungsabschnitts 347, 357, 367 kann eine gleichmäßige Zuführbarkeit des dem Öffnungsabschnitt 346, 356, 366 zuzuführenden Fluids erzielt werden. Dadurch können die chemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 stabilisiert werden, ohne positionsabhängig ungleichmäßig zu sein, und die Temperaturverteilung in dem Brennstoffzellengehäuse 342, 352, 362 kann dementsprechend gleichmäßig gehalten werden. Dadurch können in der Membranelektrodenbaugruppe 13 auftretende thermische Spannungen unterdrückt werden, was eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 341, 351, 361 zur Folge hat.
Dies bedeutet, dass bei dem in 48 gezeigten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 342 und der Brennstoffzelle 341 sowohl der Einlassabschnitt 348 als auch der Auslassabschnitt 349 an einem Ende der Anordnung mehrerer Öffnungen des Öffnungsabschnitts 346 angeordnet sind und die Fluidkanaldurchmesser der Öffnungen von dem einen Ende, an dem der Einlassabschnitt 348 und der Auslassabschnitt 349 angeordnet sind, zum anderen Ende der Anordnung zunehmen. Durch diesen Aufbau weisen die näher an dem einen Ende der Anordnung, an dem der Einlassabschnitt 348 und der Auslassabschnitt 349 angeordnet sind, gelegenen Öffnungen einen größeren Fluidwiderstand auf, wogegen die näher am anderen Ende der Anordnung liegenden Öffnungen einen geringeren Fluidwiderstand aufweisen. Daher tritt nie der Fall ein, dass nur die Öffnung auf der Seite des Einlassabschnitts 348 und des Auslassabschnitts 349 eine größere Fluidmenge erhält. Dadurch wird das Fluid den einzelnen rillenartigen Öffnungen des Öffnungsabschnitts 346 gleichmäßig zugeführt.
Bei dem in 49 gezeigten erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 352 und der Brennstoffzelle 351 ist der Einlassabschnitt 358 an einem Ende der Anordnung mehrerer Öffnungen des Öffnungsabschnitts 356 angeordnet, während der Auslassabschnitt 359 am anderen Ende der Anordnung angeordnet ist und die Fluidkanaldurchmesser der Öffnungen in dem Öffnungsabschnitt 365 von beiden Enden zur Mitte der Anordnung zunehmen. Durch diesen Aufbau weisen die Öffnungen des Öffnungsabschnitts 356, die näher an den beiden Enden der Anordnung liegen, einen größeren Fluidwiderstand auf, wogegen die Öffnungen, die näher bei der Mitte der Anordnung liegen, einen geringeren Fluidwiderstand aufweisen. Daher tritt nie der Fall ein, dass nur die auf der Seite des Einlassabschnitts 358 und des Auslassabschnitts 359 angeordneten Öffnungen eine größere Fluidmenge erhalten. Dadurch wird das Fluid den einzelnen rillenartigen Öffnungen des Öffnungsabschnitts 356 gleichmäßig zugeführt.
Bei dem in 50 gezeigten erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 362 und der Brennstoffzelle 361 sind sowohl der Einlassabschnitt 358 als auch der Auslassabschnitt 359 in der Mitte der Anordnung der mehreren Öffnungen des Öffnungsabschnitts 366 angeordnet, und die Fluidkanaldurchmesser der Öffnungen in dem Öffnungsabschnitt 366 nehmen von der Mitte zu den beiden Enden der Anordnung zu. Durch diesen Aufbau weisen die Öffnungen des Öffnungsabschnitts 366, die näher bei der Mitte der Anordnung liegen, einen größeren Fluidwiderstand auf, wogegen die Öffnungen, die näher an den beiden Enden der Anordnung liegen, einen geringeren Fluidwiderstand aufweisen. Daher tritt nie der Fall ein, dass nur die auf der Seite des Einlassabschnitts 368 und des Auslassabschnitts 369 angeordneten Öffnungen eine größere Fluidmenge erhalten. Dadurch wird das Fluid den einzelnen rillenartigen Öffnungen des Öffnungsabschnitts 366 gleichmäßig zugeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 322, 332, 342, 352, 362 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 321, 331, 341, 351, 361 ist der erste Fluidkanal 324, 334, 344, 354, 364 gegenüber der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit der ersten Elektrode 14 angeordnet, wogegen der zweite Fluidkanal 19 gegenüber der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 mit der zweiten Elektrode 15 angeordnet ist. Durch diesen Aufbau kann jeweils Fluid zwischen der oberen und der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem ersten Fluidkanal 324, 334, 344, 354, 364 und dem zweiten Fluidkanal 19 ausgetauscht werden, wodurch das Fluid durch den jeweiligen Fluidkanal zugeführt und abgegeben werden kann. Überdies können beispielsweise bei der Zufuhr eines Gases als Fluid eine Abnahme des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 der Membranelektrodenbaugruppe 13 zugeführten Gases verhindert und so eine vorgegebene, stabile Ausgangsspannung erhalten werden. Da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert wird, wird ferner der Innendruck in der Brennstoffzelle 321, 331, 341, 351, 361 gleichmäßig gehalten. Dadurch können in der Membranelektrodenbaugruppe auftretende thermische Spannungen unterdrückt werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 321, 331, 341, 351, 361 führt.
