DE10355191A1

DE10355191A1 - Brennstoffzellengehäuse, Brennstoffzelle und elektronische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10355191A1
Application number: DE10355191A
Authority: DE
Inventors: Koichiro Kokubu Sugai; Takayuki Kokubu Miyao
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: US20040142227A1; DE10355191B4

Abstract

Ein Brennstoffzellengehäuse (2) weist einen Grundkörper (16) auf, mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen zur Aufnahme einer Membran-Elektrodenbaugruppe, wobei diese erste und zweite Elektroden (14, 15) aufweist; ein erster Fluidkanal (18) erstreckt sich von einer Bodenoberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16); ein erster Verdrahtungsleiter (20) hat ein Ende auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung angeordnet und das zweite Ende führt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16); ein Deckelkörper (17) ist um die Ausnehmung herum montiert; ein zweiter Fluidkanal (19) erstreckt sich von der unteren Oberfläche zu einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17); ein zweiter Verdrahtungsleiter (21) ist mit einem Ende auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers (17) angeordnet, und ein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17); und ein dritter Verdrahtungsleiter (22) ist mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode (14) auf der Bodenoberfläche einer Ausnehmung angeordnet und das andere Ende liegt der ersten Elektrode (14) auf der Bodenoberfläche der anderen Ausnehmung gegenüber.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technischer Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengehäuse, in dem eine aus Keramik gefertigte, kleine und hochzuverlässige Membran-Elektrodenbaugruppe untergebracht werden kann, eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, und ferner eine elektrische Vorrichtung mit einer kleinen, hochzuverlässigen Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektrodenbaugruppe aufnehmen kann und aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist, als Stromquelle.

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 kleiner 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 80 °C bis 100 °C niedrig ist, haben die folgenden, erheblichen Vorteile:

(1) Ihre Stromdichte ist hoch und eine Miniaturisierung und Gewichtsverringerung sind zulässig;
(2) da ein Elektrolyt nichtkorrodierend ist, sind ihre Betriebstemperaturen niedrig, und daher sind die Werkstoffe, aus denen die Zellen gefertigt werden, im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit wenig eingeschränkt, eine Verringerung der Kosten ist leicht zu machen und
(3) im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen ist eine Aktivierung bei normalen Temperaturen zulässig 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, insbesondere 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 Ausgänge 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 Membran-Elektrodenbaugruppe bezeichnete) filmartige Membran-Elektrodenbaugruppe.

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⁺) erzeugt, dem ein Elektron (e^–) entzogen ist, wenn der Brennstoffelektrode Wasserstoffgas (H₂) zugeführt wird, wie in der folgenden chemischen Gleichung (1) gezeigt, und das Proton bewegt sich durch die Membran-Elektrodenbaugruppe zur Luftelektrode. Überdies wird das Elektron (e^–) durch die Kohlenwasserstoffelektrode, 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 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 80 bis 100 °C statt. Grundsätzlich ist das einzige Nebenprodukt, außer elektrischem Strom, nur Wasser (H₂O).

Konkret entstehen Wasserstoffionen (Protonen; H⁺), von denen durch den Katalysator Elektronen (e^–) abgespalten werden und die durch die Membran-Elektrodenbaugruppe 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 wässerige 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 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 relativ niedrigen Temperaturen von 80 bis 100 °C ab. Das einzige Nebenprodukt außer elektrischem Strom ist lediglich Wasser (H₂O).

Als Ionenleitermembran (Austauschmembran), die die Membran-Elektrodenbaugruppe bildet, sind eine Kationenaustauschmembran auf Polystyrenbasis mit einer Sulfosäuregruppe, eine Mischmembran aus Fluorkohlenwasserstoff-Sulfosäure und Polyvinylidenfluorid, eine durch Aufpolymerisieren von Trifluorethylen auf eine Fluorkohlenstoffmatrix erhaltene Membran und dergleichen bekannt, und in jüngster Zeit wird eine Perfluorkohlenstoff-Sulfosäuremembran (beispielsweise Nafion, der Produktname eines von DuPont hergestellten Erzeugnisses) oder dergleichen verwendet.

In 20 ist eine Schnittansicht des Aufbaus einer herkömmlichen Brennstoffzelle (einer PEFC) gezeigt. In dieser Ansicht bezeichnen das Bezugszeichen 1 eine PEFC, das Bezugszeichen 3 eine Membran-Elektrodenbaugruppe, die Bezugszeichen 4 und 5 zwei poröse Elektroden, die so auf der Membran-Elektrodenbaugruppe 3 angeordnet sind, dass die Membran-Elektrodenbaugruppe zwischen ihnen angeordnet ist, und die Funktion einer Gasdiffusionsschicht und einer Katalysatorschicht haben, dass heißt, eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode, das Bezugszeichen 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 Kraftstoffleitung 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 3 entspricht. Durch derartiges Stapeln einer großen Anzahl über die Gastrenner 6, so dass die Brennstoffelektroden 4 und die Luftelektroden 5 der Membran-Elektrodenbaugruppen 3 elektrisch in Reihe sind und/oder parallel geschaltet sind, so dass sie einen Stapel von Brennstoffzellen als kleinste Einheit ei ner 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 aus der Umgebungsluft zugeführt, und in der Membran-Elektrodenbaugruppe 3 wird durch eine chemische Reaktion elektrischer Strom erzeugt.

Eine verwandte Technik ist in den ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen JPA 2001-266910 und 2001-507501 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 Membran-Elektrodenbaugruppen 3 in einem durch Aufeinanderschichten der Membran-Elektrodenbaugruppen 3 unter Verwendung der Gastrenner erzeugten, gestapelten Körper außen frei liegen, 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 erfor derlich. Anders ausgedrückt wird der Gastrenner 6, der einen großen Teil der Wärmekapazität der herkömmlichen Brennstoffzelle 1 dominiert, insbesondere ein Gastrenner, durch den durch eine spanabhebende Bearbeitung Kanäle auf der Oberseite 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 3 zugeführten Gase bestimmt. Dies bedeutet, dass der Partialdruck des Brennstoffgases auf der Fläche der Brennstoffelektrode 4 abnimmt und die Ausgangsspannung sinkt, wenn der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 gleichzeitig zuzuführen, werden die Kanäle insbesondere beim Gastrenner 6 der herkömmlichen Brennstoffstelle 1 durch eine spanabhebende Bearbeitung auf der Oberfläche einer Kohlenstoffplatte erzeugt, 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 die Kombinationen aus mehreren Membran-Elektrodenbaugruppen 3, die in gegenüberliegenden Brennstoffelektroden 4 und Luftelektroden 5 und in 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 3 angeordnet ist, als ein Verfahren zum Herausleiten und Anschließen bzw. 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, eine Menge Bauteile erforderlich, beispielsweise eine Kollektorplatine, die die in der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 3, der Kollektorplatine und des isolierenden Werkstoffs 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 Membran-Elektrodenbaugruppen 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 nebeneinanderliegenden Membran-Elektrodenbaugruppen 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 nebeneinanderliegenden Brennstoffzellen erfolgen kann, da die Kanäle durch ein spanabhebendes Verfahren oder Formen erzeugt werden, die Installation elektronischer Teile und dergleichen im Gastrenner 6 zur Integration 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 durch 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.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Probleme der herkömmlichen Technik entwickelt und dementsprechend ist es ihre Aufgabe, ein kompaktes, stabiles Brennstoffzellengehäuse, in dem eine Membran-Elektrodenbaugruppe untergebracht werden kann, ein hochzuverlässiges Brennstoffzellengehäuse, das eine gleichmäßige Gaszufuhr, einen Ausgleich der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und eine hocheffiziente elektrische Verbindung ermöglicht und eine Brennstoffzelle zu schaffen, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellengehäuse anzugeben, welches eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr ermöglicht und eine hocheffiziente elektrische Ver bindung ermöglicht, die zuverlässig ist und eine Brennstoffzelle anzugeben, die ein solches Gehäuse verwendet, sowie ein elektrisches Gerät, welches eine solche Brennstoffzelle verwendet, die klein und flach ist, die ferner leistungsstark ist und eine stabile Verwendung ermöglicht.

Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse geschaffen, mit einem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit einer Mehrzahl auf einer seiner Oberflächen ausgebildeten Ausnehmungen zur Aufnahme einer Membran-Elektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils auf seiner einen und seiner anderen Hauptoberfläche angeordnet sind;
einem ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt;
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist, und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers hinausführt;
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 Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt;
einem zweiten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt; und
einem dritten Verdrahtungsleiter, der im Basiskörper ausgebildet ist, wobei der dritte Verdrahtungsleiter sein eines Ende gegenüberliegend zur ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche einer Ausnehmung und sein anderes Ende gegenüberliegend zu der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf einer Bodenfläche einer anderen Ausnehmung aufweist.

Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse geschaffen, mit:
einem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit einer Mehrzahl auf einer seiner Oberflächen ausgebildeten Ausnehmungen zur Aufnahme einer Membran-Elektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils auf seiner einen und seiner anderen Hauptoberfläche angeordnet sind;
einem ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt;
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist, und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers hinausführt;
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 Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt;
einem zweiten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf einer Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist, die gegenüber der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe liegt, und dessen anderes Ende zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt;
einem vierten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf einer unteren Oberfläche einer Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zur anderen Oberfläche des Basiskörpers, auf der der Deckelkörper montiert ist, führt; und
einem fünften Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe der Ausnehmung auf einer Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur einer Oberfläche des Deckelkörpers führt, die auf einer Oberfläche des Basiskörpers zu montieren ist, so dass es gegenüber dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters liegt.

Erfindungsgemäß ist das Brennstoffzellengehäuse aus der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 seiner Oberfläche ausgebildeten Ausnehmung zur Unterbringung der Membran-Elektrodenbaugruppe und dem in der Nähe der Ausnehmung zum auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montierten Deckelkörper so 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 Membran-Elektrodenbaugruppen 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 Membran-Elektrodenbaugruppe nach außen frei liegt und daher kann das Gehäuse vor Beschädigungen geschützt werden. Dadurch wird die mechanische Zuverlässigkeit des Brennstoffzellengehäuses als Ganzes verbessert. Im Übrigen sind die Verdrahtungsleiter 1 bis 3 (oder der erste, der zweite, der vierte und der fünfte 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 der Membran-Elektrodenbaugruppe angeschlossen sind. Dadurch wird die Membran-Elektrodenbaugruppe selbst vor unnötigen elektrischen Anschlüssen befreit, wodurch die Realisierung einer Brennstoffzelle ermöglicht 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.

Darüber hinaus sind erste und zweite Fluidkanäle vorgesehen. Der erste Fluidkanal ist so geformt, dass er sich von der Bodenoberfläche der Ausnehmung erstreckt, die der Hauptfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegt zu der äußeren Oberfläche des Basiskörpers, wobei der zweite Fluidkanal so geformt ist, dass er sich von einer Oberfläche des Deckelkörpers, die der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegt bis zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers. Bei dieser Konstruktion ist es möglich, die gleichmäßige Zufuhr des Fluids, welches der Membran-Elektrodenbaugruppe geliefert werden muss, zu verbessern, da eine Mehrzahl von Fluidkanälen einzeln in ihren entsprechenden inneren Wandoberflächen des Gehäuses geformt sind, so dass sie dazwischen die Membran-Elektrodenbaugruppe aufnehmen. Durch die Bildung solcher Fluidwege kann Fluid senkrecht zu der Membran-Elektrodenbaugruppe fließen. So kann zum Beispiel im Fall der Zu fuhr von Wasserstoffgas und Luft (Sauerstoff) als Fluid das Absinken des Partialdrucks des an die ersten und zweiten Elektroden gelieferten Gases verhindert werden, wobei die ersten und zweiten Elektroden auf den beiden Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe jeweils angeordnet sind, wodurch eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung erzeugt wird. Ferner ist die Temperaturverteilung, wie sie innerhalb des Brennstoffzellengehäuses beobachtet werden kann, vergleichmäßigt worden, da der Druck des zugeführten Fluids, zum Beispiel der Partialdruck des Gases, stabilisiert ist. Als Ergebnis kann eine thermische Spannung, die in der Membran-Elektrodenbaugruppe auftreten kann, unterdrückt werden, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle führt. Zusätzlich ist jeder Fluidkanal ausgezeichnet hinsichtlich seiner Dichtheit, da die Fluidkanäle jeweils einzeln in den Basiskörper und den Deckelkörper geformt sind. Dadurch wird es möglich, die Vermischung zweier verschiedener Fluidmaterialien (zum Beispiel Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol), die grundsätzlich durch die Fluidkanäle getrennt werden müssen, zu verhindern, und daher kommt es nicht vor, dass die Brennstoffzelle nicht mehr gut funktioniert und entflammbare Fluidmaterialien gezündet und durch Vermischen bei hohen Temperaturen zur Explosion gebracht werden. Als Ergebnis kann die Sicherheit der Brennstoffzelle garantiert werden. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß der dritte Verdrahtungsleiter in dem Basiskörper ausgebildet. Der dritte Verdrahtungsleiter liegt mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche einer Ausnehmung und mit dem anderen Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der anderen Bodenoberfläche der Ausnehmung. Bei dieser Konstruktion können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander elektrisch geschaltet werden. Dies macht es möglich, den Ausgangsstrom in der gesamten Brennstoffzelle genau zu justieren und dadurch unter guten Bedingungen Elektrizität zu entnehmen, die in der Membran-Elektroden baugruppe elektrochemisch erzeugt wurde. Ferner sind erfindungsgemäß die vierten und fünften Verdrahtungsleiter in dem Basiskörper ausgebildet, welcher eine Vielzahl von Ausnehmungen zur Aufnahme der Membran-Elektrodenbaugruppen und den Deckelkörper aufweist, der auf dem Basiskörper zu montieren ist. Der vierte Verdrahtungsleiter liegt mit seinem einen Ende gegenüber der ersten Elektrode des Membranelektrodenaufbaus auf der Bodenfläche der einen Ausnehmung und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Basiskörpers, auf der der Deckelkörper montiert ist. Der fünfte Verdrahtungsleiter liegt mit seinem einen Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe der Ausnehmung auf einer Oberfläche des Deckelkörpers und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Deckelkörpers, der auf einer Fläche des Basiskörpers montiert ist, so dass er dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters gegenüberliegt. Bei dieser Konstruktion kann eine Vielzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe zueinander durch elektrische Verbinder geschaltet werden. Als Ergebnis kann eine Gesamtspannung justiert werden, obwohl nur eine geringe Spannung durch die Stromerzeugung durch eine einzelne Membran-Elektrodenbaugruppe erzielt wird, indem eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe geschaltet werden. Dies macht es möglich, Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wurde, unter guten Bedingungen herauszuziehen.

Die Erfindung stellt eine Brennstoffzelle vor mit:
einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen mit jeweils einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind; und
dem oben erwähnten Brennstoffzellengehäuse,
wobei die Membran-Elektrodenbaugruppe in der Mehrzahl von Ausnehmungen des Brennstoffzellengehäuses untergebracht ist, die ei nen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe so aufgebaut sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden kann, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden sind, und der dritte Verdrahtungsleiter an der ersten Elektrode angeschlossen ist und wobei der Deckelkörper auf einer Oberfläche des Basiskörpers in der Nähe der Ausnehmung so montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.

Die Erfindung stellt eine Brennstoffzelle vor mit:
einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen, die jeweils eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweisen, die auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind; und
dem oben erwähnten Brennstoffzellengehäuse,
wobei die Membran-Elektrodenbaugruppe in der Mehrzahl von Ausnehmungen des Brennstoffzellengehäuses jeweils untergebracht ist, die einen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe so aufgebaut sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden sind, und der vierte und der fünfte Verdrahtungsleiter elektrisch jeweils mit der ersten und der zweiten Elektrode verbunden sind, wobei das andere Ende des vierten Verdrahtungsleiters mit dem anderen Ende des fünften Verdrahtungsleiters verbunden ist und der Deckelkörper in der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.

Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle durch die Unterbringung der Membran-Elektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des Brenn stoffzellengehäuses konstruiert, worauf die eine oder die andere Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 mit dem ersten und dem dritten Verdrahtungsleiter oder dem ersten, dem zweiten, dem vierten und fünften Verdrahtungsleiter verbunden werden, worauf der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers so montiert wird, dass er die Ausnehmung bedeckt. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, eine kompakte, robuste und hochzuverlässige Brennstoffzelle zu schaffen, die eine gleichmäßige Gaszufuhr und eine Vergleichmäßigung des Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und eine hocheffiziente elektrische Verbindung unter Ausnutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses ermöglicht. Darüber hinaus kann der Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle durch Parallelschalten einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen für die gesamte Brennstoffzelle erreicht werden, oder durch das in Reihe Schalten einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen kann eine Justage der Gesamtspannung ausgeführt werden. Dies macht es möglich, Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Bedingungen herauszuziehen. Erfindungsgemäß kann die Membran-Elektrodenbaugruppe durch die oben geschilderte Konstruktion der Brennstoffzelle davor bewahrt werden, freigelegt zu werden und beschädigt zu werden. Die ersten bis dritten Verdrahtungsleiter (oder die ersten, zweiten, vierten und fünften Verdrahtungsleiter), von denen jeweils ein Ende innerhalb des Gehäuses, bestehend aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper, angeordnet ist, sind die einzigen Komponenten, die elektrisch mit der Membran-Elektrodenbaugruppe verbunden sind. Dies befreit die Membran-Elektrodenbaugruppe selbst von unnötigen elektrischen Verbindungen, wodurch es möglich wird, eine Brennstoffzelle zu erhalten, die eine hervorragende Zuverlässigkeit und Si cherheit aufweist. Ferner sind der erste und der zweite Fluidkanal einzeln geformt auf ihrer jeweiligen inneren Wandoberfläche des Gehäuses, das heißt, sie sind auf der Bodenfläche der Ausnehmung des Basiskörpers und auf einer Oberfläche des Deckelkörpers jeweils ausgebildet, so dass die Membran-Elektrodenbaugruppe zwischen diesen "gesandwicht" ist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die gleichförmige Zufuhr des der Membran-Elektrodenbaugruppe zuzuführenden Gases zu gewährleisten und einen Druckabfall des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe zugeführten Gases zu verhindern. Somit kann eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung erzielt werden. Ferner kann eine Spannung, die in der Membran-Elektrodenbaugruppe auftritt, unterdrückt werden, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle führt.

Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellengehäuse vor mit:
einem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit einer auf einer ihrer Oberflächen ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen, wobei jede Membran-Elektrodenbaugruppe eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind;
einem ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt;
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist, und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers hinausführt;
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 der der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt;
einem zweiten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt; und
einem dritten Verdrahtungsleiter in dem Basiskörper, wobei der dritte Verdrahtungsleiter gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende gegenüber der ersten Elektrode einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist.

Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellengehäuse vor mit:
einem aus Keramik gefertigten Basiskörper mit einer auf einer ihrer Oberflächen ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen, wobei jede Membran-Elektrodenbaugruppe eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind;
einem ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt;
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist, und des sen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers hinausführt;
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 der einen der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt;
einem zweiten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt;
einem vierten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zu einer Oberfläche des Basiskörpers führt, auf der der Deckelkörper montiert ist; und
einem fünften Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf einer Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur einer Oberfläche des Deckelkörpers führt, welcher auf einer Oberfläche des Basiskörpers zu montieren ist, um dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters gegenüberzustehen.

Erfindungsgemäß besteht das Brennstoffzellengehäuse aus: dem Basiskörper aus Keramik mit der Ausnehmung auf einer seiner Oberflächen zur Aufnahme einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen, wobei jede Membran-Elektrodenbaugruppe erste und zweite Elektroden auf der einen und der anderen Hauptoberflächen jeweils aufweist und dem Deckelkörper, der auf eine Oberfläche des Basiskörpers in der Nähe der Ausnehmung zu montieren ist, um diese Ausnehmung abzudecken, so dass diese luftdicht abgeschlossen ist.

Bei dieser Konstruktion wird durch luftdichtes Abschließen des Brennstoffzellengehäuses ein Austreten von Fluidmaterial, wie zum Beispiel Gas, verhindert. Da überdies nicht die Notwendigkeit besteht, zusätzlich zu dem Gehäuse ein zusätzliches Paket bereitzustellen, kann die Brennstoffzelle mit hoher Effizienz betrieben und es kann eine Miniaturisierung realisiert werden. Ferner ist die Brennstoffzelle so konstruiert, dass mehrere Membran-Elektrodenbaugruppen 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 Membran-Elektrodenbaugruppe nach außen frei liegt und daher kann die Membran-Elektrodenbaugruppe gegen Beschädigungen geschützt werden. Dadurch wird die mechanische Zuverlässigkeit des Brennstoffzellengehäuses als Ganzes verbessert. Im Übrigen sind die ersten bis dritten Verdrahtungsleiter (oder der erste, zweite, vierte und fünfte 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 Membran-Elektrodenbaugruppe angeschlossen sind. Dadurch wird die Membran-Elektrodenbaugruppe 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.

Ferner sind erste und zweite Fluidkanäle vorgesehen. Der erste Fluidkanal ist so geformt, dass er sich von der der einen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung erstreckt, und der zweite Fluidkanal ist so ausgebildet, dass er sich von einer Oberfläche des Deckelkörpers, die der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegt, zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt. Bei dieser Konstruktion ist es möglich, da eine Mehrzahl von Fluidkanälen auf deren entsprechenden inneren Wandoberflächen des Gehäuses ausgebildet sind, so dass sie zwischen sich die Membran-Elektrodenbaugruppe aufnehmen, die Gleichmäßigkeit der Zufuhr des der Membran-Elektrodenbaugruppe zugeführten Fluids zu steigern. Durch das Erstellen solcher Fluidwege ist es dem Fluidmaterial erlaubt, senkrecht zu der Membran-Elektrodenbaugruppe zu fließen. Daher ist es zum Beispiel im Fall der Zufuhr von Wasserstoffgas und Luft (Sauerstoff) als Fluidmaterial, möglich, einen Abfall des Partialdrucks des zu der ersten und der zweiten Elektrode gelieferten Gases zu verhindern, wobei die Elektroden auf der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe jeweils angeordnet ist, und wodurch eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung erzielt wird. Da ferner der Druck eines zugeführten Fluids, beispielsweise der Partialdruck des Gases, stabilisiert wird, wird überdies die Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellengehäuses vergleichmäßigt, wodurch eine Unterdrückung der in der Membran-Elektrodenbaugruppe 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, es besteht nicht die Möglichkeit, dass die Funktion der Brennstoffzelle nicht erfüllt wird, weil zwei Arten von Fluid (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol), 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.

Ferner ist erfindungsgemäß ein dritter Verdrahtungsleiter im Basiskörper gebildet. Der dritte Verdrahtungsleiter ist mit seinem einen Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet, und sein anderes Ende ist gegenüber der ersten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet. Bei dieser Konstruktion können mehrere Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander elektrisch verbunden werden. Dies macht es möglich, den Ausgangsstrom sauber zu justieren für die gesamte Brennstoffzelle und dadurch Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Umständen zu extrahieren.

Ferner sind erfindungsgemäß die vierten und fünften Verdrahtungsleiter jeweils in dem Basiskörper ausgebildet, der eine Ausnehmung aufweist zur Aufnahme einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen und in dem Deckelkörper, der auf den Basiskörper zu montieren ist. Der vierte Verdrahtungsleiter liegt mit seinem Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Basiskörpers, auf der der Deckelkörper montiert ist. Der fünfte Verdrahtungsleiter liegt mit einem Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf einer Oberfläche des Deckelkörpers und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Deckelkörpers, welche auf einer Oberfläche des Basiskörpers so montiert ist, dass sie gegenüber dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters liegt. Bei dieser Konstruktion kann eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe zueinander elektrisch verbunden werden. Obwohl nur eine geringe Spannung durch die Stromerzeugung mittels einer einzelnen Membran-Elektrodenbaugruppe erhalten wird, ergibt sich als Ergebnis, dass durch miteinander Verbinden einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen eine Justierung der gesamten Spannung erreicht werden kann: Dies macht es möglich, Elektrizität außen unter guten Umständen zu extrahieren, wobei die Elektrizität elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wurde.

Die Erfindung liefert eine Brennstoffzelle mit:
einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche jeweils angeordnet sind; und
dem oben erwähnten Brennstoffzellengehäuse,
wobei die Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses untergebracht ist, die einen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe 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, der dritte Verdrahtungsleiter elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist und der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, dass er die Ausnehmung bedeckt.

Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzelle vorgestellt, mit:
einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen, die jeweils eine erste und eine zweite Elektrode aufweisen, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind; und
dem Brennstoffzellengehäuse, wie oben beschrieben,
wobei die Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses untergebracht ist, die einen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe 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, der vierte und fünfte Verdrahtungsleiter elektrisch mit der ersten und der zweiten Elektrode jeweils verbunden sind, das andere Ende des vierten Verdrahtungsleiters mit dem anderen Ende des fünften Verdrahtungsleiters verbunden ist 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 Membran-Elektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses konstruiert, worauf die eine oder die andere Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 dritten Verdrahtungsleiter, oder dem ersten, dem zweiten, dem vierten und dem fünften 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 hochzuverlässige Brennstoffzelle zu schaffen, die unter Ausnützung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses eine gleichmäßige Gaszufuhr, eine Vereinheitlichung der Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses und eine hocheffiziente elektrische Verbindung ermöglicht. Darüber hinaus kann durch parallele Verbindung der Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen eine Justierung des Ausgangsstroms für die gesamte Brennstoffzelle erreicht werden, oder durch eine Reihenschaltung der Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen kann die Endspannung justiert werden. Dies ermöglicht es, Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Bedingungen zu extrahieren. Erfindungsgemäß kann die Membran-Elektrodenbaugruppe durch Konstruieren der Brennstoffzelle auf die oben erläuterte Weise davon verschont werden, freigelegt zu werden und beschädigt zu werden. Darüber hinaus sind der erste bis zum dritten Verdrahtungsleiter (oder der erste, der zweite, der vierte und der fünfte Verdrahtungsleiter), von denen jeweils ein Ende innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, bestehend aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper, die einzigen Komponenten, die einen elektrischen Kontakt mit der Membran-Elektrodenbaugruppe herstellen. Dadurch weist die Membran-Elektrodenbaugruppe 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, das heißt, jeweils auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers und der Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet, dass die Membran-Elektrodenbaugruppe zwischen ihnen angeordnet ist. Durch diese Anordnung sind eine Verbesserung der gleichmäßigen Zuführbarkeit des der Membran-Elektrodenbaugruppe zugeführten Gases sowie das Verhindern einer Verringerung des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe zugeführten Gases möglich. Daher kann eine vorgegebene stabile Ausgangsspannung erzielt werden. Ferner können in der Membran-Elektrodenbaugruppe auftretende Spannungen unterdrückt werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle führt.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung vorgestellt, mit der oben erwähnten Brennstoffzelle als Stromquelle, wobei der Basiskörper aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist und zumindest entweder im Basiskörper oder im Deckelkörper ein externer Verbindungsanschluss ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist die elektronische Vorrichtung auf: die Membran-Elektrodenbaugruppe mit den ersten und zweiten Elektroden, die auf ihrer einen und anderen Hauptseite angeordnet sind, wobei der Basiskörper aus mehrschichtigem Keramikwerkstoff hergestellt ist mit der Ausnehmung in einer ihrer Oberflächen, zum Aufnehmen der Membran-Elektrodenbaugruppe und dem Deckelkörper zur Montage auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers nahe der Ausnehmung, um diese abzudecken zur luftdichten Abriegelung dieser Ausnehmung. Bei dieser Konstruktion wird Austreten eines Fluidmaterials, wie beispielsweise eines Gases, durch die luftdichte Abdichtung des Brennstoffzellengehäuses verhindert. Darüber hinaus ist es möglich, da es keine Notwendigkeit gibt, zusätzliche Pakete zusätzlich zu dem Gehäuse vorzusehen, einen hochleistenden, stabil funktionierenden elektronischen Apparat herzustellen, der effektiv und sicher betrieben werden kann. Darüber hinaus kann dieses elektronische Gerät kompakter und flacher ausgeführt werden.

Die Brennstoffzelle wird konstruiert durch Unterbringung einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in dem Gehäuse, bestehend aus dem Basiskörper aus einer Mehrschichtkeramik mit der Ausnehmung auf einer ihrer Oberflächen und aus dem Deckelkörper zum Versiegeln der Ausnehmung. Somit kann die Membran-Elektrodenbaugruppe davor geschützt werden, freigelegt zu werden und beschädigt zu werden, mit dem Ergebnis, dass die mechanische Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle als Ganzes gesteigert werden kann.

Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, deren eines Ende jeweils innerhalb des aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuses angeordnet ist, sind die einzigen Komponenten, die einen elektrischen Kontakt mit der Membran-Elektrodenbaugruppe herstellen. Dies befreit die Membran-Elektrodenbaugruppe von unnötigen elektrischen Verbindungen, wodurch es möglich ist, eine Brennstoffzelle zu erhalten, mit ausgezeichneter Zu verlässigkeit und Sicherheit. Als Ergebnis wird ein elektronischer Apparat angegeben, der eine Langzeitzuverlässigkeit und einen hohen Grad an Sicherheit bietet.

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 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 verschiedene Arten von Gasen und Flüssigkeiten verwendet werden, ohne dass ihre korrodierenden Eigenschaften berücksichtigt werden müssten. Dies hilft, die Effizienz der Zufuhr elektrischen Stroms zu steigern. Da es möglich ist, mittels eines allgemein bekannten Metallisierungsverfahrens auf den jeweiligen Schichten der die mehrschichtige Keramik bildenden Keramik freie 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 Flachergestaltung und die Verringerung des Gewichtes der elektronischen Vorrichtung können dramatisch vorangetrieben werden. Das heißt, erfindungsgemäß ist der dritte Verdrahtungsleiter in dem Basiskörper ausgebildet. Der dritte Verdrahtungsleiter ist mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche einer Ausnehmung angeordnet und sein anderes Ende ist gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche einer anderen Ausnehmung angeordnet. Bei dieser Kon struktion können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander durch elektrische Verbindungen miteinander verbunden werden. Die ermöglicht es, den Ausgangsstrom in der gesamten Brennstoffzelle sauber zu justieren und dadurch Strom, der auf elektrochemischem Wege in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Umständen zu extrahieren.

Erfindungsgemäß sind vierte und fünfte Verdrahtungsleiter vorgesehen. Der vierte Verdrahtungsleiter, der in dem Basiskörper ausgebildet ist, ist mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche einer Ausnehmung angeordnet und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Basiskörpers, auf der der Deckelkörper montiert ist. Der fünfte Verdrahtungsleiter ist mit einem Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe der Ausnehmung auf einer Seite des Deckelkörpers angeordnet und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Deckelkörpers, der auf einer Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, um somit gegenüber dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiter zu liegen. Bei dieser Konstruktion kann eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen miteinander in Reihe elektrisch verbunden werden. Daraus ergibt sich, obwohl lediglich eine geringe Spannung durch die durch eine einzelne Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugten Elektrizität erhalten wird, dass eine Endspannung justiert werden kann, indem man die Mehrzahl der Membran-Elektrodenbaugruppen in Serie schaltet. Dies ermöglicht es, Elektrizität, die in der Membran-Elektrodenbaugruppe elektrochemisch erzeugt worden ist, unter guten Umständen zu extrahieren.

Erfindungsgemäß ist der dritte Verdrahtungsleiter im Basiskörper ausgebildet. Der dritte Verdrahtungsleiter ist mit seinem einen Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugrup pe auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung angeordnet und sein anderes Ende ist gegenüber der ersten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung angeordnet. Bei dieser Konstruktion können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander elektrisch angeschlossen werden. Dies macht es möglich, den Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle sauber zu justieren und somit Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Umständen zu extrahieren.

Erfindungsgemäß sind der vierte und der fünfte Verdrahtungsleiter in der Brennstoffzelle vorgesehen. Der vierte Verdrahtungsleiter, der in dem Basiskörper ausgeformt ist, ist mit seinem einen Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung angeordnet und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Basiskörpers, auf dem der Deckelkörper montiert ist. Der fünfte Verdrahtungsleiter ist mit seinem einen Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf einer Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet und sein anderes Ende führt zu einer Oberfläche des Deckelkörpers, der auf einer Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, so dass er gegenüber dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters liegt. In der Brennstoffzelle können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Serie zueinander elektrisch geschaltet werden. Daraus ergibt sich, obwohl nur eine geringe Spannung erhalten wird durch die Elektrizitätserzeugung, erhalten durch eine einzelne Membran-Elektrodenbaugruppe, dass eine Justierung der Endspannung durchgeführt werden kann, indem eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe zueinander geschaltet werden. Dies ermöglicht es, Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Bedingungen zu extrahieren. Durch die Verwendung einer solchen Brennstoffzelle ist es möglich, eine elektronische Vorrichtung zu realisieren, die sich durch eine Langzeitspannungsstabilität und eine exzellente Zuverlässigkeit auszeichnet.

Ferner sind erste und zweite Fluidkanäle in der Brennstoffzelle vorgesehen. Der erste Fluidkanal ist so geformt, dass er von der Bodenoberfläche der Ausnehmung, die einer Hauptfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegt, sich zu der äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt, wohingegen der zweite Fluidkanal so geformt ist, dass er sich von einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers, die der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegt, zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt. In der Brennstoffzelle ist es möglich, die gleichförmige Versorgung mit Fluid, welches der Membran-Elektrodenbaugruppe zugeführt werden muss, zu verbessern, da eine Mehrzahl von Fluidkanälen individuell auf ihren entsprechenden Innenwandoberflächen des Gehäuses ausgeformt sind, so dass zwischen ihnen die Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet ist. Durch die Herstellung solcher Fluidwege ist es dem Fluidmaterial möglich, senkrecht zu der Membran-Elektrodenbaugruppe zu strömen. Daher ist es möglich, zum Beispiel im Fall der Zufuhr von Wasserstoffgas und Luft bzw. Sauerstoffgas als Fluidmaterial den Abfall des Partialdrucks des an die erste und zweite Elektrode gelieferten Gases zu verhindern, wobei die Elektroden auf der unteren und oberen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet sind, wodurch eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung erzielt wird.

Da der Druck des zugeführten Fluids, zum Beispiel der Partialdruck des Gases stabilisiert ist, ist die Temperaturverteilung, wie sie innerhalb des Brennstoffzellengehäuses beobachtet werden kann, vergleichmäßigt. Dies hilft thermische Spannungen zu unterdrücken, die in der Membran-Elektrodenbaugruppe auftreten, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle führt. Als ein Er gebnis kann eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt werden, die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit hat.

Zusätzlich ist jeder der Fluidkanäle ausgezeichnet in seiner Luftdichtigkeit, da die Fluidkanäle einzeln in den Basiskörper und dem Deckelkörper ausgeformt sind. Dies ermöglicht es, die Vermischung zweier verschiedener Fluidmaterialien (zum Beispiel Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol) zu verhindern, die grundsätzlich durch Fluidkanäle getrennt werden müssen und daher tritt es niemals auf, dass die Brennstoffzelle versagt und dass entzündbare Fluidmaterialien entzündet werden und durch eine Vermischung bei hoher Temperatur explodieren. Daraus ergibt sich, dass eine elektronische Vorrichtung erzeugt werden kann, die eine exzellente Sicherheit aufweist.

Erfindungsgemäß ist die Brennstoffzelle so konstruiert, dass die Membran-Elektrodenbaugruppe in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses gelagert ist, worauf die eine und die andere der Membran-Elektrodenbaugruppe so arrangiert werden, dass Fluid zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal ausgetauscht werden können, worauf anschließend die ersten und zweiten Elektroden einzeln an die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch angeschlossen werden, oder die ersten bis dritten Verdrahtungsleiter oder der erste, der zweite, der vierte und der fünfte Verdrahtungsleiter, gefolgt von dem elektrischen Anschließen der ersten und zweiten Elektroden an den externen Verbindungsstecker, worauf der Deckelkörper auf einer Oberfläche des Basiskörpers in der Nähe der Ausnehmung montiert wird, um die Ausnehmung abzudecken. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, eine kompakte, robuste und hochzuverlässige Brennstoffzelle zu realisieren, die es erlaubt, gleichmäßig Brennstoff zuzuführen und die eine hocheffiziente elektrische Verbindung aufweist durch den Einsatz der Merkmale des Brennstoffzellengehäuses nach der Erfindung. Durch die Verwen dung einer solchen Brennstoffzelle kann die elektronische Vorrichtung flacher ausgeführt werden mit einer höheren Leistungsfähigkeit und Effizienz.

Nach der Erfindung kann eine Metallschicht geformt werden, da der Basiskörper aus einer mehrschichtigen Keramik hergestellt ist, durch ein Metallisierungsverfahren auf der Oberfläche der innenliegenden Keramikschicht in verschiedenen Konfigurationen mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften. Dies ermöglicht es, innerhalb des Basiskörpers eine elektronische Schaltkreiskomponente zu bilden, die als Widerstand, Kapazität, Induktion, usw. wirkt. Zum Beispiel durch die Bildung eines Kondensators mit großer Kapazität entlang der Brennstoffzelle kann ein Strommangel, der auftritt, wenn der von der Brennstoffzelle gelieferte Strom schwach ist, kompensiert werden, so dass die gewünschte Stromzufuhr, die einem Zielausgangsstrom entspricht, gesichert wird. Ferner kann eine Spannungstreiberschaltung gebildet werden, so dass die notwendige Spannung für eine elektronische Vorrichtung gesichert werden kann.

Zumindest sind entweder die ersten Verdrahtungsleiter oder die zweiten Verdrahtungsleiter erfindungsgemäß so um die Öffnung der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung oder um die Öffnungen der zweiten Fluidkanäle auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet, dass sie die erste Elektrode bzw. die zweite Elektrode berühren. Erfindungsgemäß ist zumindest entweder der erste Verdrahtungsleiter oder der zweite Verdrahtungsleiter so um die Öffnung der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der Ausnehmung oder um die Öffnung der zweiten Fluidkanäle auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers ausgebildet, dass sie die erste oder die zweite Elektrode berühren. Mit dieser Konstruktion können zwischen sämtlichen Teilen der ersten und der zweiten Elektroden der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 Membran-Elektrodenbaugruppe aneinander angeschlossen und direkt verbunden werden. Als Ergebnis kann eine unerwünschte Steigerung des elektrischen Widerstands und ein Versagen des Kontakts effektiv verhindert werden, so dass es möglich ist, eine elektronische Vorrichtung zu schaffen, bei der die Effizienz der Elektrizitätserzeugung hoch ist.

Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellengehäuse zur Verfügung mit:
einem Basiskörper aus Keramik mit einer ersten Ausnehmung und einer zweiten Ausnehmung in einer Hauptoberflächenseite und einer anderen Hauptoberflächenseite, um dort eine Membran-Elektrodenbaugruppe aufzunehmen, wobei die Membran-Elektrodenbaugruppe eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, die jeweils auf einer Hauptoberfläche und einer weiteren ihrer Hauptoberflächen geformt sind;
ein erster Fluidkanal ist innerhalb des Basiskörpers so ausgebildet, dass er von einem Bereich zwischen der ersten und der zweiten Ausnehmung zu einer Bodenoberfläche einer jeden Ausnehmung führt;
einem ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung so angeordnet ist, dass er gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe liegt und sein anderes Ende führt zu der äußeren Oberfläche des Basiskörpers;
einem Deckelkörper, der auf einer Hauptoberfläche des Basiskörpers in der Nähe der ersten Ausnehmung so angeordnet ist, dass er die erste Ausnehmung abdeckt, um diese hermetisch zu versiegeln;
ein zweiter Deckelkörper ist auf einer anderen Hauptoberfläche des Basiskörpers in der Nähe der zweiten Ausnehmung montiert, um die zweite Ausnehmung abzudecken, um diese hermetisch zu versiegeln;
einem zweiten Fluidkanal, der so geformt ist, dass er sich von einer ersten/zweiten Ausnehmungsseiten-Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers, welche die zweite Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegt, zu einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt und einem zweiten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende auf der ersten/zweiten ausnehmungsseitigen Hauptfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers, der gegenüber der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe liegt, angeordnet ist und dessen anderes Ende zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt.

Erfindungsgemäß besteht das Brennstoffzellengehäuse aus der Membran-Elektrodenbaugruppe mit ersten und zweiten Elektroden auf ihrer einen und anderen Hauptoberfläche, einem Basiskörper aus Keramik mit ersten und zweiten Ausnehmungen auf seiner einen und der anderen Oberflächen zur Aufnahme der Membran-Elektrodenbaugruppe, dem ersten Deckelkörper, der auf einer Hauptoberfläche des Basiskörpers nahe der ersten Ausnehmung montiert ist, um die erste Ausnehmung abzudecken, um sie somit hermetisch zu versiegeln und einem zweiten Deckelkörper, der auf der anderen Hauptoberfläche des Basiskörpers in der Nähe der zweiten Ausnehmung montiert ist, um die zweite Ausnehmung abzudecken, um sie hermetisch zu versiegeln. Bei dieser Konstruktion wird durch das luftdichte Versiegeln des Brennstoffzellengehäuses das Austreten von Fluidmaterial, wie zum Beispiel Gas, verhindert. Da keine Notwendigkeit besteht, ein Extra-Paket zusätzlich zu dem Gehäuse vorzusehen, kann die Brennstoffzelle mit hoher Effizienz betrieben werden und ebenso kann eine Miniaturisierung erreicht werden. Hier nimmt der Basiskörper eine Doppelschichtstruktur ein, in der die erste und die zweite Ausnehmung zur Aufnahme der Membran-Elektrodenbaugruppe jeweils auf gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Basiskörpers angeordnet sind. Diese Struktur eliminiert die Notwendigkeit, die Membran-Elektrodenbaugruppen nebeneinander anzuordnen, wo durch Platz gespart wird. Darüber hinaus wird die Brennstoffzelle konstruiert, indem man die Membran-Elektrodenbaugruppe in dem Gehäuse unterbringt, welches aus dem aus Keramik hergestellten Basiskörper besteht, der erste und zweite Ausnehmungen aufweist, die jeweils auf der einen und der anderen Hauptoberfläche angeordnet sind, und aus einem ersten und einem zweiten Deckelkörper zur jeweiligen Versiegelung der ersten und zweiten Ausnehmungen. Es passiert somit niemals, dass die Membran-Elektrodenbaugruppe freigelegt ist und daher kann die Membran-Elektrodenbaugruppe gegen Beschädigung geschützt werden. Daraus ergibt sich, dass die mechanische Verlässlichkeit der Brennstoffzelle als Ganzes gesteigert werden kann. Daneben sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, von dem jeweils ein Ende innerhalb des Gehäuses, bestehend aus der ersten und der zweiten Ausnehmung und dem ersten und dem zweiten Deckelkörper angeordnet sind, die einzigen Komponenten sind, welche einen elektrischen Kontakt mit der Membran-Elektrodenbaugruppe herstellen. Dies befreit die Membran-Elektrodenbaugruppe selbst von unnötigen elektrischen Verbindungen, wodurch es möglich wird, eine Brennstoffzelle zu erhalten, die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit und Sicherheit aufweist. Zusätzlich können durch die Verwendung von Keramik als Material für das Brennstoffzellengehäuse die Brennstoffzellen hochresistent gegen Korrosion durch Fluid gemacht werden, welches typisiert wird durch verschiedene Gase.

Darüber hinaus sind erste und zweite Fluidkanäle vorgesehen. Der erste Fluidkanal ist im Basiskörper gebildet und erstreckt sich von dem Bereich zwischen der ersten und zweiten Ausnehmung zu der Bodenoberfläche einer jeden Ausnehmung, wobei der zweite Fluidkanal so geformt ist, dass er sich von der ersten/zweiten ausnehmungsseitigen Hauptfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers, der gegenüber der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet ist, zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers er streckt. Bei dieser Konstruktion ist es möglich, den gleichförmigen Zufluss des der Membran-Elektrodenbaugruppe zuzuführenden Fluids zu steigern, da die einzelnen Fluidkanäle jeweils auf ihrer entsprechenden Innenwandoberfläche des Gehäuses angeordnet sind, so dass sie die Membran-Elektrodenbaugruppe zwischen sich nehmen. Durch die Erstellung solcher Fluidwege ist das Fluid in der Lage, senkrecht zu der Membran-Elektrodenbaugruppe zu fließen. So ist es zum Beispiel für den Fall der Speisung mit Wasserstoffgas und Luft (Sauerstoff)-Gas als Fluidmaterial möglich, ein Absinken des Partialdrucks des Gases, welches der ersten und der zweiten Elektrode zugeführt wird, die auf der einen bzw. der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet sind, zu verhindern und somit eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung zu erhalten. Darüber hinaus ist, wenn der Druck des zugeführten Fluids, beispielsweise der Partialdruck des Gases stabilisiert ist, die Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellengehäuses vergleichmäßigt. Dies hilft, thermische Spannung zu unterdrücken, die in der Membran-Elektrodenbaugruppe auftreten, was zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle führt. Somit kann das zugeführte Fluid druckstabilisiert werden.

Ferner sind auf den gegenüberliegenden Hauptseiten des Basiskörpers jeweils erste und zweite Ausnehmungen zur Aufnahme der Membran-Elektrodenbaugruppen angeordnet und erste und zweite Fluidkanäle sind jeweils in den ersten und zweiten Deckelkörpern ausgeformt, welche montiert sind, um die Ausnehmungen abzudecken. Diese Struktur ermöglicht eine Steigerung der Volumenausgangsdichte in der miniaturisierten kompakten Brennstoffzelle, in der die effektiv nutzbare Flächenquote der Membran-Elektrodenbaugruppe gesteigert ist. Zusätzlich ist jeder Fluidkanal hervorragend hinsichtlich seiner Dichtheit, da die ersten und zweiten Fluidkanäle einzeln in dem Basiskörper und dem Deckelkörper geformt sind. Dies ermöglicht zu verhindern, dass sich zwei verschiedene Fluidmateria lien (zum Beispiel Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol), welche grundsätzlich durch verschiedene Fluidkanäle getrennt werden müssen, mischen, und daher tritt es nie auf, dass die Brennstoffzelle aufhört, gut zu funktionieren und entflammbares Fluidmaterial zündet und explodiert durch dessen Mischung bei hohen Temperaturen. Es ergibt sich somit eine Brennstoffzelle mit ausgezeichneter Sicherheit.

Erfindungsgemäß sind die einzelnen ersten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander an deren anderen Enden verbunden. Dadurch kann eine Vielzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen zueinander parallel geschaltet werden durch elektrische Verbindung mit einem geringen Abstand zwischen benachbarten Membran-Elektrodenbaugruppen. Darüber hinaus kann eine Verbindung hergestellt werden durch eine Verdrahtung mit niedrigem Widerstand. Daraus ergibt sich, dass der Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle gut justiert werden kann und man erhält eine Brennstoffzelle mit ebener gestapelter Struktur mit welcher Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wurde, unter guten Bedingungen extrahiert werden kann.

Erfindungsgemäß sind die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch an ihren anderen Enden miteinander verbunden. Dadurch kann eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen miteinander in Reihe elektrisch verbunden werden, mit geringem Abstand zwischen benachbarten Membran-Elektrodenbaugruppen. Darüber hinaus kann eine Verbindung durch niederresistente Verdrahtung erzeugt werden. Als Ergebnis kann die Endspannung justiert werden, obwohl nur eine geringe Spannung durch die Elektrizitätserzeugung einer einzelnen Membran-Elektrodenbaugruppe erhalten wird, indem eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Serie hintereinander geschaltet werden, wodurch eine Brennstoffzelle erhalten wird mit einer flachen Stapelstruktur mit der Elektrizität, die elektro chemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wurde, unter guten Bedingungen extrahiert werden kann.

Darüber hinaus hat der Basiskörper eine Doppelschichtstruktur. Bei dieser Struktur ist die Membran-Elektrodenbaugruppe auf jeder der sich gegenüberliegenden Hauptflächen angeordnet und die einzelne Membran-Elektrodenbaugruppe kann durch die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter miteinander verbunden werden, die in dem Basiskörper und dem ersten und zweiten Deckelkörper ausgebildet sind. Dies macht es möglich, die Verdrahtungslängen zu verkürzen und dadurch den Widerstand zu reduzieren.

Nach der Erfindung ist es vorzuziehen, dass der erste Fluidkanal so angeordnet ist, dass die Öffnungen der Bodenoberflächen der ersten und zweiten Ausnehmungen sich gegenüberstehen.

Erfindungsgemäß ist der erste Fluidkanal so angeordnet, dass die Öffnungen auf der Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmungen sich gegenüberstehen. In diesem Fall kann, selbst, wenn der erste Fluidkanal zu mehreren über im Wesentlichen die gesamte Bodenoberfläche jeder der ersten und zweiten Ausnehmungen ausgebildet ist, der einzelne erste Fluidkanal die erste und zweite Ausnehmung miteinander verbinden und erfordert daher nur einen Brennstoffzufuhreinlass. Dies eliminiert die Notwendigkeit, ein kompliziertes Brennstoffzufuhrsystem vorzusehen, wodurch es möglich gemacht wird, Brennstoff zu der Membranelektrodenanordnung einfach zuzuführen und damit Platz zu sparen.

Die Erfindung stellt eine Brennstoffzelle vor mit:
einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen, die jeweils eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweisen, die auf einer Hauptoberfläche und der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppen angeordnet sind; und
das oben erwähnten Brennstoffzellengehäuse,
wobei die Membran-Elektrodenbaugruppe in der ersten und der zweiten Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses aufgenommen ist, wobei die einen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe so angeordnet sind, dass Fluid zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und deren zugeordneten ersten und zweiten Fluidkanälen ausgetauscht werden kann, und wobei die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden verbunden sind, und der erste/zweite Deckelkörper auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers in der Nähe der ersten/zweiten Ausnehmung montiert ist, so dass er die erste/zweite Ausnehmung abdeckt.

Erfindungsgemäß ist die Brennstoffzelle konstruiert durch Unterbringen der Membran-Elektrodenbaugruppe in der ersten und der zweiten Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses, gefolgt von Anordnen der einen und der anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe derart, dass Fluid zwischen diesen und den ersten und zweiten Fluidkanälen ausgetauscht werden kann, gefolgt von elektrischem Verbinden der ersten und zweiten Verdrahtungsleiter mit den ersten und zweiten Elektroden und gefolgt von Montieren des ersten/zweiten Deckelkörpers auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers in der Nähe der ersten/zweiten Ausnehmung, um die erste/zweite Ausnehmung abzudecken. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, eine kompakte, robuste und hochzuverlässige Brennstoffzelle anzugeben, die eine gleichmäßige Gaszufuhr und eine Vergleichmäßigung des Temperaturgradienten innerhalb des Brennstoffzellengehäuses ermöglicht sowie eine hocheffiziente elektrische Verbindung durch Ausnutzung der Merkmale des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses nach der Erfindung. Darüber hinaus kann der Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle justiert werden, indem man eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander elektrisch verbindet, oder durch eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen, wodurch die Endspannung justiert werden kann. Dies macht es möglich, Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wurde, unter guten Umständen zu extrahieren.

Die Erfindung stellt eine elektronische Vorrichtung vor, mit: der oben erwähnten Brennstoffzelle als Leistungsquelle, wobei der Basiskörper aus einem Mehrschicht-Keramikmaterial hergestellt ist und einem externen Anschlussstecker in mindestens einem von dem Basiskörper, dem ersten Deckelkörper und dem zweiten Deckelkörper.

Vorzugsweise sind in dem Basiskörper nach der Erfindung eine Mehrzahl erster und zweiter Ausnehmungen gebildet, und ein dritter Verdrahtungsleiter ist so ausgeführt, dass sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung liegt und das andere Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der anderen Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung.

Nach der Erfindung ist es bevorzugt, dass in dem Grundkörper eine Mehrzahl von ersten und zweiten Ausnehmungen ausgebildet sind, wobei ein vierter Verdrahtungsleiter so ausgebildet ist, dass sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung angeordnet ist und sein anderes Ende zu der Hauptoberfläche des Basiskörpers führt, auf der der erste/zweite Deckelkörper montiert ist, und ein fünfter Verdrahtungsleiter so ausgeführt ist, dass sein eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe der ersten/zweiten Ausnehmung auf der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers angeordnet ist und sein anderes Ende zu der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers führt, der auf der Hauptfläche des Basiskörpers ange ordnet ist, so dass er dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters gegenüberliegt.

Vorzugsweise sind in den Basiskörper eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung ausgebildet, um eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen aufzunehmen und ein sechster Verdrahtungsleiter ist so ausgebildet, dass sein erstes Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der ersten/zweiten Ausnehmung angeordnet ist und sein anderes Ende gegenüber der ersten Elektrode einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der ersten/zweiten Ausnehmung.

Vorzugsweise sind erfindungsgemäß in dem Basiskörper eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung ausgebildet, um einen Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen aufzunehmen, ein siebter Verdrahtungsleiter ist so ausgebildet, dass sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung angeordnet ist und sein anderes Ende zu der Hauptoberfläche des Basiskörpers führt, auf der der erste/zweite Deckelkörper montiert ist, und ein achter Verdrahtungsleiter ist so ausgebildet, dass sein eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers angeordnet ist und ein anderes Ende zu der Hauptoberfläche des Deckelkörpers führt, der auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers angeordnet ist, so dass er gegenüber dem anderen Ende des siebten Verdrahtungsleiters liegt.