Wie in den 45 bis 50 gezeigt, können durch den bisher beschriebenen Aufbau erfindungsgemäß das kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuse 322, 332, 342, 352, 362, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, und die Brennstoffzelle 321, 331, 341, 351, 361 geschaffen werden, die eine hoch effiziente Steuerung ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sein muss und daher ohne Abweichung vom Geist und Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind. Der erste und der zweite Fluidkanal können beispielsweise alternativ durch Erzeugen eines Einlasses auf der Seitenfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers konstruiert werden. Dadurch wird die Brennstoffzelle insgesamt schmaler, und die verkleinerte Brennstoffzelle kann effektiv für eine tragbare elektronische Vorrichtung verwendet werden. Überdies können die anderen Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters statt zu ihren äußeren Oberflächen jeweils zu einer gemeinsamen Seitenfläche des Basiskörpers und des Deckelkörpers hinaus führen. In diesem Fall können die Verdrahtungsleiter und die Kanäle zusammen auf nur einer Seite der Brennstoffzelle angeordnet werden. Dies hilft, die Miniaturisierung und den Schutz der extern angeschlossenen Teile zu vereinfachen. Dadurch kann eine hoch zuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind der erste Verdrahtungsleiter 325, 335, 345, 355, 365 und der zweite Verdrahtungsleiter 21 jeweils so über die gesamte untere Oberfläche der Ausnehmung um die Öffnung des ersten Fluidkanals 324, 334, 344, 354, 364 und die gesamte untere Oberfläche des Deckelkörpers 17 um die Öffnung des zweiten Fluidkanals 19 ausgebildet, dass sie jeweils die erste und die zweite Elektrode 14 und 15 berühren. Dies liegt daran, dass eine derartige Anordnung eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode 14 der Membranelektrodenbaugruppe 13 und dem ersten Verdrahtungsleiter 325, 335, 545, 355, 365 sowie der Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode 51 und dem zweiten Verdrahtungsleiter und eine Verringerung des elektrischen Widerstands ermöglicht. Es wird darauf hingewiesen, dass die Öffnungen im erstem Verdrahtungsleiter 325, 335, 545, 355, 365 und im zweiten Verdrahtungsleiter 21 auf der Seite der Membranelektrodenbaugruppe 13 zum Erzielen einer weiteren Steigerung der der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführenden Fluidmenge zur Steigerung der Menge der erzeugten Elektrizität aus einem porösen Element gefertigt sein können.
Überdies sind mehrere Membranelektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Basiskörpers ausgebildet, und diese Membranelektrodenbaugruppen können über den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander verbunden werden. In diesem Fall kann insgesamt ein hoher Spannungs- oder Stromausgang realisiert werden.
51 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 51 hervorgeht, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 323' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 angeordnet. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 371 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt, und im Deckelkörper 17' ist ein vierter Verdrahtungsleiter 372 angeordnet. Der dritte und der vierte Verdrahtungsleiter sind elektrisch miteinander verbunden. Dadurch sind jeweils die ersten Elektroden 14 sowie die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Zur Entnahme des Gesamtausgangs über die letzte der über den dritten und vierten Verdrahtungsleiter 371 und 372 in Reihe geschalteten Membranelektrodenbaugruppen 13, sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 325' und 21 jeweils elektrisch mit ihr verbunden. Da in diesem Fall der erste bis vierte Verdrahtungsleiter 325', 21', 371 und 372 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden (obwohl dies nicht dargestellt ist). Dies ermöglicht eine effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 322' und die Brennstoffzelle 321' realisiert, bei denen die in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen extrahiert werden kann. Der in 51 gezeigte Aufbau kann auch auf die in den 47 bis 50 gezeigten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse und die Brennstoffzellen angewendet werden, für die diese verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in 51 die Komponenten, die die gleichen oder entsprechende Rollen, wie in 45, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Insbesondere bezeichnen das Bezugszeichen 321' eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 322' ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 323' einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17' einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 324' einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19' einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 325' einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21' einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 326' einen Öffnungsabschnitt, das Bezugszeichen 327' einen Kopplungsabschnitt, das Bezugszeichen 328' einen Einlassabschnitt, das Bezugszeichen 329' einen Auslassabschnitt, das Bezugszeichen 371 einen dritten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 372 einen vierten Verdrahtungsleiter.
52 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform werden die mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform übereinstimmenden Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In 52 bezeichnen das Bezugszeichen 381 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 382 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 383 eine Öffnungskonfiguration.
Vorzugsweise sind der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 aus gesintertem Aluminiumoxid mit einem dicht gepackten Gefüge gefertigt, dessen relative Dichte beispielsweise 95% oder mehr beträgt. In diesem Fall werden beispielsweise zunächst Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel beigefügt und mit dem Aluminiumoxidpulver gemischt, und Pulverwerkstoffe aus gesintertem Aluminiumoxid werden hergestellt. Als Zweites werden ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmedium hinzugefügt und mit den Pulverwerkstoffen aus Aluminiumoxidsinter gemischt, um eine Paste zu erzeugen, und mittels eines Streichmesserverfahrens oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels zu den Pulvermaterialien und Ausführen eines Pressformens, Walzformens oder dergleichen wird aus der Paste eine Rohplatte mit einer spezifizierten Dicke hergestellt. Dann werden durch Stanzen mit einem Stempel, einen Mikrobohrer, einen Laser, Pressformen oder dergleichen als erste Fluidkanäle 18 und zweite Fluidkanäle 19 dienende Durchgangsbohrungen sowie Durchgangsbohrungen zum Anordnen der ersten Verbindungsleiter 20 und der zweiten Verbindungsleiter 21 in der Rohplatte erzeugt.
Zu diesem Zeitpunkt wird zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal so in der Rohplatte aus Keramik geformt, dass er sich von der einen Hauptoberfläche zur anderen Hauptoberfläche der Rohplatte aus Keramik mit einem Winkel θ von 35° bis 70° allmählich erweitert. Dadurch weist zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal 18 oder 19 eine Öffnungskonfiguration 383 auf, die so geformt ist, dass ihr Durchmesser zur Membranelektrodenbaugruppe 13 langsam kleiner wird.