Vorzugsweise ist der erste Fluidkanal so angeordnet, dass die Öffnungen auf der Bodenoberfläche der ersten und der zweiten Ausnehmungen einander gegenüberliegen.

Vorzugsweise ist mindestens einer der ersten und zweiten Verdrahtungsleiter um die Öffnung des ersten Fluidkanals gelegt, der auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung angeordnet ist oder um die Öffnung des zweiten Fluidkanals, der auf der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers angeordnet ist, um der ersten oder zweiten Elektrode gegenüberzustehen.

Erfindungsgemäß weist die elektronische Vorrichtung auf: die Membran-Elektrodenbaugruppe mit der ersten und der zweiten Elektrode, die auf der einen und der anderen Hauptoberfläche der Baugruppe angeordnet sind, wobei der Basiskörper aus einer Vielschichtkeramik hergestellt ist mit ersten und zweiten Ausnehmungen, die jeweils auf der einen und der anderen Hauptseite ausgebildet sind zur Aufnahme der Membran-Elektrodenbaugruppe und den ersten/zweiten Deckelkörper, der auf die Hauptoberfläche des Basiskörpers in der Nähe der ersten/zweiten Ausnehmung montiert wird, so dass er die erste/zweite Ausnehmung abdeckt, um die erste/zweite Ausnehmung luftdicht zu versiegeln. Bei dieser Konstruktion ist, durch das luftdichte Versiegeln des Brennstoffzellengehäuses ein Austreten von Fluidmaterial, wie zum Beispiel Gas, verhindert. Darüber hinaus ist es möglich, eine Hochleistungs- – stabil arbeitende – elektronische Vorrichtung zu schaffen, die mit hoher Effizienz arbeiten kann, da keine Notwendigkeit besteht, Extrapakete in Addition zu dem Gehäuse vorzusehen. Darüber hinaus können Kompaktheit und eine niedrige Bauhöhe bei der elektronischen Vorrichtung erreicht werden.

Hier hat der Basiskörper eine Doppelschichtstruktur, in der die ersten und zweiten Ausnehmungen zur Aufnahme einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen jeweils auf sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Basiskörpers ausgebildet sind. Diese Struktur erlaubt es, Platz zu sparen. Darüber hinaus ist die Brennstoffzelle konstruiert durch Unterbringung einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in dem Gehäuse, welches aus einem Mehr schichtkeramik-Basiskörper besteht, der erste und zweite Ausnehmungen auf seinen einen und anderen Hauptoberflächen aufweist und die ersten und zweiten Deckelkörper zur Versiegelung der ersten und zweiten Ausnehmungen. Somit tritt es niemals auf, dass die Membran-Elektrodenbaugruppe freigelegt ist und daher kann die Membran-Elektrodenbaugruppe gegen Beschädigung geschützt werden. Als Ergebnis ergibt sich eine erhöhte mechanische Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle als Ganzes. Da es nicht notwendig ist, ein Extramittel zum Schutz der Brennstoffzelle vorzusehen, kann die elektronische Vorrichtung kleiner und niedriger in der Höhe gebaut werden.

Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, von denen jeder ein Ende innerhalb des Gehäuses angeordnet hat, welches aus der ersten und der zweiten Ausnehmung und dem ersten und dem zweiten Deckelkörper besteht, sind die einzigen Komponenten, die einen elektrischen Kontakt mit der Membran-Elektrodenbaugruppe herstellen. Dies befreit die Membran-Elektrodenbaugruppe selbst von unnötigen elektrischen Kontakten, wodurch es möglich wird, eine Brennstoffzelle zu erhalten, die eine exzellente Zuverlässigkeit und Sicherheit aufweist. Als Ergebnis ergibt sich eine elektronische Vorrichtung mit Langzeitzuverlässigkeit und einem hohen Grad an Sicherheit.

In der oben beschriebenen Brennstoffzelle ist der äußere Verbindungsstecker (der Stecker mit positiven und negativen Polen) in mindestens einem von dem Basiskörper und dem Deckelkörper vorgesehen. Dies ermöglicht der Brennstoffzelle, elektrisch mit einer elektrischen Platine der elektronischen Vorrichtung einfach verbunden zu sein und ebenfalls wird dadurch die Brennstoffzelle leicht ansteckbar und lösbar. Als Ergebnis kann die Brennstoffzelle leicht durch eine neue ausgetauscht werden, ohne Vorrichtungen zu benötigen, die speziell designte Sicherheitsausrüstung, etc. aufweisen, was in dem Vorteil mündet, dass die Handhabbarkeit der elektronischen Vorrichtung verbessert ist.

Darüber hinaus ist es durch die Verwendung mehrschichtiger Keramikmaterialien zur Herstellung der Brennstoffzellengehäuse möglich, verschiedene gasförmige und fluide Materialien zu verwenden, ohne dass auf Korrosivität geachtet werden muss. Dies hilft, Verbesserungen in der Stromversorgungseffizienz zu vereinfachen. Ein anderer Vorteil ist, dass der Verdrahtungsleiter beliebig in jeder der Keramikschichten, die zusammen die Mehrschichtkeramik bilden, geformt werden kann durch übliche Metallisierungsmethoden. Dies erlaubt ein freies elektrisches Verdrahten in der Brennstoffzelle und dadurch können eine Mehrzahl von Zellen leicht in Serie oder parallel miteinander geschaltet werden. Als ein Ergebnis kann eine dramatische Verbesserung für die elektronische Vorrichtung hinsichtlich Miniaturisierung, flaches Styling und Gewichtsreduktion erzielt werden. Das heißt, gemäß der Erfindung ist ein dritter Verdrahtungsleiter in dem Basiskörper ausgeformt. Der dritte Verdrahtungsleiter hat sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung und sein anderes Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf der anderen Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung. Bei dieser Konstruktion können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander elektrisch verbunden werden. Das macht es möglich, den Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle sauber zu justieren und dadurch Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Bedingungen zu extrahieren. Durch die Verwendung einer solchen Brennstoffzelle ist es möglich, eine elektronische Vorrichtung zu realisieren, die eine Langzeitspannungsstabilität und ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß sind vierte und fünfte Verdrahtungsleiter vorgesehen. Der vierte Verdrahtungsleiter, der in dem Basiskörper ausgeformt ist, hat sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe auf einer Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung angeordnet und sein anderes Ende führt zu der Hauptoberfläche des Basiskörpers, auf dem der Deckelkörper montiert ist. Der fünfte Verdrahtungsleiter hat sein eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe der ersten/zweiten Ausnehmung auf der Hauptoberfläche des Deckelkörpers angeordnet und sein anderes Ende führt zu der Hauptoberfläche des Deckelkörpers, welcher auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers so befestigt ist, dass er dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters gegenüberliegt. Bei dieser Konstruktion können eine Vielzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe miteinander über eine elektrische Verbindung verbunden werden. Als Ergebnis kann die Endspannung justiert werden, indem man eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe schaltet, obwohl nur eine geringe Spannung durch die Elektrizitätsproduktion erzielt wird, die durch eine einzelne Membran-Elektrodenbaugruppe erreicht wird. Dies macht es möglich, Elektrizität unter guten Bedingungen aus der Brennstoffzelle zu extrahieren, wobei die Elektrizität in der Brennstoffzelle elektrochemisch durch die Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wurde. Durch die Verwendung einer solchen Brennstoffzelle ist es möglich, eine elektronische Vorrichtung zu realisieren, die eine Langzeitspannungsstabilität und eine exzellente Zuverlässigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß ist der sechste Verdrahtungsleiter in dem Basiskörper ausgeformt. Der sechste Verdrahtungsleiter liegt mit seinem einen Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung und sein anderes Ende liegt gegenüber der ersten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberflä che der ersten/zweiten Ausnehmung. Bei dieser Konstruktion können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander elektrisch miteinander verbunden werden. Dies macht es möglich, die Ausgangsspannung der gesamten Brennstoffzelle sauber zu justieren und dadurch Elektrizität, die elektromechanisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Umständen zu extrahieren. Bei der Verwendung einer solchen Brennstoffzelle ist es möglich, eine elektronische Vorrichtung zu realisieren, die eine Langzeitspannungsstabilität und eine exzellente Zuverlässigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß sind siebte und achte Verdrahtungsleiter in der Brennstoffzelle vorgesehen. Der siebte Verdrahtungsleiter, der in dem Basiskörper ausgebildet ist, liegt mit seinem Ende gegenüber der ersten Elektrode einer Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung und sein anderes Ende führt zu der Hauptoberfläche des Basiskörpers, auf dem der Deckelkörper montiert ist. Der achte Verdrahtungsleiter ist mit seinem einen Ende gegenüber der zweiten Elektrode der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe auf der Hauptoberfläche des Deckelkörpers angeordnet und sein anderes Ende führt zu der Hauptoberfläche des Deckelkörpers, der auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers so montiert ist, dass er dem anderen Ende des siebten Verdrahtungsleiters gegenüberliegt. In der Brennstoffzelle können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe zueinander elektrisch verbunden werden. Als Ergebnis kann die Endspannung durch eine Reihenschaltung der Mehrzahl der Membran-Elektrodenbaugruppen justiert werden, obwohl nur eine geringe Spannung durch die Elektrizitätserzeugung, die durch eine einzelne Membran-Elektrodenbaugruppe erzielt wird. Dies macht es möglich, Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Umständen zu extrahieren. Durch die Verwendung einer solchen Brennstoffzelle ist es möglich, eine elekt ronische Vorrichtung zu realisieren, die eine Langzeitspannungsstabilität und eine exzellente Zuverlässigkeit aufweist. Darüber hinaus sind erste und zweite Fluidkanäle in der Brennstoffzelle vorgesehen. Der erste Fluidkanal ist in dem Basiskörper ausgeformt und erstreckt sich von einem Gebiet zwischen der ersten und der zweiten Ausnehmung zu der Bodenoberfläche einer jeden Ausnehmung, wohingegen der zweite Fluidkanal so geformt ist, dass er sich von der ersten/zweiten Ausnehmungsseite der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers, der die zweite Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe gegenüberliegt, zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt. Bei dieser Konstruktion ist es möglich, die gleichmäßige Fluidversorgung, die zu der Membran-Elektrodenbaugruppe stattfinden muss, zu verbessern, da einzelne Fluidkanäle jeweils auf ihrer entsprechenden Innenwandoberfläche des Gehäuses angeordnet sind, so dass zwischen ihnen die Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet ist. Durch derartige Fluidkanäle strömt das Fluid vertikal zur Membran-Elektrodenbaugruppe, so dass die Partialdrücke der jeweiligen, der ersten und der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe, die auf ihrer ersten und ihrer zweiten Hauptoberfläche ausgebildet sind, zugeführten Gase nicht abnehmen, wenn das Fluid beispielsweise Wasserstoffgas oder eine wässerige 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 Membran-Elektrodenbaugruppe verursachte thermische Spannungen vermindert werden können, die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle gesteigert werden kann und es daher möglich ist, eine elektronische Vorrichtung zu schaffen, deren Zuverlässigkeit stark verbessert ist.

Auf den sich gegenüberliegenden Hauptseiten des Basiskörpers sind jeweils erste und zweite Ausnehmungen zur Aufnahme der Membran-Elektrodenbaugruppe und erste und zweite Fluidkanäle in ersten und zweiten Deckelkörpern ausgebildet, die montiert werden, um die Ausnehmungen zu bedecken. Diese Struktur erlaubt eine Erhöhung der Volumenausgangsdichte in der Brennstoffzelle.

Da die Fluidkanäle einzeln in dem Basiskörper und dem Deckelkörper ausgeformt sind, ist jeder Fluidkanal hervorragend dicht. Dies macht es möglich zu verhindern, dass sich verschiedene Fluidmaterialien (zum Beispiel Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol) miteinander vermischen, wobei diese Fluide grundsätzlich durch die Fluidkanäle getrennt werden müssen. Deshalb tritt es niemals auf, dass die Brennstoffzelle aufhört, gut zu funktionieren und dass entflammbares Fluid gezündet wird und explodiert durch die Mischung bei hoher Temperatur. Als Ergebnis kann eine Brennstoffzelle angegeben werden, die eine exzellente Sicherheit aufweist.

Erfindungsgemäß sind die ersten Verdrahtungsleiter elektrisch an deren anderen Enden miteinander verbunden. Dadurch kann eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen parallel zueinander elektrisch miteinander verbunden werden, wobei der Abstand zwischen benachbarten Membran-Elektrodenbaugruppen klein gehalten ist. Darüber hinaus kann eine Verbindung durch eine niederwiderständige Verdrahtung hergestellt werden. Als Ergebnis kann der Ausgangsstrom in der gesamten Brennstoffzelle sauber justiert werden und es kann eine Brennstoffzelle erhalten werden, die eine flache Stapelstruktur aufweist, dessen Elektrizität elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe hergestellt wurde und unter guten Bedingungen extrahiert werden kann.

Erfindungsgemäß sind die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter elektrisch miteinander an deren anderen Enden verbunden. Dadurch kann eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen miteinander in Reihe elektrisch verbunden werden, wobei der Abstand zwischen benachbarten Membran-Elektrodenbaugruppen klein gehalten wird. Darüber hinaus kann die Verbindung durch niederresistente Verdrahtung hergestellt werden. Als ein Ergebnis kann die Endspannung justiert werden, obwohl nur eine geringe Spannung durch die Elektrizität erhalten wird, die durch eine einzelne Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wird, indem eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe geschaltet miteinander verbunden werden. Somit kann eine Brennstoffzelle erhalten werden, die eine flache Stapelstruktur aufweist, in der Elektrizität elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt wurde, die unter guten Bedingungen extrahiert werden kann.

Darüber hinaus weist der Basiskörper eine Doppelschichtstruktur auf. Bei dieser Struktur ist die Membran-Elektrodenbaugruppe auf jeder der sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen angeordnet, und die einzelnen Membran-Elektrodenbaugruppen können miteinander über erste und zweite Verdrahtungsleiter verbunden werden, die innerhalb des Basiskörpers und des ersten und zweiten Deckelkörpers geformt sind. Dies macht es möglich, die Länge der Verdrahtung zu verringern und dadurch den Widerstand zu verringern.

Nach der vorliegenden Erfindung ist der erste Fluidkanal so angeordnet, dass die Öffnungen auf der Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmungen sich gegenüberstehen. In diesem Fall kann der einzelne erste Fluidkanal leicht verbunden werden zwischen den ersten und zweiten Ausnehmungen, wobei er lediglich eine Brennstoffzufuhr benötigt, selbst wenn der erste Fluidkanal mehrfach über im Wesentlichen die gesamte Bodenoberfläche einer jeden der ersten und zweiten Ausnehmungen geformt ist. Dies eliminiert den Bedarf, eine komplizierte Brennstoffversorgung vorzusehen, wodurch es mög lich wird, der Membran-Elektrodenbaugruppe leicht Brennstoff zuzuführen und Raum zu sparen.

Erfindungsgemäß ist die Brennstoffzelle konstruiert durch Unterbringen der Membran-Elektrodenbaugruppe in jeder der ersten und zweiten Ausnehmungen, gefolgt durch Arrangieren der einen und der andere Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe, so dass Fluid ausgetauscht werden kann zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkanal, gefolgt durch elektrisches Verbinden der ersten und zweiten Verdrahtungsleiter mit den ersten und zweiten Elektroden, gefolgt durch elektrisches Verbinden der ersten und zweiten Elektroden mit dem äußeren Verbindungsstecker und gefolgt durch Montage des ersten/zweiten Deckelkörpers auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers in der Nähe der ersten/zweiten Ausnehmung, so dass diese erste/zweite Ausnehmung bedeckt wird. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, eine kompakte, robuste und hochzuverlässige Brennstoffzelle herzustellen, die eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr und hocheffiziente elektrische Verbindung ermöglicht durch Verwendung der Merkmale des Brennstoffzellengehäuses nach der Erfindung. Bei Anwendung einer solchen Brennstoffzelle kann eine elektronische Vorrichtung flacher gemacht werden mit hoher Leistungsausbeute und Effizienz. Darüber hinaus kann durch Verbinden einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen in Parallelschaltung der Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle eingestellt werden oder bei Reihenschaltung der Mehrzahl von Membranelektroden kann die Endspannung justiert werden. Dies macht es möglich, Elektrizität, die elektrochemisch in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugt worden ist, unter guten Bedingungen zu extrahieren.

Da erfindungsgemäß zumindest entweder die ersten Verdrahtungsleiter oder die zweiten Verdrahtungsleiter so um die Öffnungen der ersten Fluidkanäle auf der unteren Oberfläche der ersten/zweiten Aus nehmung oder um die Öffnung des zweiten Fluidkanals auf der einen Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers ausgebildet und, dass sie die erste Elektrode und die zweite Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe berühren, ist es ferner möglich, den gesamten Bereich der Fläche der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der Membran-Elektrodenbaugruppe mit Ausnahme der Öffnung des ersten Fluidkanals oder des zweiten Fluidkanals 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 Membran-Elektrodenbaugruppe sicherzustellen und sie direkt anzuschließen sowie eine Zunahme des elektrischen Widerstandes 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.

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, Induktanz 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.

Vorzugsweise ist eine interne Schaltung auf dem Basiskörper ausgeformt.

Erfindungsgemäß weist der Basiskörper die interne Schaltung auf. Somit kann eine elektronische Komponente auf der Oberfläche des Basiskörpers angebracht werden, um elektrisch mit der internen Schaltung verbunden zu werden. Die elektronische Komponente, die auf der Oberfläche des Basiskörpers angebracht ist, dient zur Verbesserung der Funktionalität der elektronischen Vorrichtung.

Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass der Basiskörper eine elektronische Komponente aufweist, die auf der Oberfläche des Basiskörpers angeordnet ist und elektrisch mit der internen Schaltung verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist auf der Oberfläche des Basiskörpers die elektronische Komponente angeordnet, um mit der internen Schaltung elektrisch verbunden zu sein. So ist beispielsweise die Erfassung der Dichte des Brennstoffs in den Brennstoffleistungen 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 des Elektrolytmaterials.

Erfindungsgemäß ist vorzugsweise eine ein Stück weit entweder in dem ersten oder in dem zweiten Fluidkanal angeordnete piezoelektrische Pumpe vorgesehen.

Da erfindungsgemäß zumindest entweder in dem ersten Fluidkanal oder in dem zweiten Fluidkanal die piezoelektrische Pumpe angeordnet ist, kann durch die in dem Fluidkanal montierte piezoelektrische Pumpe 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 vermindert werden, da die Restluft abgegeben wird. Da der Brennstoff konstant zugeführt wird, wird daneben entsprechend 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 genutzt 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.

Somit sind nach der Erfindung ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle angegeben, die ausgezeichnet sind in Kompaktheit, Handhabbarkeit und Sicherheit, die eine gleichmäßige Fluidzufuhr und hocheffektive elektrische Verbindung sicherstellen und die stabil für längere Zeit arbeiten.