Eine derartige Öffnungskonfiguration 383 wird unter Verwendung einer Form durch einen Stanzprozess realisiert. Genauer wird eine Aussparung erzeugt, so dass eine Durchgangsbohrung eines Stempels einen größeren Durchmesser als ein Stanzwerkzeug (eine stabförmige Stanzform) eines Stanzstempels aufweist. Dies ermöglicht beim Stanzen die Erzeugung einer Durchgangsbohrung, deren Auslassende größer als ihr Einlassende. Wenn die Rohplatte aus Keramik beispielsweise eine Dicke von ca. 0,5 mm aufweist, wird die Aussparung zwischen der äußeren Oberfläche des Stanzstifts und der inneren Oberfläche der Durchgangsbohrung des Stempels in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 mm gehalten. Dadurch kann der Winkel θ in einem Bereich von 35° bis 70° gehalten werden. Wenn der Winkel θ weniger als 35° beträgt, kann die Innenwand des Kanals nicht effizient und stabil gebildet werden.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal 18 oder 19 so geformt, dass sein Durchmesser zur Membranelektrodenbaugruppe 13 allmählich kleiner wird. Dies erleichtert die Verdampfung von durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugtem Wasserdampf oder Wasser, was den Vorteil mit sich bringt, dass das Auftreten einer Blockade des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 verhindert wird, die als Fluidkanäle für Luft dienen. Dadurch kann verhindert werden, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, und als Oxidationsgas fungierende, aus der Atmosphäre entnommene Luft kann effizient über den ersten und den zweiten Fluidkanal 18 und 19 zugeführt werden. Dadurch können die elektrochemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erleichtert werden, wodurch eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität möglich wird. Ferner können die Berührungsflächen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 14, 15 und dem Basiskörper 16 und dem Deckelkörper 17 vergrößert werden, was zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands führt.
Erfindungsgemäß ist die Innenwand zumindest entweder des ersten oder des zweiten Fluidkanals 18 oder 19 mit einem hygroskopischen Element 53 beschichtet. Da durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugter Wasserdampf oder Wasser durch das hygroskopische Element 53 absorbiert und entfernt wird, kann das Auftreten einer Blockade des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 effektiv verhindert werden, die als Fluidkanäle für Luft fungieren. Dadurch kann verhindert werden, dass die Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, und über den ersten und den zweiten Fluidkanal 18 und 19 kann effektiv als Oxidationsgas fungierende, aus der Atmosphäre entnommene Luft zugeführt werden. Dadurch können die chemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erleichtert werden, wodurch eine hocheffiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird.
Als hygroskopisches Element wird vorzugsweise ein hoch wasserabsorbierender (H₂O-absorbierender) Werkstoff verwendet. Beispiele hierfür umfassen Siliciumoxidgel, Aluminiumoxid, Ton, Aktivkohle, Papier und Holzpulver. Pulver aus anorganischen Substanzen, wie Siliciumoxidgel, Aluminiumoxid oder Ton sind hinsichtlich des Erhalts der gewünschten Feuchtigkeitsabsorptionseigenschaften besonders zweckmäßig. Dies liegt daran, dass der wasserabsorbierende (H₂O-absorbinerende) Bereich durch Einstellen der Größe der Pulverpartikel durch Pulverisieren oder einen ähnlichen Prozess leicht gesteuert werden kann.
Im Falle des Aufbringens eines derartigen hygroskopischen Elements 53 auf die Innenfläche des ersten oder zweiten Fluidkanals 18 oder 19 sollte das hygroskopische Element 53 vorzugsweise sowohl auf den ersten als auch auf den zweiten Fluidkanal 18 und 19 aufgebracht werden. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung der Gleichmäßigkeit des als Oxidationsgas fungierenden, der Atmosphäre entnommenen Luftstroms im ersten und im zweiten Fluidkanal 18 und 19. Überdies sollte die Dicke des hygroskopischen Elements 53 vorzugsweise so eingestellt werden, dass sie 10% oder weniger des Öffnungsbereichs des ersten bzw. des zweiten Fluidkanals 18, 19 beträgt. Der Grund hierfür ist, dass der Einfluss des Druckverlusts zum Zeitpunkt der Zufuhr von Luft als Oxidationsgas minimiert werden muß.
Zur Erleichterung der Verdampfung von Wasser auf dem hygroskopischen Element 53 durch die Wirkung des Luftstroms sind die Innenwände des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 vorzugsweise vollständig mit dem hygroskopischen Element beschichtet.
Dadurch kann in einem Fall, in dem das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse 52 und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 51 für ein kompaktes Zellensystem, wie beispielsweise eine tragbare DMFC (Direktmethanolbrennstoffzelle), verwendet wird, das Zellensystem mit nur 10 ml Methanol über Duzende Stunden betrieben werden. Hinsichtlich der Menge des erzeugten Wassers wird beim Verbrauch von 1 g Methanol lediglich 1 ml Wasser (H₂O) erzeugt. Dies bedeutet, dass die Menge des von dem hygroskopischen Element 53 absorbierten Wassers (H₂O) so gering ist, dass es durch den mittels eines Gebläses erzeugten Luftstrom ausreichend verdampft wird. Daher hat die Wassererzeugung absolut keine wesentlichen Auswirkungen auf den kontinuierlichen Betrieb.
Durch den bisher beschriebenen Aufbau können, wie in 52 gezeigt, erfindungsgemäß das kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuse 382, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, und die Brennstoffzelle 381 geschaffen werden, die eine hocheffiziente Steuerung ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele begrenzt sein muss und dass daher ohne Abweichung vom Geist oder Rahmen der Erfindung verschiedene Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Der erste und der zweite Fluidkanal können beispielsweise alternativ durch Erzeugen eines Einlasses auf der seitlichen Oberfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers erzeugt werden. In diesem Fall wird die Brennstoffzelle insgesamt verschmälert, und die verkleinerte Brennstoffzelle kann effektiv für ein tragbares elektronisches Gerät verwendet werden. Überdies können die anderen Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters jeweils zu einer gemeinsamen Seitenfläche des Basiskörpers und des Deckelkörpers statt zu ihren äußeren Oberflächen hinaus führen. In diesem Fall können die Verdrahtungsleitungen und die Kanäle auf nur einer Seite der Brennstoffzelle zusammengefasst werden. Dies hilft bei der Vereinfachung der Miniaturisierung und beim Schutz der extern angeschlossenen Abschnitte. Daher kann eine hoch zuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Ferner sind mehrere Membranelektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Basiskörpers untergebracht, und diese Membranelektrodenbaugruppen können über den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander verbunden werden. In diesem Fall kann insgesamt ein hoher Spannungs- oder Stromausgang realisiert werden.