Darüber hinaus kann bei Verwendung der Brennstoffzelle, die ausgezeichnet ist hinsichtlich ihrer Kompaktheit, Handhabbarkeit und Sicherheit und die eine gleichmäßige Fluidzufuhr und hocheffiziente elektrische Verbindungen gewährleistet, möglich, eine kompakte, flache elektronische Vorrichtung herzustellen, die stabil für einen langen Zeitraum arbeiten kann und exzellente Sicherheit und Handhabbarkeitseigenschaften aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere und weitere Aufgabe, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellengehäuses und einer Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellengehäuses und einer Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellengehäuses und einer Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5 eine Draufsicht auf ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß der Ausführungsform nach 4;
6 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellengehäuses und einer Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellengehäuses und einer Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in eine elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist;
9 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung eingebaut ist;
10 eine Schnittansicht noch einer anderen Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebaut ist;
11 eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung eingebaut ist;
12 eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die erfindungsgemäß in die elektronische Vorrichtung eingebaut ist;
13 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Brennstoffzelle;
14 eine Schnittansicht noch einer Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist;
15 eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die elektronische Vorrichtung der Erfindung eingebaut ist;
16 eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung eingebaut ist;
17 eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die elektrische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist;
18 eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist;
19 eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in die elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist; und
20 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik.
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 bezeichnet eine Membran-Elektrodenbaugruppe, 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. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet einen dritten Verdrahtungsleiter. Auf der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 sind beispielsweise auf den beiden Hauptoberflächen einer Ionenleitermembran (polymerische Festelektrolyten) 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 ist das Fließen von der in der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 erzeugtem elektrischen Strom zur ersten Elektrode 14 und zur zweiten Elektrode 15 und seine Entnahme nach außen möglich.
Eine derartige Ionenleitermembran (polymerischer Festkörperelektrolyt) der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 ist aus einer protonenlei tenden 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 13 werden durch ein Verfahren zum Warmpressen einer Kohlenstoffelektrode, auf der feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium, angeordnet sind, auf die Membran-Elektrodenbaugruppe 13, ein Verfahren zum Aufbringen oder Übertragen eines Gemisches 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 einen bzw. ein Elektrolyt oder dergleichen erzeugt.
Das Brennstoffzellengehäuse 12 umfasst einen Basiskörper 16 mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen und den Deckelkörper 17, hat die Funktion der Aufnahme der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 Element 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 einem Verbundoxid, das zumindest entweder Al₂O₃ oder SiO₂ enthält (beispielsweise Spinel, Mullit, Cordierit).
Da das Brennstoffzellengehäuse 12 den Basiskörper 16 mit der Mehrzahl von Ausnehmungen 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 Silberharzlötfüllmittel, 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, einem Elektronenstrahl, einem Laser oder dergleichen auf dem Basiskörper 16 montiert. Hierbei kann der Deckelkörper 17 wie der Basiskörper 16 mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen versehen sein. 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 dichtgepackten Gefüge gefertigt, dessen relative Dichte beispielsweise 95 % oder mehr beträgt. In diesem Fall werden dem gesintertem Aluminiumoxid 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 Aluminiumoxid sintergemischt, 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, einem Mikrobohrer, einem Laser 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, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22 sollten vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän bestehen, um eine Oxidation zu verhindern. In diesem Fall wird als anorganische Substanz beispielsweise Al₂O₃ 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 Vol.-% Aluminiumoxidpulver oder Pulver aus diesem Verbundstoff mit der Keramikkomponente, aus der der Basiskörper 16 und der Deckelkörper 17 ausgebildet sind, beigefügt werden. Der erste, der zweite und der dritte Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22 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 eines 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 aufeinandergestapelt. Der Schichtkörper wird dann in einer nichtoxidierenden Atmosphäre mit einer hohen Temperatur von ca. 1200 bis 1500 °C gebrannt. Dadurch werden der gewünschte Keramikbasiskörper 16, der Deckelkörper 17 und der erste, der zweite und der dritte Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22 erzeugt.
Ferner haben die 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 17 verursachten Spannungen leicht zu springen, da ihre Festigkeit zur Abdeckung ge eignet 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 13 einzustellen. Die ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22 sind jeweils elektrisch an die erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 angeschlossen und fungieren als Leiterpfade zur Entnahme von der in der Membran-Elektrodenbaugruppe erzeugtem elektrischen 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 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 Kontaktes zwischen beiden Enden des ersten Verdrahtungsleiters 20 und der ersten Elektrode 14. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 20 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingung 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 Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Das eine Ende des zweiten Verdrahtungsleiters 21 ist in einem Teil der unteren Oberfläche, das heißt, der einen Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordnet, die der zweiten Elektrode 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 Druckbedingung realisiert werden, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess in einer größeren Dicke aufgebracht wird als oben beschrieben. 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 Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Das eine Ende des dritten Verdrahtungsleiters 22, welcher einstückig mit dem Basiskörper 16 ausgebildet ist, ist in dem Teil der unteren Oberfläche einer der Ausnehmungen des Basiskörpers 16 angeordnet, der der ersten Elektrode 14 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegt und sein anderes Ende liegt der ersten Elektrode 14 der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auf der anderen Bodenfläche der Ausnehmung gegenüber. Der dritte Verdrahtungsleiter 22 sollte vorzugsweise 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 sein. Dies ermöglicht beiden Enden des dritten Verdrahtungsleiters 22, mit der ersten Elektrode 14 leicht in Kontakt zu treten. Die gewünschte Höhe des dritten Verdrahtungsleiters 22 kann erhalten werden durch Einstel len der Druckbedingung derart, dass die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozess in einer größeren Dicke aufgebracht wird. Ferner sollten vorzugsweise mehrere dritte Verdrahtungsleiter 22 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, die elektrische Verlustleistung im dritten Verdrahtungsleiter 22 zu verringern. Der Teil des dritten Verdrahtungsleiters 22, der den Basiskörper 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise ist freiliegende Oberfläche des ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleiters 20, 21 und 22 mit einem hochleitfähigen Metallwerkstoff, wie Nickel oder Gold, beschichtet, der hochkorrosionsbeständig ist und bei der Verwendung eines Galvanisierungsverfahrens in Bezug auf ein Hartlötfüllmaterial eine ausgezeichnete Benetzbarkeit aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen dem ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22, ebenso wie zwischen dem ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22 und einem externen elektrischen Schaltkreis.
Der erste, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22 kann elektrisch mit der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 verbunden werden, indem die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 greifend zwischen dem Basiskörper 16 und dem Deckelkörper 17 eingesetzt wird. Dadurch werden der erste, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22 jeweils mit der ersten und zweiten Elektrode 14 und 15 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, wohingegen 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 oder Rillen gebildet. Der erste und der zweite Fluidkanal 18 und 19 dienen jeweils als Kanal für ein der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 13 abzugebendes Fluid, wie bei den Reaktionen erzeugtes Wasser.
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 Durchgangsbohrung bzw. Breite, Tiefe und Anordnung der Rillen entsprechend den Spezifikationen der Brennstoffzelle 11 so bestimmt, dass der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 von 0,1 mm oder mehr aufweisen und gleichzeitig 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 13 unter gleichmäßigem Druck.
Auf diese Weise ist der erste Fluidkanal 18 gegenüber der unteren Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 mit der ers ten Elektrode 14 angeordnet, wogegen der zweite Fluidkanal 19 gegenüber der unteren Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 mit der zweiten Elektrode 15 angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann Fluid zwischen der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 und dem entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanal 18 und 19 ausgetauscht werden, wodurch das Fluid durch den entsprechenden Fluidkanal zugeführt und abgegeben werden kann. Überdies kann bei der Zufuhr eines Gases als Fluid eine Abnahme des Partialdruckes des der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 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 Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auftretende thermische Spannungen unterdrückt werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 11 führt.
Durch die bisher beschriebene Konstruktion können ein kompaktes und robustes Brennstoffzellengehäuse 12, in dem die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 untergebracht werden kann, wie in 1 gezeigt, und die Brennstoffzelle 11 geschaffen werden, die eine hocheffiziente Steuerung erfindungsgemäß ermöglichen.
2 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses und einer zweiten Brennstoffzelle nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In der 2 bezeichnet Bezugszeichen 11a eine Brennstoffzelle, Bezugszeichen 12a ein Brennstoffzellengehäuse, Bezugszeichen 13 eine Membran-Elektrodenbaugruppe, Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, Bezugszeichen 16 einen Basiskörper, Bezugszeichen 17 einen Deckelkörper, Bezugszeichen 18 einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 19 einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 20 einen ersten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 21 einen zweiten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 23 einen vierten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 24 einen fünften Verdrahtungsleiter. Das Brennstoffzellengehäuse 12a besteht aus dem Basiskörper 16 und dem Deckelkörper 17.
Die mit den Bezugszeichen 13 bis 21 in 2 bezeichneten Komponenten haben im Wesentlichen die gleiche Struktur wie in 1 gezeigt und daher wird deren Beschreibung weggelassen. Andererseits ist das eine Ende des vierten Verdrahtungsleiters 23 gegenüber der Elektrode 14 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auf der Bodenoberfläche einer der Mehrzahl der Ausnehmungen des Basiskörpers 16 angeordnet und sein anderes Ende führt zu der oberen Oberfläche des Basiskörpers 16, auf die der Deckelkörper 17 montiert ist. Darüber hinaus ist ein Ende des fünften Verdrahtungsleiters 24 gegenüber der zweiten Elektrode 15 der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe 13 in der Ausnehmung der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17 angeordnet und sein anderes Ende zeigt zu der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 17, welcher auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 16 so angeordnet ist, dass er gegenüber dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters 23 liegt.
Vorzugsweise ist der vierte Verdrahtungsleiter 23, wie der dritte Verdrahtungsleiter 22, einstückig mit dem Basiskörper 16 geformt und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16. Dies ermöglicht, dass ein Ende des vierten Verdrahtungsleiters 23 leicht in Kontakt zu bringen ist mit der ersten Elektrode 14. Die gewünschte Höhe des vierten Verdrahtungsleiters 23 kann durch Einstellung der Druckbedingung erreicht werden, derart, dass die Druckpaste mit einer größeren Dicke während des Druckprozesses aufgetragen wird als oben beschrieben. Ferner sollten mehrere vierte Verdrahtungsleiter 23 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu redu zieren, die den vierten Verdrahtungsleitern 23 zuzuschreiben sind. Der Teil des vierten Verdrahtungsleiters 23, der den Basiskörper 16 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise ist der fünfte Verdrahtungsleiter 24, wie der zweite Verdrahtungsleiter 21, einstückig mit dem Deckelkörper 17 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 17. Dies erlaubt einem Ende des fünften Verdrahtungsleiters 24, leichter einen Kontakt mit der zweiten Elektrode 15 herzustellen. Die gewünschte Höhe des fünften Verdrahtungsleiters 24 kann erhalten werden durch Einstellung der Druckbedingung derart, dass die Druckpaste mit einer größeren Dicke während des Druckprozesses aufgetragen wird als oben beschrieben. Ferner sollten mehrere fünfte Verdrahtungsleiter 24 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem fünften Verdrahtungsleiter 24 zuzuordnen sind. Der Teil des fünften Verdrahtungsleiters 24, der den Deckelkörper 17 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, sind gemäß der Brennstoffzellengehäuse 12, 12a und der Brennstoffzellen 11, 11a, welche Ausführungsformen der Erfindung darstellen, die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 jeweils in jeder der Mehrzahl von Ausnehmungen des Basiskörpers 16 untergebracht.
Darüber hinaus sind der dritte Verdrahtungsleiter 22 oder der vierte und fünfte Verdrahtungsleiter 23 und 24 so angeordnet, dass er/sie über den Bereich zwischen den benachbarten Ausnehmungen sich erstreckt bzw. erstrecken. Dadurch sind bei einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen deren jeweiligen ersten Elektroden 14 oder deren erste und zweite Elektroden 14 und 15 elektrisch miteinander verbunden. Um somit eine Gesamtausgangsleistung durch die letzte Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zu erhalten, sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 20 und 21 elektrisch damit jeweils verbunden. In diesem Fall können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 beliebig miteinander in Reihe oder parallel verbunden werden, da der erste, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 20, 21 und 22, ebenso wie der erste, zweite, vierte und fünfte Verdrahtungsleiter 20, 21, 23 und 24 eine freie dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen. Dies macht es möglich, die Endspannung und den Ausgangsstrom effizient zu justieren. Somit kann in der Brennstoffzelle die elektrochemisch in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 erzeugte Elektrizität auf befriedigende Weise herausgeführt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sein muss und dass daher ohne Abweichung vom Geist oder Rahmen der Erfindung verschiedenste Veränderungen und Modifikationen möglich sind. So können zum Beispiel der erste und der zweite Fluidkanal 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 zweiten Verdrahtungsleiters, deren Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters jeweils zu den gemeinsamen Seitenflächen des Basiskörpers und des Deckelkörpers statt zu ihren äußeren Oberflächen hinausgeführt werden. In diesem Fall können die Verdrahtungsleitungen und die Kanäle, etc. nur auf einer Seite der Brennstoffzelle zusammengelegt werden. Dies hilft bei der Vereinfachung der Miniaturisierung und bei dem Schutz der externen angeschlossenen Abschnitte. Daher kann eine hochzuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
3 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die dieses verwendet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. In 3 bezeichnet Bezugszeichen 31 eine Brennstoffzelle, Bezugszeichen 32 ein Brennstoffzellengehäuse, Bezugszeichen 13 eine Membran-Elektrodenbaugruppe, Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, Bezugszeichen 36 einen Basiskörper, Bezugszeichen 37 einen Deckelkörper, Bezugszeichen 38 einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 39 einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 40 einen ersten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 41 einen zweiten Verdrahtungsleiter, und Bezugszeichen 42 einen dritten Verdrahtungsleiter. In dieser Ausführungsform sind die Komponenten, die denen der vorstehend erwähnten Ausführungsform entsprechen, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
Das Brennstoffzellengehäuse 32 weist einen Basiskörper 36 auf, der eine Ausnehmung aufweist, und einen Deckelkörper 37. Das Brennstoffzellengehäuse 32 hat die Funktion, eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 innerhalb der Ausnehmung aufzunehmen und hermetisch zu versiegeln und ist aus Keramikmaterial, wie gesintertem Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertem Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertem Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Aluminiumnitrid (AlN), gesintertem Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik hergestellt.
Gesinterte Glaskeramik wird aus einer Glaskomponente und einer Füllerkomponente hergestellt, wobei diese Komponenten die gleichen sind wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass dessen Beschreibung im Detail weggelassen wird.
Das Brennstoffzellengehäuse 32 weist den Basiskörper 36 auf, der eine Ausnehmung und einen Deckelkörper 37 aufweist, wobei die Ausnehmung hermetisch versiegelt ist durch Montage des Deckelkörpers 37 über der Ausnehmung des Basiskörpers 36, um diese abzudecken, der Deckelkörper 37 ist auf dem Basiskörper 36 durch Verbinden mit einem Metallverbindungsmaterial, wie Lötmittel oder Silberlötfüller oder durch Verbinden mit einem Harzmaterial, wie Epoxyharz oder mittels einer Methode zum Versiegeln oder ähnlichem mit einer Ferrolegierung oder dergleichen auf der oberen Oberfläche als eine Oberfläche um die Ausnehmung herum und durch Verschweißen durch Nahtschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder dergleichen. Hier kann der Deckelkörper 37 ebenfalls mit einer Ausnehmung versehen sein, in der gleichen Art wie der Basiskörper 36. Zusätzlich können ein Randbereich des Basiskörpers und des Deckelkörpers mit durchgehenden Löchern versehen sein und der Basiskörper und der Deckelkörper können mechanisch durch Verschrauben durch Durchgangslöcher aneinander gesichert sein.
Wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist der Basiskörper 36 und der Deckelkörper 37 jeweils dünn und, um eine flache Brennstoffzelle 1 zu erhalten, ist es bevorzugt, dass die Biegestärke als mechanische Stärke 200 MPa oder mehr beträgt.
Wie in dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, dass der Basiskörper 36 und der Deckelkörper 37 aus gesintertem Aluminiumoxid mit einer dichtgepackten Substanz, deren relative Dichte beispielsweise 95 % oder mehr beträgt. In diesem Fall, zum Beispiel im Fall gesinterten Aluminiumoxids, werden zuerst ein Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfen hinzugefügt und in das Aluminiumoxidpulver gemischt und ein Pulvermaterial aus gesintertem Aluminiumoxid wird präpariert. Zweitens wird ein organischer Binder und ein Dispersionsmedium zugefügt und in das Aluminiumoxid-Sinterpulver gemengt, um eine Paste herzustellen und durch ein Abstreifverfahren oder durch Hinzufügen von organischen Bindern in die Pulvermaterialien und anschließendem Pressen oder Rollen oder dergleichen wird aus der Paste eine Rohscheibe hergestellt mit einer bestimmten Dicke. Anschließend wird durch Ausstanzen mit einem Stößel, einem Mikrobohrer, einem Laser oder durch Pressformen oder dergleichen Durchgangslöcher, wie zum Beispiel die ersten Fluidkanäle 18 und die zweiten Fluidkanäle 19 und Öffnungen als Fluidpassagen und Durchgangslöcher zur Anordnung der ersten Verbindungsleiter 40, der zweiten Verbindungsleiter 41 und der dritten Verbindungsleiter 42 in die Rohscheibe geformt.
Die ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleiter 40, 41 und 42 bestehen vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän, um Oxidationen zu verhindern. In diesem Fall werden als eine anorganische Substanz Al₂O₃ 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 hinzugefügt, um eine leitende Paste herzustellen. Die leitende Paste wird in die Durchgangslöcher gefüllt, die in die Rohscheibe gestanzt sind, um ein Durchgangsloch zu bilden, was als Durchgangsleiter fungiert.
Wie bei dem vorstehenden Beispiel kann in die Leiterpaste zur Erhöhung der dichten Haftung des Basiskörpers 36 und des Deckelkörpers 37 zu dem Keramikwerkstoff, Aluminiumoxidpulver oder ein Pulver mit derselben Zusammensetzung wie eine Keramikkomponente, aus der der Basiskörper 36 und der Deckelkörper 37 geformt sind, hinzugefügt werden, zum Beispiel mit einer Rate von 0,05–2 Vol.-%.
Der erste, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 20, 21 und 33 sind in der äußeren und inneren Schicht des Basiskörpers 36 und des Deckelkörpers 37 vor, nach oder während der Bildung des Durchgangsleiters gebildet, der dadurch erzeugt wird, dass die Leiterpaste in die Durchgangslöcher gefüllt wird. Das Herstellen der Verdrahtungsleiter erfolgt durch Drucken einer ähnlichen Leiterpaste in vorbestimmten Mustern auf die Rohscheibe nach einer Druckmethode, Gravurdruckmethode oder ähnlichen Methode.
Danach wird wie im vorgenannten Beispiel eine vorbestimmte Anzahl von scheibenförmigen gegossenen Körpern, die gedruckte und ausgefüllte Leiterpaste tragen, positionsmäßig ausgerichtet und anschließend unter Druck aufeinandergestapelt. Die gestapelten Körper werden dann in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer hohen Temperatur von etwa 1200 bis 1500 °C gebrannt. Dadurch werden die gewünschten keramischen Basiskörper 36, der Deckelkörper 37 und der erste, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 40, 41 und 42 erhalten.
Ferner ist es wie im vorgenannten Beispiel bevorzugt, dass der Basiskörper 36 und der Deckelkörper 37 aus Keramik eine Dicke von 0,2 mm oder mehr haben. In dem Fall, in dem die Dicke weniger als 0,2 mm beträgt, können der Basiskörper 36 und der Deckelkörper 37 leicht durch Stress zerbrechen, der hervorgerufen wird, wenn der Basiskörper 36 und der Deckelkörper 37 montiert werden. Andererseits ist es in dem Fall, in dem die Dicke mehr als 5 mm beträgt, schwierig, die Brennstoffzelle in kleinen tragbaren Einrichtungen zu verwenden, da das Flachbauen schwierig ist und da die thermische Kapazität groß ist, so dass es schwierig wird, schnell eine angemessene Temperatur zu erreichen, die der elektrochemischen Reaktion der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 entspricht.
Der erste Verdrahtungsleiter 40, der zweite Verdrahtungsleiter 41 und der dritte Verdrahtungsleiter 42 sind elektrisch mit der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 jeweils verbunden, wodurch sie als leitende Pfade zum Herausführen eines elektrischen Stroms dienen, der in der Memb ran-Elektrodenbaugruppe 13 erzeugt wurde, aus dem Brennstoffzellengehäuse 32.