53 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 53 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16', der mehrere Ausnehmungen aufweist, eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal 18' oder 19' weist einen Öffnungsabschnitt 384, einen Kopplungsabschnitt 385, einen Fluideinlassabschnitt 386 und einen (nicht dargestellten) Auslassabschnitt auf. Der Öffnungsabschnitt 384 besteht aus mehreren, in gleichmäßigen Abständen angeordneten, rillenartigen Öffnungen mit identischer Länge und Breite. Der Öffnungsabschnitt ist gegenüber der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der Unterseite der Ausnehmung angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 385 dient dem Koppeln der einen sowie der anderen Enden mehrerer Öffnungen. Der Fluideinlassabschnitt 386 erstreckt sich von der einen und der anderen Seite des Kopplungsabschnitts 385 zur äußeren Oberfläche. Die erste und die zweite Elektrode 14 und 15 sind jeweils elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsleiter 20' und dem zweiten Verdrahtungsleiter 21' verbunden. In diesem Fall kann dem Öffnungsabschnitt 384, der die Form mehrerer Rillen aufweist, über den Fluideinlassabschnitt 386 und den Kopplungsabschnitt 385 leicht ein Fluid zugeführt werden. Die Längen und Breiten der mehreren, rillenartigen Öffnungen, die den Öffnungsabschnitt 384 bilden, sind identisch, und sie sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Selbst wenn ein Fluid mit hoher Geschwindigkeit strömt, wird daher der im Fluidkanal festzustellende Widerstand verringert, da der Abstand zwischen dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt gering ist. Dadurch kann die gleichmäßige Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführenden Fluids verbessert werden, und das durch chemische Reaktionen erzeugte Wasser (H₂O) kann kontinuierlich getrocknet und entfernt werden, wenn die als Oxidationsgas dienende, der Atmosphäre entnommene Luft in die Öffnungskonfiguration 383 eintritt oder diese verlässt. Da der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20' und 21' überdies eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht insgesamt eine effiziente Einstellung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 382' und die Brennstoffzelle 281' realisiert, durch die in der Membranelektrodenbaugruppe elektrochemisch 13 erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen extrahiert werden kann.
54 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 54 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16'', der mehrere Ausnehmungen aufweist, eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 387 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt. Dadurch sind die jeweiligen ersten Elektroden 14 sowie die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 der mehreren Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Um den gesamten Ausgang über die letzte der Membranelektrodenbaugruppen 13 zu erhalten, sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20'', 21'' jeweils elektrisch mit ihr verbunden. Da der erste bis dritte Verdrahtungsleiter 20'', 20'', 387 in diesem Fall eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können mehrere Membranelektrodenbaugruppen beliebig in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht eine effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 382'' und die Brennstoffzelle 381'' realisiert, bei denen in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen geleitet werden kann.
55 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend erwähnten Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet. In 55 bezeichnen das Bezugszeichen 391 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 392 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 393 eine Öffnungskonfiguration.
Der Aufbau der in 55 gezeigten Brennstoffzelle ähnelt dem der in 52 gezeigten Brennstoffzelle 381. Es wird darauf hingewiesen, dass zumindest entweder der erste Fluidkanal 18 oder der zweite Fluidkanal 19 so aufgebaut ist, dass die Öffnung an dem Ende auf der Seite der Membranelektrodenbaugruppe 13 eine größere Breite als die Öffnung an seinem entgegengesetzten Ende aufweist. Zudem umfasst das Brennstoffzellengehäuse 392 den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17.
Der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 sind vorzugsweise aus gesintertem Aluminiumoxid mit einem dicht gepackten Gefüge gefertigt, dessen relative Dichte beispielsweise 95% oder mehr beträgt. In diesem Fall werden beispielsweise zunächst Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel beigefügt und mit dem Aluminiumoxidpulver gemischt, und Pulverwerkstoffe aus gesintertem Aluminiumoxid werden hergestellt. Als Zweites werden ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmedium hinzugefügt und mit den Pulverwerkstoffen aus Aluminiumoxidsinter gemischt, um eine Paste zu erzeugen, und mittels eines Streichmesserverfahrens oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels zu den Pulvermaterialien und Ausführen eines Pressformens, Walzformens oder dergleichen wird aus der Paste eine Rohplatte mit einer spezifizierten Dicke hergestellt. Dann werden durch Stanzen mit einem Stempel, einen Mikrobohrer, einen Laser oder dergleichen als erste Fluidkanäle 18 und zweite Fluidkanäle 19 dienende Durchgangsbohrungen und Durchgangsbohrungen zum Anordnen der ersten Verbindungsleiter 20 und der zweiten Verbindungsleiter 21 in der Rohplatte erzeugt.
Gleichzeitig wird zumindest entweder der erste Fluidkanal oder der zweite Fluidkanal 18 oder 19 so in der Rohplatte aus Keramik erzeugt, dass er von der einen Hauptoberfläche der Rohplatte aus Keramik zu ihrer anderen Hauptoberfläche in einem Winkel θ von 35° bis 70° allmählich schmaler wird. Dadurch weist zumindest entweder der erste Fluidkanal oder der zweite Fluidkanal 18 oder 19 die Öffnungskonfiguration 393 auf, die so geformt ist, dass ihr Durchmesser zur Membranelektrodenbaugruppe 13 allmählich größer wird.
Erfindungsgemäß ist zumindest entweder der erste Fluidkanal oder der zweite Fluidkanal 18 oder 19 vorzugsweise so geformt, dass sein Durchmesser zur Membranelektrodenbaugruppe 13 allmählich größer wird. Da die Berührungsfläche zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter und der ersten Elektrode 14 und die Berührungsfläche zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 21 und der zweiten Elektrode 15 durch diesen Aufbau klein werden, kann die auf die Berührungsfläche zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 20 und der ersten Elektrode 14 und die Berührungsfläche zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 21 und der zweiten Elektrode 15 aufgebrachte Last pro Einheitsbereich größer eingestellt werden, wenn der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 in Druckkontakt mit der Membranelektrodenbaugruppe 13 gebracht werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Anschlüsse führt. Selbst wenn die auf den Basiskörper 16 und den Deckelkörper 17 aufgebrachte Last klein gehalten wird, ist es dadurch möglich, das Auftreten von Rissen oder Brüchen im Basiskörper und im Deckelkörper 17 effektiv zu verhindern.
Da der Bereich vergrößert werden kann, in dem die Luft und das Brennstoffgas mit der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 in Kontakt gelangen, können zudem die elektrochemischen Reaktionen erleichtert werden, wodurch eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß ist die Innenwand zumindest entweder des ersten Fluidkanals oder des zweiten Fluidkanals 18 oder 19 mit einem hygroskopischen Element beschichtet. Da durch eine elektrochemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erzeugter Wasserdampf oder Wasser durch das hygroskopische Element absorbiert und entfernt werden, kann das Auftreten einer Blockade des ersten und des zweiten Fluidkanals 18 und 19 verhindert werden, die als Fluidkanäle für Luft fungieren. Dadurch kann verhindert werden, dass die Elektrodenoberfläche der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 mit Wasser (H₂O) bedeckt werden, und die als Oxidationsgas fungierende, der Atmosphäre entnommene Luft kann über den ersten und den zweiten Fluidkanal 18 und 19 effektiv zugeführt werden. Dadurch können die elektrochemischen Reaktionen in der Membranelektrodenbaugruppe 13 erleichtert werden, wodurch eine hoch effiziente Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird.
Als hygroskopisches Element wird vorzugsweise ein hoch wasserabsorbierendes (H₂O-absorbierendes) Material verwendet. Beispiele hierfür umfassen Siliciumoxidgel, Aluminiumoxid, Ton, Aktivkohle, Papier und Holzpulver. Pulver aus anorganischen Substanzen, wie Siliciumoxidgel, Aluminiumoxid oder Ton sind hinsichtlich des Erhalts der gewünschten Feuchtigkeitsabsorptionseigenschaften besonders zweckmäßig. Dies liegt daran, dass der wasserabsorbierende (H₂O-absorbinerende) Bereich durch Einstellen der Größe der Pulverpartikel durch Pulverisieren oder einen ähnlichen Prozess leicht gesteuert werden kann.
Wird ein hygroskopisches Element 53 auf die Innenwand des ersten und zweiten Fluidkanals 18 oder 19 aufgebracht, sollte das hygroskopische Element 53 vorzugsweise sowohl auf den ersten als auch auf den zweiten Fluidkanal 18 und 19 aufgebracht werden. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung der Gleichmäßigkeit des als Oxidationsgas fungierenden, der Atmosphäre entnommenen Luftstroms im ersten und im zweiten Fluidkanal 18 und 19. Überdies sollte die Dicke des hygroskopischen Elements 53 vorzugsweise so eingestellt werden, dass sie 10% oder weniger des Durchmessers des Öffnungsbereichs des ersten bzw. des zweiten Fluidkanals 18, 19 beträgt. Der Grund hierfür ist, dass der Einfluß des Druckverlusts zum Zeitpunkt der Zufuhr von Luft als Oxidationsgas minimiert werden muß.
Zur Erleichterung der Verdampfung von Wasser auf dem hygroskopischen Element durch die Wirkung des Luftstroms sind die Innenwände des ersten und des zweiten Fluidkanals vorzugsweise vollständig mit dem hygroskopischen Element beschichtet. Dadurch kann in einem Fall, in dem das erfindungsgemäße Brennstoffzellengehäuse 392 und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 391 für ein kompaktes Zellensystem, wie beispielsweise eine tragbare DMFC (Direktmethanolbrennstoffzelle), verwendet wird, das Zellensystem mit nur 10 ml Methanol über Duzende Stunden betrieben werden. Hinsichtlich der Menge des erzeugten Wassers wird beim Verbrauch von 1 g Methanol lediglich 1 ml Wasser (H₂O) erzeugt. Dies bedeutet, dass die Menge des von dem hygroskopischen Element 53 absorbierten Wassers (H₂O) so gering ist, dass es durch den mittels eines Gebläses erzeugten Luftstrom ausreichend verdampft wird. Daher hat die Wassererzeugung absolut keine wesentlichen Auswirkungen auf den kontinuierlichen Betrieb.
Durch den bisher beschriebenen Aufbau können erfindungsgemäß das kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuse 392, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, wie in 11 gezeigt, und die Brennstoffzelle 391 geschaffen werden, die eine hocheffiziente Steuerung ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele begrenzt sein muß und daß daher ohne Abweichung vom Geist oder Rahmen der Erfindung verschiedene Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Der erste und der zweite Fluidkanal können beispielsweise alternativ durch Erzeugen eines Einlasses auf der seitlichen Oberfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers erzeugt werden. In diesem Fall wird die Brennstoffzelle insgesamt schmaler, und die verkleinerte Brennstoffzelle kann effektiv für ein tragbares elektronisches Gerät verwendet werden. Überdies können die anderen Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters jeweils zu gemeinsamen Seitenflächen des Basiskörpers und des Deckelkörpers statt zu ihren äußeren Oberflächen hinaus geführt werden. In diesem Fall können die Verdrahtungsleitungen und die Kanäle nur auf einer Seite der Brennstoffzelle zusammengefaßt werden. Dies hilft bei der Vereinfachung der Miniaturisierung und beim Schutz der extern angeschlossenen Abschnitte. Daher kann eine hoch zuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
Ferner sind mehrere Membranelektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Basiskörpers untergebracht, und diese Membranelektrodenbaugruppen können über den ersten und den zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander verbunden sein. In diesem Fall kann insgesamt ein hoher Spannungs- bzw. Stromausgang erzielt werden.