Der erste Verdrahtungsleiter 40 ist mit seinem einen Ende in dem Teil der Ausnehmungsbodenoberfläche des Basiskörpers 36 angeordnet, der der ersten Elektrode 14 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegt und sein anderes Ende zeigt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 36. Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, dass der erste Verdrahtungsleiter 40 einstückig mit dem Basiskörper 36 geformt ist und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 16 ist. Dies erlaubt beiden Enden des ersten Verdrahtungsleiters 20, leichter mit der ersten Elektrode 14 in Kontakt zu kommen. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 20 kann erreicht werden, indem man die Druckbedingung so justiert, dass die Leiterpaste in größerer Dicke während des Druckprozess, wie oben beschrieben, aufgetragen wird. Ferner sollten mehrere erste Verdrahtungsleiter 40 vorzugsweise gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet sein. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem ersten Verdrahtungsleiter 40 zugesprochen werden. Dieser Teil des ersten Verdrahtungsleiters 40, der den Basiskörper 36 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Der zweite Verdrahtungsleiter 41 ist mit seinem einen Ende auf der unteren Oberfläche als einer Oberfläche des Deckelkörpers 37 angeordnet, die der zweiten Elektrode 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 gegenüberliegt und sein anderes Ende führt zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 37. Es wird bevorzugt, dass wie bei dem ersten Verdrahtungsleiter 40 der zweite Verdrahtungsleiter 41 einstückig mit dem Deckelkörper 37 geformt ist und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 17 ist. Dies ermöglicht dem zweiten Verdrahtungsleiter 41, leichter Kontakt mit der zweiten Elektrode 15 herzustellen. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 41 kann erhalten werden, indem man die Druckbedingung so justiert, dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckprozesses aufgetragen wird. Ferner sollten mehrere zweite Verdrahtungsleiter 41 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste in dem zweiten Verdrahtungsleiter 41 zu reduzieren. Der Teil des zweiten Verdrahtungsleiters 41, der den Deckelkörper 37 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Der dritte Verdrahtungsleiter 42, der einstückig mit dem Basiskörper 36 ausgebildet ist, hat ein Ende gegenüber der ersten Elektrode 14 einer der Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 36 und sein anderes Ende liegt gegenüber der ersten Elektrode 14 einer anderen der Mehrzahl der Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung. Der dritte Verdrahtungsleiter 42 sollte vorzugsweise 10 μm oder mehr höher sein als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 36. Dies ermöglicht beiden Enden des dritten Verdrahtungsleiters 42, leichter mit der ersten Elektrode 14 Kontakt zu machen. Die gewünschte Höhe des dritten Verdrahtungsleiters 42 kann erhalten werden, indem man die Druckbedingung so einstellt, dass die Leiterpaste während des Druckens, wie oben beschrieben, mit einer größeren Dicke aufgetragen wird. Ferner sollten mehrere dritte Verdrahtungsleiter 42 gegenüber der ersten Elektrode 14 aufgetragen werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu vermindern, die dem dritten Verdrahtungsleiter 42 zugeschrieben werden. Dieser Teil des dritten Verdrahtungsleiters 42, der durch den Basiskörper 36 verläuft, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass die ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleiter 40, 41 und 42 jeweils auf ihrer freiliegenden Oberfläche mit einer hochleitenden Metallschicht, wie Nickel oder Gold, beschichtet sind, die hochkorrosionsbeständig sind und exzellente Benetzungseigenschaften bezüglich Lötfüllermaterial aufweisen, wobei diese Schichten nach der Plattierungsmethode aufgetragen werden. Dies macht es möglich, eine befriedigende elektrische Verbindung zwischen den ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleitern 40, 41 und 42 herzustellen sowie zwischen den ersten, zweiten und dritten Verdrahtungsleitern 40, 41 und 42 und einem externen elektrischen Schaltkreis.
Der erste, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 40, 41 und 42 kann elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden durch formschlüssiges Einfügen der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zwischen dem Basiskörper 36 und dem Deckelkörper 37 verbunden werden. Dabei werden der erste, zweite und dritte Verdrahtungsleiter 40, 41 und 42 in Druckkontakt mit der ersten und zweiten Elektrode 14 und 15 gebracht.
Auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 36 gegenüber der ersten Elektrode 14 und auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 37 gegenüber der zweiten Elektrode 15 sind der erste Fluidkanal 38 und der zweite Fluidkanal 39 angebracht. Der erste Fluidkanal 38 ist so geformt, dass er sich in Richtung auf die äußere Oberfläche des Basiskörpers 36 erstreckt, wohingegen der zweite Fluidkanal 39 so geformt ist, dass er sich in Richtung auf die äußere Oberfläche des Deckelkörpers 37 erstreckt. Der erste und der zweite Fluidkanal 38 und 39 sind als Durchgangslöcher ausgeformt, die in dem Basiskörper 36 und dem Deckelkörper 37 angebracht sind, oder in Form von Rillen. Der erste und der zweite Fluidkanal 38 und 39 dienen jeweils als Passage für ein Fluid, das der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zugeführt werden soll, wobei das Fluid ein Brennstoffgas, zum Beispiel wasserstoffreiches Reformgas, oder ein Oxidationsgas, zum Beispiel Luft oder Sauerstoff, sind und wobei die Fluidkanäle außerdem dazu dienen, von der Membran-Elektrodenbau gruppe 13 Fluid nach den Reaktionen abzulassen, wie beispielsweise Wasser, welches durch die Reaktionen erzeugt wird.
Betrachtet man ein Durchgangsloch oder eine Rille, die in den Basiskörper 36 und den Deckelkörper 37 eingestochen sind, als erste und zweite Fluidkanäle 38 und 39, so sind der Durchmesser und die Anzahl der Durchgangslöcher oder die Breite und Tiefe und die Anordnung der Rillen danach bestimmt, wie die Brennstoffzelle 31 spezifiziert ist, derart, dass das Fluid, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zugeführt werden kann.
In dem Brennstoffzellengehäuse 32 und in der Brennstoffzelle 31, die die Erfindung darstellen, sollten erste und zweite Fluidkanäle 38 und 39 vorzugsweise einen Lochdurchmesser von 0,1 mm oder mehr haben und gleichmäßig beabstandet sein. Alternativ im Fall der Ausbildung von Rillen sollten die ersten und zweiten Fluidkanäle 38 und 39 eine Breite von 0,3 mm oder mehr haben und eine Tiefe von 0,1 mm oder mehr. Dies erlaubt einem Fluid, in die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 mit gleichförmigem Druck einzuströmen. Auf diesem Wege ist der erste Fluidkanal 38 gegenüber der unteren Hauptfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 mit der ersten Elektrode 14 angeordnet, wohingegen der zweite Fluidkanal 39 gegenüber der oberen Hauptseite der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 mit der zweiten Elektrode 15 angeordnet ist. In dieser Anordnung kann Fluid zwischen der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 und deren zugehörigen ersten und zweiten Fluidkanälen 38 und 39 ausgetauscht werden und daher kann das Fluid durch den jeweiligen Fluidpfad zu- und abgeführt werden. Darüber hinaus ist es in dem Fall, dass Gas als Fluid zugeführt wird, möglich, ein Absinken des Partialdruckes des Gases, welches den ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zugeführt wird, zu verhindern und somit eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung zu erzeugen. Ferner ist der innere Druck innerhalb der Brennstoffzelle 31 gleichmäßig, da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert ist. Als Ergebnis kann thermischer Stress unterdrückt werden, der innerhalb der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auftritt, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 31 führt.
Mit der bis dahin beschriebenen Konstruktion ist es möglich, eine kompakte und robuste Brennstoffzellengehäuseanordnung 32 anzugeben, die in der Lage ist, die Membran-Elektrodenbaugruppe 13, wie in 3 gezeigt, aufzunehmen und eine Brennstoffzelle 31 anzugeben, die eine hocheffiziente Steuerung erlaubt.
4 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellengehäuses und einer Brennstoffzelle, die dieses einsetzt, nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 5 ist eine Draufsicht auf die Brennstoffzelle nach 4. In diesen Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 31a eine Brennstoffzelle, Bezugszeichen 32a ein Brennstoffzellengehäuse, Bezugszeichen 13 eine Membran-Elektrodenbaugruppe, Bezugszeichen 14 eine erste Elektrode, Bezugszeichen 15 eine zweite Elektrode, Bezugszeichen 36 einen Basiskörper, Bezugszeichen 37 einen Deckelkörper, Bezugszeichen 38 einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 39 einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 40 einen ersten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 41 einen zweiten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 43 einen vierten Verdrahtungsleiter und Bezugszeichen 44 einen fünften Verdrahtungsleiter. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie IV-IV in 5.
Die den Bezugszeichen 13 bis 15 und 36 bis 41 in den 4 und 5 bezeichneten Komponenten haben im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in 3 gezeigten und daher wird deren Beschreibung weggelassen. Andererseits hat der vierte Verdrahtungsleiter 43 ein Ende gegenüber der ersten Elektrode 14 einer der Mehrzahl der Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 36 und sein anderes Ende führt zu der oberen Oberfläche des Basiskörpers 36, auf dem der Deckelkörper 37 montiert ist. Darüber hinaus hat der fünfte Verdrahtungsleiter 44 ein Ende gegenüber der zweiten Elektrode 15 der anderen Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 37 liegen und sein anderes Ende führt zu der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 37, welcher auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 36 montiert ist, um gegenüber dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters 43 zu liegen.
Vorzugsweise ist wie der dritte Verdrahtungsleiter 42 der vierte Verdrahtungsleiter 43 einstückig mit dem Basiskörper 36 geformt und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 36. Dies erlaubt einem Ende des vierten Verdrahtungsleiters 43, leichter einen Kontakt mit der ersten Elektrode 14 zu machen. Die gewünschte Höhe des vierten Verdrahtungsleiters 43 kann durch Justieren der Druckbedingung so erhalten werden, dass die Leiterpaste mit einer größeren Dicke während des Druckprozesses gedruckt wird, als dies oben beschrieben ist. Ferner sollten mehrere vierte Verdrahtungsleiter 43 vorzugsweise gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet sein. Dies hilft, elektrische Verluste zu vermindern, die dem vierten Verdrahtungsleiter 43 zugeschrieben werden. Dieser Teil des vierten Verdrahtungsleiters 43, der den Basiskörper 36 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Vorzugsweise, wie bei dem zweiten Verdrahtungsleiter 41, ist der fünfte Verdrahtungsleiter 42 einstückig mit dem Deckelkörper 37 ausgeführt und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 37. Dies ermöglicht einem Ende des fünften Verdrahtungsleiters 44, leichter mit der zweiten Elektrode 15 in Kontakt zu treten. Die gewünschte Höhe des fünften Verdrahtungsleiters 44 kann erhalten werden durch Justierung der Druckbedingung, so dass die Leiterpaste mit einer größeren Dicke während des Druckprozesses, wie oben beschrieben, aufgetragen wird. Ferner sollten mehrere fünfte Verdrahtungsleiter 44 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu verringern, die dem fünften Verdrahtungsleiter 24 zugesprochen werden. Der Teil des fünften Verdrahtungsleiters 44, der den Deckelkörper 37 durchquert, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Wie in den 3, 4 und 5 gezeigt, sind erfindungsgemäß gemäß bei der Brennstoffzelle 31, 31a und dem Brennstoffzellengehäuse 32, 32a die Mehrzahl der Membran-Elektrodenbaugruppen 13 in der Ausnehmung des Basiskörpers 36 untergebracht und der dritte Verdrahtungsleiter 42 oder der vierte und fünfte Verdrahtungsleiter 43 und 44 ist/sind vorgesehen. Dadurch sind bei einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 deren ersten Elektroden 14 oder deren erste und zweite Elektroden 14 und 15 elektrisch miteinander verbunden. Dann sind, um den Gesamtausgang durch die letzte Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zu erhalten, die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 40 und 41 elektrisch mit diesen jeweils verbunden. In diesem Fall, da die ersten bis dritten Verdrahtungsleiter 40, 41 und 42, ebenso wie die ersten, zweiten, vierten und fünften Verdrahtungsleiter 40, 41, 43 und 44 ein freies dreidimensionales Verdrahten erlauben, können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 beliebig miteinander in Serie oder parallel verschaltet werden. Dies macht es möglich, die Gesamtendspannung und den Ausgangsstrom effizient zu justieren. Daher kann Elektrizität, die in der Brennstoffzelle elektrochemisch in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 erzeugt wurde, auf befriedigende Art extrahiert werden.
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 und Rahmen der Erfindung verschiedenste Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Der erste und der zweite Fluidkanal können beispielsweise alternativ durch Erzeugung 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 zweiten Verdrahtungsleiters, deren Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters jeweils zu den gemeinsamen Seitenflächen des Basiskörpers und des Deckelkörpers, statt zu ihren äußeren Oberflächen hinausgeführt 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 hochzuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann.
6 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellengehäuses und einer Brennstoffzelle, die dieses verwendet, nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In 6 bezeichnet Bezugszeichen 51 eine Brennstoffzelle, Bezugszeichen 52 ein Brennstoffzellengehäuse, Bezugszeichen 13a und 13b bezeichnen eine Membran-Elektrodenbaugruppe, Bezugszeichen 14a und 14b bezeichnen eine erste Elektrode, Bezugszeichen 15a und 15b bezeichnen eine zweite Elektrode, Bezugszeichen 56 bezeichnet einen Basiskörper, Bezugszeichen 57a und 57b bezeichnen einen Deckelkörper (den ersten und den zweiten Deckelkörper), Bezugszeichen 58 bezeichnet einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 59 bezeichnet einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 60 bezeichnet einen ersten Verdrahtungsleiter, und Bezugszeichen 61 bezeichnet einen zweiten Verdrahtungsleiter.
Bei der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b sind zum Beispiel auf beiden Hauptoberflächen einer ionenleitenden Membran (polymerischer Feststoffelektrolyt), die aus einer plattenförmigen Feststoffelektrolytmembran gemacht ist, sind eine Brennstoffelektrode (nicht in der Figur gezeigt), die eine Anode wird und eine Luftelektrode (nicht gezeigt in der Figur), die eine Kathode wird, in einem Körper geformt, so dass sie der ersten Elektrode 14a und 14b gegenüberliegt, die auf der unteren Hauptfläche als einer Hauptfläche und die zweite Elektrode 15a und 15b auf der oberen Hauptfläche als eine weitere Hauptfläche jeweils geformt ist. Dann ist es möglich, in der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b Strom zu der ersten Elektrode 14a und 14b und zu der zweiten Elektrode 15a und 15b fließen zu lassen und ihn herauszuführen. Wie die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 des vorher beschriebenen Ausführungsbeispiels ist eine solche leitende Membran (polymerischer Feststoffelektrolyt) der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b aus einer protonenleitenden Ionenaustauschmembran gefertigt, wie zum Beispiel aus einem Perfluorkohlenstoffschwefelsäureharz, Nafion (ein Produktname, hergestellt von DuPont). Darüber hinaus sind die Brennstoffelektroden und die Luftelektroden poröse Gasdiffusionselektroden und haben beide die Funktion als poröse Katalysatorschichten und Gasfusionsschichten. Die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode bestehen aus einem porösen Material, welches leitende feine Partikel als Katalysator wie Platin, Palladium oder eine Legierung davon, zum Beispiel feine Kohlenstoffpartikel durch einen hydrophoben Harzbinder, wie Polytetrafluorethylen trägt.
Die erste Elektrode 14a und 14b und die zweite Elektrode 15a und 15b auf der Hauptoberfläche und die Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b sind geformt durch eine Methode der Heißverpressung einer Kohlenstoffelektrode, auf der feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium auf der Membran-Elektrodenbaugruppe 3 befestigt sind, eine Methode zur Auftragung oder Übertragung eines Gemisches eines Kohlenstoffelektrodenmaterials, in dem feine Partikel eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium angebracht sind und eine Lösung, in der elektrolytisches Material auf einer Elektrolytmembran oder ähnliches dispergiert ist.
Das Brennstoffzellengehäuse 52 nach der Erfindung weist einen Basiskörper 56 auf mit einer ersten Ausnehmung auf einer oberen Hauptoberfläche als eine Hauptoberfläche und eine zweite Ausnehmung auf einer unteren Hauptoberfläche als eine weitere Hauptoberfläche, der erste Deckelkörper 57a ist auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 56 in der Nähe der ersten Ausnehmung montiert, so dass er die erste Ausnehmung abdeckt, und der zweite Deckelkörper 57b ist auf der unteren Oberfläche des Basiskörpers 56 in der Nähe der zweiten Ausnehmung so angeordnet, dass er die zweite Ausnehmung abdeckt. Das Brennstoffzellengehäuse 52 hat die Funktion, die Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b innerhalb der ersten und der zweiten Ausnehmung aufzunehmen und hermetisch zu versiegeln und ist aus Keramikmaterial, wie beispielsweise gesintertes Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertes Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertes Siliciumcarbid (SiC), gesintertes Aluminiumnitrid (AlN), gesintertes Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik hergestellt.
Es ist zu beachten, dass die gesinterte Glaskeramik aus einer Glaskomponente und einer Füllstoffkomponente hergestellt ist, wobei diese Komponenten die gleichen sind wie in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel, so dass dessen Beschreibung hier weggelassen wird.
Da das Brennstoffzellengehäuse 52 den Basiskörper 56 aufweist, der erste und zweite Ausnehmungen und erste und zweite Deckelkörper 57a und 57b aufweist und die Ausnehmung hermetisch versiegelt ist durch die Montage der ersten und zweiten Deckelkörper 57a und 57b um die ersten und zweiten Ausnehmungen des Basiskörpers 56 herum, um die erste und zweite Ausnehmung abzudecken, sind die Deckelkörper 57a und 57b auf dem Basiskörper 56 durch Verbinden mit einem Metallverbindungsmaterial, wie Lötzinn oder Silberlötfüller durch Verbinden mit einem Harzmaterial, wie Epoxy, oder durch eine Methode des Verbindens eines Versiegelungsmaterials oder ähnlichem aus einer Ferrolegierung oder dergleichen auf der oberen Oberfläche als einer Oberfläche um die Ausnehmung herum und durch Verschweißen durch Nahtschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder ähnlichem. Hier können die ersten und zweiten Deckelkörper 57a und 57b ebenfalls mit Ausnehmungen in derselben Art wie bei dem Basiskörper 56 versehen sein. Zusätzlich kann ein Randbereich des Basiskörpers 56 und des ersten und zweiten Deckelkörpers 57a und 57b mit Durchgangslöchern versehen sein und der Basiskörper und der Deckelkörper können mechanisch durch Verschrauben durch diese Durchgangslöcher aneinander befestigt sein.
Der Basiskörper 56 und der erste und zweite Deckelkörper 57a und 57b sind beide dünn und, um eine geringe Bauhöhe der Brennstoffzelle 1 zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass die Biegefestigkeit als mechanische Festigkeit 200 MPa oder mehr beträgt.
Vorzugsweise sind der Basiskörper 56 und der erste und zweite Deckelkörper 57a und 57b aus gesintertem Aluminiumoxid einer dichtgepackten Substanz hergestellt, dessen relative Dichte 95 % oder mehr beträgt. In diesem Fall, zum Beispiel in dem Fall gesinterten Aluminiumoxids, wird erstens ein Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfen hinzugefügt und in das Aluminiumoxidpulver eingemengt und ein Pulvermaterial aus gesintertem Aluminiumoxid wird hergestellt. Zweitens wird ein organischer Binder und ein Dispersionsmedium hinzugefügt und in die pulverförmigen Aluminiumoxid-Sintermaterialien eingemischt, um eine Paste herzustellen und durch ein Streichverfahren oder durch Hinzufügen eines organischen Bindern in das Pulvermaterial und Durchführung eines Pressgießens, Rollformens oder ähnlichem wird eine Rohplatte mit einer vorbestimmten Dicke aus der Paste hergestellt. Dann werden durch Ausstanzen, Mikrobohren, Laserbohren oder Pressformen oder ähnlichem Durchgangslöcher als erste Fluidkanäle 58 und zweite Fluidkanäle 59, Öffnungen als Fluidpfade und Durchgangslöcher zur Anordnung erster Verbindungsleiter 60 und zweiter Verbindungsleiter 61 in die Rohplatte geformt.
Die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 60 und 61 sollten vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän hergestellt sein, um Oxidationen zu verhindern. In diesem Fall ist zum Beispiel als anorganische Substanz Al₂O₃ in einer Menge von 3 bis 20 Gew.-% und Nb₂O₅ in einer Menge von 0,5 bis 5 Gew.-% den 100 Gew.-% Wolfram- und/oder Molybdänpulver hinzugefügt, um eine leitende Paste herzustellen. Die leitende Paste ist in die Durchgangslöcher eingefüllt, die in die Rohplatten eingestochen sind, um Durchgangskontakte herzustellen.
In der leitenden Paste kann zur Erhöhung der dichten Adhäsion des Basiskörpers 56 und des ersten und zweiten Deckelkörpers 57a und 57b zu dem Keramikwerkstoff, Aluminiumoxidpulver oder Pulver der gleichen Zusammensetzung mit einer Keramikkomponente, die den Basiskörper 56 und den ersten und zweiten Deckelkörper 57a und 57b bilden, addiert werden, beispielsweise in einem Verhältnis von 0,05–2 Vol.-%.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 60 und 61 sind in der äußeren und inneren Schicht des Basiskörpers 56 und des ersten und zweiten Deckelkörpers 57a und 57b vor, nach oder während der Bildung des Durchgangsleiters, welcher erhalten wird durch Auffüllen der Durchgangslöcher mit Leiterpaste. Die Bildung der Verdrahtungsleiter wird durch Drucken einer ähnlichen Leiterpaste in vorbestimmten Mustern auf der Rohplatte nach dem Druckverfahren, Gravurdruckverfahren oder ähnlichen Verfahren erzielt.
Danach wird eine vorbestimmte Anzahl von scheibenförmigen gegossenen Körpern, die die gedruckte und aufgefüllte Leiterpaste tragen, einer Positionsausrichtung unterzogen und anschließend aufeinander unter Druck gestapelt. Der gestapelte Körper wird dann in nichtoxidierender Atmosphäre bei hohen Temperaturen von ungefähr 1200 bis 1500 °C gebrannt. Somit werden der gewünschten Keramikbasiskörper 56, der erste und der zweite Deckelkörper 57a und 57b und der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 60 und 61 erhalten.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Basiskörper 56 und der erste und der zweite Deckelkörper 57a und 57b aus Keramik eine Dicke von 0,2 mm oder mehr haben. In dem Fall, in dem die Dicke weniger als 0,2 mm beträgt, tendieren der Basiskörper 56 und die ersten und zweiten Deckelkörper 57a und 57b dazu, leicht unter Spannungen zerbrechen, die hervorgerufen werden, wenn der Basiskörper 56 und die ersten und zweiten Deckelkörper 57a und 57b aneinander montiert werden. Auf der anderen Seite ist es in dem Fall, in dem die Dicke mehr als 5 mm beträgt, wegen der schwierigen Erzielung einer geringen Bauhöhe, schwierig, eine solche Brennstoffzelle in kleinen tragbaren Ausrüstungen zu installieren, und weil die thermische Kapazität groß ist, ist es schwierig, sofort geeignete Temperaturen herzustellen, die für eine elektrochemischen Reaktion in der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b erforderlich ist.
Der erste Verdrahtungsleiter 60 und der zweite Verdrahtungsleiter 61 sind elektrisch mit der ersten Elektrode 14a und 14b und den zweiten Elektroden 15a und 15b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b jeweils verbunden, wodurch sie als leitende Pfade funktionieren, um den in der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b erzeugten elektrischen Strom aus dem Brennstoffzellengehäuse 52 herauszuführen.