56 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 56 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16', der mehrere Ausnehmungen aufweist, eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Zumindest entweder der erste oder der zweite Fluidkanal 18' oder 19' weist einen Öffnungsabschnitt 394, einen Kopplungsabschnitt 359, einen Fluideinlaßabschnitt 396 und einen (nicht dargestellten) Auslaßabschnitt auf. Der Öffnungsabschnitt 394 ist aus mehreren, in gleichmäßigen Abständen angeordneten, rillenartigen Öffnungen von identischer Länge und Breite zusammengesetzt. Der Öffnungsabschnitt ist gegenüber der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 359 dient dem Koppeln der einen und der anderen Enden mehrerer Öffnungen. Der Fluideinlaßabschnitt 396 erstreckt sich von der einen und der anderen Seite des Kopplungsabschnitts 359 zur äußeren Oberfläche. Die erste und die zweite Elektrode 14 und 15 sind jeweils elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsleiter 20' und dem zweiten Verdrahtungsleiter 21' verbunden. In diesem Fall kann dem Öffnungsabschnitt 394, der die Form mehrerer Rillen hat, über den Fluideinlaßabschnitt 396 und den Kopplungsabschnitt 359 leicht ein Fluid zugeführt werden. Die mehreren rillenartigen Öffnungen, die den Öffnungsabschnitt 394 bilden, weisen identische Längen und Breiten auf und sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Da der Abstand zwischen dem Einlaßabschnitt 396 und dem Auslaßabschnitt gering ist, kann der im Fluidkanal festzustellende Widerstand daher selbst dann verringert werden, wenn das Fluid mit einer hohen Geschwindigkeit fließt. Dadurch kann die gleichmäßige Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe 13 zuzuführenden Fluids verbessert werden, und das durch die chemische Reaktion erzeugte Wasser (H₂O) kann kontinuierlich getrocknet und entfernt werden, wenn die als Oxidationsgas zugeführte Luft aus der Atmosphäre in die Öffnungskonfiguration 393 gelangt oder sie verläßt. Da der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20' und 21' eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können überdies mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht ein effizientes Einstellen der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 392' und die Brennstoffzelle 391' realisiert, durch die die elektrochemisch in den Membranelektrodenbaugruppen 13 erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen extrahiert werden kann.
57 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus 57 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform in jeder Ausnehmung des Basiskörpers 16'' mit mehreren Ausnehmungen eine Membranelektrodenbaugruppe 13 untergebracht. Überdies ist ein dritter Verdrahtungsleiter 397 so angeordnet, dass er sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstreckt. Daher sind die jeweiligen ersten Elektroden 14 sowie die ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrisch miteinander verbunden. Zur Entnahme des Gesamtausgangs über die letzten der Membranelektrodenbaugruppen 13 sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20'' und 21'' elektrisch mit ihnen verbunden. Da der erste bis dritte Verdrahtungsleiter 20'', 21'' und 397 eine freie, dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können in diesem Fall mehrere Membranelektrodenbaugruppen 13 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Dies ermöglicht eine effiziente Einstellung der gesamten Ausgangsspannung und des gesamten Ausgangsstroms. Dadurch werden das Brennstoffzellengehäuse 392'' und die Brennstoffzelle 391'' realisiert, durch die die in den Membranelektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugte Elektrizität zufriedenstellend nach außen geleitet werden kann.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne daß von ihrem Geist oder ihren wesentlichen Merkmalen abgewichen würde. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu verstehen, wobei der Rahmen der Erfindung nicht in der vorstehenden Beschreibung, sondern in den beiliegenden Ansprüche dargelegt ist und alle Änderungen, die in den Sinn und den Bereich der Äquivalenz zu den Ansprüchen fallen, daher als darin enthalten zu verstehen sind.

Claims

Brennstoffzellengehäuse mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper (16) mit einer auf einer ihrer Oberflächen ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe (13) mit einer ersten Elektrode (14) und einer zweiten Elektrode (15), die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind, einem ersten Fluidkanal (18), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16) erstreckt, einem ersten Verdrahtungsleiter (20), dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode (14) der Membranelektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16) hinaus führt, einem in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (16) montierten Deckelkörper (17), dass er die Ausnehmung vollständig luftdicht abdeckt, einem zweiten Fluidkanal (19), der sich von der einen der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers (17) zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17) erstreckt, und einem zweiten Verdrahtungsleiter (21), dessen eines Ende auf der der zweiten Elektrode (15) der Membranelektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers (17) angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17) führt.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, bei dem der erste Verdrahtungsleiter (20) so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung ausgebildete Öffnung des ersten Fluidkanals (18) angeordnete Öffnung ausgebildet ist, dass er die erste Elektrode (14) berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter (21) so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (17) angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals (19) ausgebildet ist, dass er die zweite Elektrode (15) berührt.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, das ferner ein Heizelement (43) zum Erwärmen der einen oder der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe (13) umfasst, das am Rand der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals (18) und/oder der auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (17) angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals (19) ausgebildet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, das ferner ein hygroskopisches Element (53) umfasst, mit dem die Innenfläche des ersten Fluidkanals (18) und/oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals (19) beschichtet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, das ferner eine wärmeisolierende Schicht (63) umfasst, die in einem Teil des Basiskörpers (16) und/oder in einem Teil des Deckelkörpers (17) in der Nähe der Ausnehmung ausgebildet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, das ferner einen wasserabweisenden Film (73) umfasst, mit dem die Innenfläche des ersten Fluidkanals (18) und/oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals (19) beschichtet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, bei dem der erste Verdrahtungsleiter (20) so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals (18) ausgebildet ist, dass er die erste Elektrode (14) berührt, und dessen Oberfläche mit einem korrosionsfesten Metall beschichtet ist und/oder der zweite Verdrahtungsleiter (21) so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (17) angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals (19) ausgebildet ist, dass er die zweite Elektrode (15) berührt, und eine mit einem korrosionsbeständigen Metall beschichtete Oberfläche aufweist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, bei dem der erste Verdrahtungsleiter (20) so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals (18) ausgebildet ist, dass er die erste Elektrode (14) berührt; in einem in bezug auf den ersten Verdrahtungsleiter (20) auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Teil des Basiskörpers (16) parallel zu dem ersten Verdrahtungsleiter (20) ein dritter Verdrahtungsleiter (153) ausgebildet ist; und ein erster Verbindungsleiter (154) zum Verbinden des ersten Verdrahtungsleiters (20) mit dem dritten Verdrahtungsleiter (153) zwischen den im Basiskörper (16) angeordneten ersten Fluidkanälen (18) ausgebildet ist; der zweite Verdrahtungsleiter (21) so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (17) angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals (19) ausgebildet ist, dass er die zweite Elektrode (15) berührt; in einem in bezug auf den zweiten Verdrahtungsleiter auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Teil des Deckelkörpers (17) parallel zum zweiten Verdrahtungsleiter (21) ein vierter Verdrahtungsleiter (155) ausgebildet ist, und ein zweiter Verbindungsleiter (156) zum Verbinden des zweiten Verdrahtungsleiters (21) mit dem vierten Verdrahtungsleiter (155) zwischen den im Deckelkörper (17) angeordneten zweiten Fluidkanälen (19) ausgebildet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, bei dem der erste Verdrahtungsleiter (20) so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals (18) ausgebildet ist, dass er die erste Elektrode (14) berührt; in einem in bezug auf den ersten Verdrahtungsleiter (20) auf der anderen Seite der Oberfläche angeordneten Teil des Basiskörpers (16) parallel zu dem ersten Verdrahtungsleiter (20) ein dritter Verdrahtungsleiter (153) ausgebildet ist; und ein erster Verbindungsleiter (154a) zum Verbinden des ersten Verdrahtungsleiters (20) mit dem dritten Verdrahtungsleiter (153) auf der inneren Umfangsfläche des im Basiskörper (16) angeordneten ersten Fluidkanals (18) ausgebildet ist; und der zweite Verdrahtungsleiter (21) so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (17) angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals (19) ausgebildet ist, dass er die zweite Elektrode (15) berührt; in einem in bezug auf den zweiten Verdrahtungsleiter (21) auf der Seite der anderen Oberfläche angeordneten Teil des Deckelkörpers (17) parallel zum zweiten Verdrahtungsleiter (21) ein vierter Verdrahtungsleiter (155) ausgebildet ist; und ein zweiter Verbindungsleiter (156a) zum Verbinden des zweiten Verdrahtungsleiters (21) mit dem vierten Verdrahtungsleiter (155) auf der inneren Umfangsfläche des im Deckelkörper (17) angeordneten zweiten Fluidkanals (19) ausgebildet ist.
Brennstoffzellengehäuse mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper (166) zur Unterbringung einer ersten Elektrode (164) einer aus einem plattenförmigen, festen Elektrolyt gefertigten Membranelektrodenbaugruppe (163) mit einer ersten Elektrode (164), die so auf ihrer einen Hauptoberfläche ausgebildet ist, dass der feste Elektrolyt am Rand übersteht und einer zweiten Elektrode (165), die so auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet ist, dass der feste Elektrolyt am Rand übersteht, wobei auf einer Oberfläche des Basiskörpers (166) eine erste Ausnehmung ausgebildet ist, an deren äußerem Rand ein Anordnungsabschnitt (172) ausgebildet ist, auf dem der überstehende Teil (174) des festen Elektrolyts angeordnet ist; einem ersten Fluidkanal (168), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (163) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (166) erstreckt; einem ersten Verdrahtungsleiter (170), dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode (164) der Membranelektrodenbaugruppe (163) auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende hinaus zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (166) führt; einem Deckelkörper (167) zur Aufnahme der zweiten Elektrode (165), der in der Nähe der ersten Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (166) montiert ist, dass er die erste Ausnehmung bedeckt, wobei der Deckelkörper (167) eine auf seiner unteren Oberfläche ausgebildete zweite Ausnehmung aufweist, die einen so an seinem äußeren Rand ausgebildeten Auflageabschnitt (173) aufweist, dass er den überstehenden Teil berührt, wodurch eine greifende Anordnung des überstehenden Abschnitts (174) zwischen dem Auflageabschnitt (173) und dem Anordnungsabschnitt (172) ermöglicht wird und der Deckelkörper (167) die erste Ausnehmung hermetisch abdichtet; einem zweiten Fluidkanal (169), der sich von einer der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe (163) gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers (167) zu einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (167) erstreckt; und einem zweiten Verdrahtungsleiter (171), dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode (165) der Membranelektrodenbaugruppe (163) auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (167) angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (167) führt.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 10, bei dem der erste Verdrahtungsleiter (170) so um die auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals (168) ausgebildet ist, dass er die erste Elektrode (164) berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter (171) so um die auf der unteren Oberfläche der zweiten Ausnehmung angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals (169) ausgebildet ist, dass er die zweite Elektrode (165) berührt.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 10, das ferner ein Heizelement (43) zum Erwärmen der einen und/oder der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe (163) umfasst, das am Rand der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals (168) und/oder der auf der unteren Oberfläche der zweiten Ausnehmung angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals (169) ausgebildet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 10, das ferner ein hygroskopisches Element umfasst, mit dem die Innenfläche des ersten Fluidkanals (168) und/oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals (169) beschichtet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 10, das ferner eine wärmeisolierende Schicht umfasst, die auf einem in der Nähe der ersten Ausnehmung befindlichen Teil des Basiskörpers (166) und/oder einem auf einem in der Nähe der zweiten Ausnehmung befindlichen Teil des Deckelkörpers (167) ausgebildet ist.
Brennstoffzellengehäuse (182) mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper (186) zur Unterbringung einer ersten Elektrode (184) einer aus einem plattenförmigen, festen Elektrolyt gefertigten Membranelektrodenbaugruppe (183) mit einer ersten Elektrode (184), die so auf einer Hauptoberfläche des Basiskörpers ausgebildet ist, dass der feste Elektrolyt am Rand übersteht, und einer zweiten Elektrode (185), die jeweils so auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet ist, dass der feste Elektrolyt am Rand übersteht, wobei auf einer Oberfläche des Basiskörpers (186) eine erste Ausnehmung ausgebildet ist, an deren äußerem Rand ein Anordnungsabschnitt (192) ausgebildet ist, auf dem der überstehende Teil (194) des festen Elektrolyts angeordnet ist; einem ersten Fluidkanal (188), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (183) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (186) erstreckt; einem ersten Verdrahtungsleiter (190), dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode (184) der Membranelektrodenbaugruppe (183) auf der unteren Oberfläche der ersten Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende hinaus zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (186) führt; einem Deckelkörper (187) zum luftdichten Abdichten der Ausnehmung, der in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (186) montiert ist, dass er die erste Ausnehmung bedeckt; einem zweiten Fluidkanal (189), der sich von einer der anderen Hauptfläche der Membranelektrodenbaugruppe (183) gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers (186) zu einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (187) erstreckt; und einem zweiten Verdrahtungsleiter (191), dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode (185) der Membranelektrodenbaugruppe (183) auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (187) angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (187) führt.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 15, bei dem der erste Verdrahtungsleiter (190) so um die auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnete Öffnung des ersten Fluidkanals (188) ausgebildet ist, dass er die erste Elektrode (184) berührt und/oder der zweite Verdrahtungsleiter (191) so um die auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (187) angeordnete Öffnung des zweiten Fluidkanals (189) ausgebildet ist, dass er die zweite Elektrode (185) berührt.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 15, das ferner ein am Rand der auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordneten Öffnung des ersten Fluidkanals (188) und/oder am Rand der auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (187) angeordneten Öffnung des zweiten Fluidkanals (189) ausgebildetes Heizelement zum Erwärmen der einen oder der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (183) umfasst.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 15, das ferner ein hygroskopisches Element umfasst, mit dem die Innenfläche des ersten Fluidkanals (188) und/oder die Innenfläche des zweiten Fluidkanals (189) beschichtet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 15, das ferner eine wärmeisolierende Schicht umfasst, die auf einem Teil des Basiskörpers (186) und/oder auf einem Teil des Deckelkörpers (187) ausgebildet ist bzw. sind und wobei die Teile in der Nähe der Ausnehmung liegen.
Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenbaugruppe (13) mit einer ersten Elektrode (14) und einer zweiten Elektrode (15), die auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind, und dem Brennstoffzellengehäuse gemäß Anspruch 1, wobei die Membranelektrodenbaugruppe (13) in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses untergebracht ist, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (13) so aufgebaut sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal (18, 19) ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode (14, 15) jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter (20, 21) verbunden sind und der Deckelkörper (17) in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (16) montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.
Elektronische Vorrichtung mit der Brennstoffzelle nach Anspruch 20, die als Stromquelle genutzt wird, wobei der Basiskörper (16) aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und im Basiskörper (16) und/oder im Deckelkörper (17) ein externer Anschluß (83) ausgebildet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 21, die ferner eine im Basiskörper ausgebildete interne Schaltung umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 21, die ferner ein so auf der Oberfläche des Basiskörpers (16) ausgebildetes elektronisches Teil umfasst, dass es elektrisch mit der internen Schaltung verbunden ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 21, die ferner eine ein Stück weit entweder im ersten oder im zweiten Fluidkanal (18, 19) angeordnete piezoelektrische Pumpe umfasst.
Brennstoffzelle mit einer aus plattenförmigem Festelektrolyt gefertigten Membranelektrodenbaugruppe (163) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (164, 165), die jeweils so auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, dass der Festelektrolyt am Rand übersteht, und dem Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 10, wobei die Membranelektrodenbaugruppe (163) auf dem Anordnungsabschnitt (172) des Brennstoffzellengehäuses angeordnet ist, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (163) so angeordnet sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal (168, 169) ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode (164, 165) jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter (170, 171) verbunden sind und der Deckelkörper (167) in der Nähe der ersten Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (166) montiert ist, dass er die erste Ausnehmung bedeckt.
Elektronische Vorrichtung mit der Brennstoffzelle nach Anspruch 25, die als Stromquelle dient, wobei der Basiskörper (166) aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und im Basiskörper (166) und/oder im Deckelkörper (177) ein externer Anschluß (203) ausgebildet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 26, die ferner eine im Basiskörper (166) ausgebildete interne Schaltung umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 26, die ferner ein so auf der Oberfläche des Basiskörpers (166) ausgebildetes elektronisches Teil umfasst, dass es elektrisch mit der internen Schaltung verbunden ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 26, die ferner eine ein Stück weit entweder im ersten oder im zweiten Fluidkanal (168, 169) angeordnete piezoelektrische Pumpe umfasst.
Brennstoffzelle mit einer aus plattenförmigem Festelektrolyt gefertigten Membranelektrodenbaugruppe (183) mit einer ersten Elektrode (184) und einer zweiten Elektrode (185), die jeweils so auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, dass der Festelektrolyt am Rand übersteht, und dem Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 15, wobei die Membranelektrodenbaugruppe (183) auf dem Anordnungsabschnitt (192) des Brennstoffzellengehäuses angeordnet ist, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (183) so angeordnet sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal (188, 189) ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode (184, 185) jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter (190, 191) verbunden sind und der Deckelkörper (187) in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (186) montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.
Elektronische Vorrichtung mit der Brennstoffzelle nach Anspruch 30, die als Stromquelle dient, wobei der Basiskörper (186) aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und im Basiskörper (186) und/oder im Deckelkörper (187) ein externer Anschluß (203) ausgebildet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 31, die ferner eine im Basiskörper (186) ausgebildete interne Schaltung umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 31, die ferner ein so auf der Oberfläche des Basiskörpers (186) ausgebildetes elektronisches Teil umfasst, dass es elektrisch mit der internen Schaltung verbunden ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 31, die ferner eine ein Stück weit entweder im ersten oder im zweiten Fluidkanal (188, 189) angeordnete piezoelektrische Pumpe umfasst.