Der erste Verdrahtungsleiter 60 hat ein Ende in dem Teil einer jeden Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmungen auf beiden Hauptoberflächen des Basiskörpers 56 angeordnet, der den ersten Elektroden 14a und 14b der Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b gegenüberliegt und sein anderes Ende führt zu der äußeren Oberfläche des Basiskörpers 56. Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, dass der erste Verdrahtungsleiter 60 einstückig mit dem Basiskörper 56 geformt ist und 10 μm oder mehr höher als jede Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmungen des Basiskörpers 56 ist. Dies ermöglicht es dem ersten Verdrahtungsleiter 60, leichter in Kontakt mit den ersten Elektroden 14a und 14b zu treten. Die hilft, elektrische Verluste in dem ersten Verdrahtungsleiter 60 zu reduzieren. Dieser Teil des ersten Verdrahtungsleiters 60, der durch den Basiskörper 56 dringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Der zweite Verdrahtungsleiter 61 ist mit seinem einen Ende in einem Teil der Hauptoberfläche des ersten und zweiten Deckelkörpers 57a und 57b angeordnet, die jede der zwei Elektroden 15a und 15b einer jeden Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b gegenüberliegen und sein anderes Ende führt hinaus zu der äußeren Oberfläche eines jeden Deckelkörpers 57a und 57b. Es ist bevorzugt, dass wie bei dem ersten Verdrahtungsleiter 60 der zweite Verdrahtungsleiter 61 einstückig mit dem ersten und dem zweiten Deckelkörper 57a und 57b geformt ist und 10 μm oder mehr höher als die Hauptoberfläche auf einer Seite der zweiten Elektroden 15a und 15b des ersten und zweiten Deckelkörpers 57a und 57b ausgeführt ist. Dies erlaubt dem zweiten Verdrahtungsleiter 61, leichter in Kontakt mit den zweiten Elektroden 15a und 15b zu treten. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 61 kann erzielt werden, indem man die Druckbedingung so einstellt, dass die Leiterpaste mit einer größeren Dicke während des Druckprozesses als oben beschrieben aufgetragen wird. Ferner sollten mehrere zweite Verdrahtungsleiter 61 gegenüber den zweiten Elektroden 15a und 15b angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste in dem zweiten Verdrahtungsleiter 61 zu mindern. Der Teil des zweiten Verdrahtungsleiters 61, der durch den ersten und den zweiten Deckelkörper 57a und 57b tritt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Mit Bezug auf 6 wird der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 60, der zu der äußeren Oberfläche des Basiskörpers 56 führt, weiter erklärt. Auf der äußeren Oberfläche des Basiskörpers 56 sind einzelne andere Enden der ersten Verdrahtungsleiter 60 herausgeführt und jeweils mit den ersten Elektroden 14a und 14b der Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b auf den Bodenoberflächen der ersten und zweiten Ausnehmung, die auf den gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Basiskörpers 56 liegen. Darüber hinaus sollten vorzugsweise mehrere erste Verdrahtungsleiter 60 gegenüber der ersten Elektrode 14a und 14b angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu verringern, die dem ersten Verdrahtungsleiter 60 zugeschrieben werden. Dieser Teil des ersten Verdrahtungsleiters 60, der durch den Basiskörper 56 geführt ist, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr besitzen.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 60 und 61 auf ihren freiliegenden Oberflächen mit hochleitendem Metall, wie Nickel oder Gold, beschichtet, die hochkorrosionsbeständig sind und eine ausgezeichnete Benetzbarkeit bezüglich Lötfüllermaterial haben. Beschichtung erfolgt mit der Plattierungsmethode. Dies macht es möglich, eine befriedigende elektrische Verbindung zwischen den ersten und den zweiten Verdrahtungsleitern 60, 61 sowie zwischen den ersten und zweiten Verdrahtungsleitern 60 und 61, den ersten Elektroden 14a und 14b, den zweiten Elektroden 15a und 15b und äußeren elektronischen Schaltungen herzustellen.
Die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 60 und 61 können elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden 14a und 14b und 15a und 15b verbunden werden durch formschlüssiges Einfügen der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b zwischen den Basiskörper 56 und den ersten und zweiten Deckelkörpern 57a und 57b. Dadurch werden die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 60 und 61 in Druckkontakt mit den ersten und zweiten Elektroden 14a, 14b und 15a, 15b gebracht.
In dem Basiskörper 56 ist der erste Fluidkanal 58 so arrangiert, dass die Öffnungen auf den Bodenoberflächen der ersten und zweiten Ausnehmungen sich gegenüberliegen und einen Teil des Basiskörpers zwischen den ersten und zweiten Ausnehmungen zu den Bodenoberflächen der ersten und zweiten Ausnehmungen bilden. Die ersten Fluidkanäle 58 werden durch Durchgangslöcher gebildet, die in den Basiskörper 56 gestochen sind oder durch Rillen. Die ersten Fluidkanäle 58 dienen als Fluidpfad für Fluid, das den Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b zugeführt werden soll, wie Brennstoffgas, zum Beispiel wasserstoffreiches Reformgas oder Oxidationsgas, zum Beispiel Sauerstoff oder Luft, und dienen nebenbei als Passage für Fluid, welches von der der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b nach den Reaktionen abgeführt werden muss, wie zum Beispiel durch die Reaktion produziertes Wasser.
Ferner ist auf der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 57a, 57b gegenüber der ersten zweiten Elektrode 15a, 15b der zweite Fluidkanal 59 angeordnet. Der zweite Fluidkanal 59 ist so geformt, dass er sich über die äußere Oberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 57a, 57b erstreckt. Der zweite Fluidkanal 59 dient als Flu idpfad wie der erste Fluidkanal 58 und ist hergestellt durch Stechen eines Durchgangslochs oder einer Rille in den ersten/zweiten Deckelkörper 57a, 57b.
Ein Durchgangsloch oder eine Rille, welche in den Basiskörper 56 und in den ersten und den zweiten Deckelkörper 57a und 57b gestochen oder geritzt sind, und als erste und zweite Fluidkanäle 58 und 59 dienen, haben einen Durchmesser und eine Anzahl von Durchgangslöchern oder eine Breite und Tiefe und eine Anordnung der Rillen, die so bestimmt sind nach den Spezifikationen der Brennstoffzelle 41, dass ein Fluid, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig an die Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b abgegeben werden kann.
In dem Brennstoffzellengehäuse 52 und der Brennstoffzelle 51, die die Erfindung verkörpern, sollten die ersten und zweiten Fluidkanäle 58 und 59 vorzugsweise einen Lochdurchmesser von 0,1 mm oder mehr haben und gleichmäßig beabstandet sein. Alternativ, im Fall der Bildung von Rillen, sollten die ersten und zweiten Fluidkanäle 58 und 59 vorzugsweise eine Breite von 0,3 mm oder mehr und eine Tiefe von 0,1 mm oder mehr haben. Dies ermöglicht einem Fluid, in die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 mit gleichförmigem Druck einzuströmen.
Auf diesem Wege ist der erste Fluidkanal 58 gegenüber der ersten Hauptflächengruppen 13a und 13 angeordnet, welche erste Elektroden 14a und 14b aufweisen, wohingegen der zweite Fluidkanal 59 gegenüber der ersten Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b mit zweiten Elektroden 15a und 15b angeordnet ist. In dieser Anordnung kann Fluid ausgetauscht werden zwischen der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b und deren entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanälen 58 und 59 und somit kann Fluid zugeführt und abgeführt werden durch entsprechende Fluidpfade. Darüber hinaus ist es möglich, im Fall der Zuführung von Gas als Fluid zu verhindern, dass der Partialdruck des Gases sinkt, welches den ersten und zweiten Elektroden 14a und 14b und 15a und 15b der Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b zugeführt wird und somit ist es möglich, eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung zu erhalten. Ferner, da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert ist, ist der innere Druck innerhalb der Brennstoffzelle 51 vergleichmäßigt. Als Ergebnis kann thermischer Stress, der in den Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b auftritt, unterdrückt werden, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 51 führt.
Mit der soweit beschriebenen Konstruktion, wie in 6 gezeigt, ist es möglich, ein kompaktes, robustes Brennstoffzellengehäuse 52 zu realisieren, welches in der Lage ist, eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b unterzubringen und ebenso die Brennstoffzelle 51, die mit hoher Effizienz steuerbar ist.
7 ist ein Schnitt durch ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, die dieses verwendet, nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In 7 sind die gleichen Komponenten wie der der vorgenannten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen genannt und Bezugszeichen 51a bezeichnet eine Brennstoffzelle, Bezugszeichen 52a ein Brennstoffzellengehäuse, Bezugszeichen 13a und 13b bezeichnen eine Membran-Elektrodenbaugruppe, Bezugszeichen 14a und 14b bezeichnen eine erste Elektrode, Bezugszeichen 15a und 15b bezeichnen eine zweite Elektrode, Bezugszeichen 56 bezeichnet einen Basiskörper, Bezugszeichen 57c bezeichnet einen ersten Deckelkörper, Bezugszeichen 57d bezeichnet einen zweiten Deckelkörper, Bezugszeichen 58 bezeichnet einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 59 bezeichnet einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 60a und 60b bezeichnen erste Verdrahtungslei ter, und Bezugszeichen 61a und 61b bezeichnen zweite Verdrahtungsleiter.
In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das eine Ende des Verdrahtungsleiters 60a gegenüber der ersten Elektrode 14a der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a auf der Bodenoberfläche der ersten Ausnehmung der oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers 56 angeordnet und sein zweites Ende führt zu der unteren Hauptoberfläche des Basiskörpers 56, so dass dieses elektrisch mit dem anderen Ende des zweiten Verdrahtungsleiters 61a verbunden ist, welches zu der äußeren Oberfläche des zweiten Deckelkörpers 57d führt. Darüber hinaus hat der erste Verdrahtungsleiter 60b sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode 14b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13b auf der Bodenoberfläche der zweiten Ausnehmung der unteren Hauptoberfläche des Basiskörpers 56 angeordnet und sein anderes Ende führt zu der äußeren Oberfläche, hier der Seitenfläche des Basiskörpers 56.
Vorzugsweise sind der erste Verdrahtungsleiter 60a und 60b einstückig mit dem Basiskörper 56 geformt und 10 μm oder höher als jede Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmungen des Basiskörpers 56. Dies erlaubt, dass das eine Ende des ersten Verdrahtungsleiters 60a und 60b leichter in Kontakt mit der ersten Elektrode 14a und 14b kommt. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 60a und 60b kann durch Justierung der Druckbedingung erreicht werden, so dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckprozesses als oben beschrieben aufgetragen wird. Ferner sollten mehrere erste Verdrahtungsleiter 14a und 14b gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu mindern, die dem ersten Verdrahtungsleiter 60a, 60b zugeschrieben werden können. Der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 60a, 60b, der den Basiskörper 56 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, sind entsprechend dem Brennstoffzellengehäuse 52, 52a und der Brennstoffzelle 51, 51a, die die Erfindung verkörpern, die Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b in der ersten und zweiten Ausnehmung auf beiden Hauptoberflächen des Basiskörpers 56 untergebracht. Dadurch sind in der Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b deren jeweiligen ersten Elektroden 14a und 14b oder deren ersten und zweiten Elektroden 14a und 14b und 15a und 15b elektrisch miteinander verbunden. Dann, um einen Gesamtausgang durch die letzte Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b zu erhalten, sind die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 60, 60a, 60b und 61, 61a elektrisch hiermit jeweils verbunden. In diesem Fall, da die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 60, 60a, 60b und 61, 61a eine freie dreidimensionale Verdrahtung erlauben, kann eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b beliebig miteinander in Serie oder parallel verdrahtet werden. Dies macht es möglich, die Endausgangsspannung und den Ausgangsstrom effizient zu justieren. Das heißt, in dieser Brennstoffzelle kann Elektrizität, die elektrochemisch in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 erzeugt wurde, befriedigend extrahiert werden.
8 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform einer Brennstoffzelle, die in eine elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist.
In 8 bezeichnet Bezugszeichen 71 eine Brennstoffzelle, Bezugszeichen 72 bezeichnet ein Brennstoffzellengehäuse, Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Membran-Elektrodenbaugruppe, Bezugszeichen 14 bezeichnet eine erste Elektrode, Bezugszeichen 15 bezeichnet eine zweite Elektrode, Bezugszeichen 76 bezeichnet einen Basiskörper, Bezugszeichen 77 bezeichnet einen Deckelkörper, Bezugszeichen 78 bezeichnet einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 79 bezeichnet einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 80 bezeichnet einen ersten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 81 bezeichnet einen zweiten Verdrahtungsleiter und Bezugszeichen 82 bezeichnet einen externen Verbindungsanschluss. Es ist zu bemerken, dass diese elektronische Vorrichtung sich bezieht auf ein tragbares Telefon, PDA (Person Digital Assistants), Digitalkamera oder ähnliches, welche später genauer beschrieben werden. In dieser Ausführungsform werden solche Komponenten, die denen vorbeschriebener Ausführungsbeispiele entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und deren detaillierte Beschreibung wird unterlassen.
Das Brennstoffzellengehäuse 72 weist einen Basiskörper 76 auf, der eine Ausnehmung und einen Deckelkörper 77 aufweist und die Funktion hat, die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 innerhalb der Ausnehmung aufzunehmen und hermetisch abzuschließen und ist aus Keramikmaterial, wie gesintertem Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertem Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertem Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Aluminiumnitrid (AlN), gesintertem Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik hergestellt.
Nachdem das Brennstoffzellengehäuse 72 einen Basiskörper 76 aufweist mit einer Ausnehmung und einem Deckelkörper 77 und die Ausnehmung hermetisch versiegelt ist, indem ein Deckelkörper 77 um die Ausnehmung des Basiskörpers 76 montiert ist, so dass er die Ausnehmung bedeckt und der Deckelkörper 77 so auf dem Basiskörper 76 durch Verbinden mit einem Metallverbindungsmaterial, wie Lötzinn oder Silberlötfüller durch Verbinden mit Harzmaterial, wie Epoxy, oder durch eine Methode des Verbindens eines Versiegelungsmaterials oder ähnlichem aus einer Ferrolegierung oder ähnlichem auf der oberen Oberfläche wie auf der Oberfläche um die Ausnehmung herum und durch Verschweißen durch Nahtschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder ähnlichem. Hier kann der Deckelkörper 77 ebenso mit einer Ausnehmung in der Art Ausnehmung des Basiskörpers 76 versehen sein. Zusätzlich können ein Randbereich des Basiskörpers und des Deckelkörpers mit durchgehenden Löchern versehen sein und der Basiskörper und der Deckelkörper können mechanisch durch Verschrauben durch diese Durchgangslöcher aneinander befestigt sein.
Der Basiskörper 76 und der Deckelkörper 77 sind jeweils dünn gemacht, und um eine geringe Bauhöhe der Brennstoffzelle 71 zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass die Biegestärke als mechanische Festigkeit 200 MPa oder mehr beträgt.
Vorzugsweise sind der Basiskörper 76 und der Deckelkörper 77 aus Keramikmaterial aus einer dichtgepackten Substanz hergestellt, dessen relative Dichte 95 % oder mehr beträgt. In dem Fall von gesintertem Aluminiumoxid zum Beispiel, wird zuerst Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfen zugefügt und in das Aluminiumoxidpulver eingemischt und die Pulvermaterialien von gesintertem Aluminiumoxid werden zubereitet. Zweitens wird ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmedium hinzugefügt und in das Pulvermaterial Aluminiumoxid sintergemengt, um eine Paste herzustellen durch ein Streichverfahren, oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels in die Pulvermaterialien und durch Durchführung eines Pressgießens, Rollformens oder dergleichen wird eine Rohplatte aus der Paste hergestellt, mit einer vorbestimmten Dicke. Dann werden Durchgangslöcher durch Stanzen, Mikrobohren, Lasern oder dergleichen als erste Fluidkanäle 78 und als die zweiten Fluidkanäle 79 hergestellt, und Öffnungen als Fluidpassagen und durchgängige Löcher zum Anordnen der erster Verbindungsleiter 80 und der zweiten Verbindungsleiter 81 werden auf der Rohplatte geformt.
Die ersten und zweiten Fluidkanäle 78 und 79 können Rillen äußerer Schichten und innerer Schichten sein, die durch Stanzen mit einem Formwerkzeug oder durch Pressgießen erzeugt werden.
Wenn gesintertes Aluminiumoxid als Keramikmaterial verwendet wird, sollten die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 80 und 81 vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän bestehen, um Oxidation zu vermeiden. In diesem Fall wird zum Beispiel als anorganische Substanz Al₂O₃ 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 hinzugefügt, um eine Leiterpaste zu bilden. Die Leiterpaste ist in die Durchgangslöcher gefüllt, die in die Rohplatten gestochen sind, um ein Durchgangsloch zu bilden, welches als Durchgangsleiter dient. In die Leiterpaste kann zur Steigerung der dichten Adhäsion auf dem Basiskörper 76 und dem Deckelkörper 77 zu der Keramik auch Aluminiumoxidpulver oder ein Pulver mit derselben Zusammensetzung wie die Keramikkomponente, aus der der Basiskörper 76 und der Deckelkörper 117 geformt ist, zugefügt werden, zum Beispiel mit einer Rate von 0,05 bis 2 Vol.-%.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 80 und 81 sind in äußeren und inneren Schichten des Basiskörpers 76 und des Deckelkörpers 77 geformt, vor, nach oder während der Bildung der Durchgangsleiter, die erzeugt werden durch Auffüllen der Durchgangslöcher mit Leiterpaste. Die Bildung der Verdrahtungsleiter geschieht durch Drucken einer ähnlichen Leiterpaste in vorbestimmten Mustern auf die Rohplatte nach einem Druckverfahren, Gravurdruckverfahren oder dergleichen.
Danach werden eine vorbestimmte Anzahl von scheibenartig gegossenen Körpern, die die gedruckte und eingefüllte Leiterpaste tragen, positioniert und unter Druck aufeinandergestapelt. Der gestapelte Körper wird dann gebrannt in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei hohen Temperaturen von ungefähr 1200 bis 1500 °C. Dabei werden die gewünschten Keramikbasiskörper 76, der Deckelkörper 77 und die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 80 und 81 erhalten.
Darüber hinaus wird der äußere Verbindungsanschluss 82 durch Bonden an mindestens dem Basiskörper oder dem Deckelkörper durch Verlöten, Schweißen oder einer ähnlichen Methode angebracht. Der äußere Verbindungsanschluss 82 sollte vorzugsweise in einer Form designt sein, die eine befriedigende elektrische Verbindung zwischen ihm und einer Mutterplatine herstellt, um einen elektrischen Schaltkreis zu bilden, der das Herz einer elektronischen Vorrichtung bildet. Vorzugsweise kann der äußere Verbindungskontakt 82, dadurch, dass er die Form eines Stiftes, eines Hakens oder eine konische Form annimmt, elektrisch und mechanisch leicht mit der elektronischen Schaltung, die das Herz einer elektronischen Vorrichtung bildet, durch Verbinder-zu-Verbinder-Kontakt oder Verbindungseinfügung erzielen. Es wird bevorzugt, dass eine Buchse (zum Beispiel ein Loch) in dem Teil der elektronischen Schaltung gebildet ist, welche das Herz der elektronischen Vorrichtung bildet, an der der äußere Verbindungsanschluss 82 angeschlossen ist. Ferner kann die elektronische Vorrichtung flacher gebaut werden, indem der äußere Verbindungsanschluss 82 auf einer Seitenoberfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers angeordnet ist.
Ferner wird bevorzugt, dass der Basiskörper 76 und der Deckelkörper 77, die aus Keramik hergestellt sind, eine Dicke von 0,2 mm oder mehr haben. In dem Fall, in dem die Dicke weniger als 0,2 mm beträgt, tendieren der Basiskörper 76 und der Deckelkörper 77 dazu, unter Spannung leicht zu brechen, wenn der Basiskörper 76 und der Deckelkörper 77 montiert werden. Auf der anderen Seite wird es schwierig, flach zu bauen, wenn die Dicke mehr als 5 mm beträgt, und es ist schwierig, eine Brennstoffzelle in einer kleinen tragbaren Vorrichtung zu installieren, und da die thermische Kapazität groß ist, wird es umso schwieriger, augenblicklich eine geeignete Temperatur zu setzen, die den elektrochemischen Reaktionsbedingungen der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 entspricht.
Der erste Verdrahtungsleiter 80 und der zweite Verdrahtungsleiter 81 sind elektrisch mit der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 verbunden, um so als stromführende Pfade zu arbeiten zur Extraktion von Strömen, die in der Membran-Elektrodenanordnung 13 erzeugt wurden aus dem Brennstoffzellengehäuse 72 heraus.
Der erste Verdrahtungsleiter 80 ist mit seinem einen Ende gegenüber der ersten Elektrode 14 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76 angeordnet und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 76. Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, dass der erste Verdrahtungsleiter 80 einstückig einstückig mit dem Basiskörper 76 geformt ist und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76 ist. Dies erlaubt dem ersten Verdrahtungsleiter 80, leichter in Kontakt mit der ersten Elektrode 14 zu treten. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 80 kann erhalten werden durch Einstellen der Druckbedingung, so dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckprozesses als oben beschrieben aufgetragen wird. Es sollten vorzugsweise mehrere Verdrahtungsleiter 80 gegenüber der ersten Elektrode 14 vorgesehen sein. Dies hilft, elektrische Verluste zu vermindern, die dem ersten Verdrahtungsleiter 80 zugesprochen werden. Dieser Teil des ersten Verdrahtungsleiters 80, der durch den Basiskörper 86 geführt ist, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Der zweite Verdrahtungsleiters 81 ist mit einem Ende gegenüber der zweiten Elektrode 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 77 angeordnet und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 77. Es wird bevorzugt, dass, wie beim ersten Verdrahtungsleiter 80, der zweite Verdrahtungsleiter 81 ebenfalls einstückig mit dem Deckelkörper 77 geformt ist und 10 μm oder mehr höher ist als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 77. Dies ermöglicht dem zweiten Verdrahtungsleiter 81, leichter in Kontakt mit der zweiten Elektrode 15 zu treten. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 81 kann erhalten werden durch Justage der Druckbedingung derart, dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckvorgangs aufgetragen wird als oben beschrieben.
Es sollten vorzugsweise mehrere Verdrahtungsleiter 81 gegenüber der zweiten Elektrode 15 vorgesehen sein. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem zweiten Verdrahtungsleiter 81 zugesprochen werden. Dieser Teil des zweiten Verdrahtungsleiters 81, der durch den Deckelkörper 77 geführt ist, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass jeder der ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 80 und 81 und der äußere Verbindungsanschluss 82 auf seinen freiliegenden Oberflächen mit einer hochleitenden Metallschicht aus Nickel, Kupfer, Gold, Platin oder Palladium, bedeckt ist, die hochkorrosionsresistent sind und eine exzellente Benetzbarkeit bezüglich Lötfüllermaterial aufweisen. Das Auftragen erfolgt durch eine Plattiermethode. Dies macht es möglich, die elektrische Verbindung zu verbessern, die zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 80, dem zweiten Verdrahtungsleiter 81 und dem äußeren Verbindungsanschluss 82, der Mutterplatine zur Bildung des elektronischen Schaltkreises, der das Herz der elektronischen Vorrichtung bildet, usw. zu erstellen.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 80 und 81 kann elektrisch mit der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 durch formschlüssiges Einfügen der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zwischen dem Basiskörper 76 und dem Deckelkörper 77 verbunden werden. Das heißt, der erste und der zweite Verdrahtungskontakt 80 und 81 werden unter Druckkontakt mit der ersten und der zweiten Elektrode 14 und 15 jeweils verbunden, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen ihnen hergestellt wird.
Der erste Fluidkanal 78 und der zweite Fluidkanal 79 sind jeweils auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76 angeordnet und liegen der ersten Elektrode 14 gegenüber und auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 77 gegenüber der zweiten Elektrode 15. Der erste Fluidkanal 78 ist so geformt, dass er sich über die äußere Oberfläche des Basiskörpers 76 erstreckt, wohingegen der zweite Fluidkanal 79 so geformt ist, dass er sich über die äußere Oberfläche des Deckelkörpers 77 erstreckt. Der erste und der zweite Fluidkanal 78 und 79 sind hergestellt durch Stechen von Durchgangslöchern oder Rillen in dem Basiskörper 76 und dem Deckelkörper 77. Der erste und der zweite Fluidkanal 78 und 79 dienen jeweils dem Durchgang von Fluid, wie Fluidgas, wie zum Beispiel wasserstoffreiches Reformgas oder Oxidationsgas, zum Beispiel Luft, die der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zugeführt werden oder dient als Durchlass für ein Fluidmaterial, wie Wasser, welches durch die Reaktionen erzeugt wird, welche von der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 nach den Reaktionen entsorgt wird.
Betrachtet man ein Durchgangsloch oder eine Rille, welche in den Basiskörper 76 und den Deckelkörper 77 eingearbeitet ist, als ersten und zweiten Fluidkanal 78 und 79, so sind der Durchmesser und die Anzahl der Durchgangslöcher oder die Breite und Tiefe und die Anordnung einer Rille bestimmt nach dem Spezifikationen der Brennstoffzelle 71, derart, dass das Fluidmaterial, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zugeführt werden kann.
In dem Brennstoffzellengehäuse 72 und in der Brennstoffzelle 71, die die Erfindung verkörpern, sollten der erste und der zweite Fluidkanal 78 und 79 vorzugsweise einen Lochdurchmesser von 0,1 mm oder mehr haben und die Löcher sollten gleichmäßig beabstandet sein. Dies erlaubt es dem Fluidmaterial, in die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 mit gleichmäßigem Druck einzufließen.
So ist der erste Fluidkanal 78 gegenüber der unteren Hauptfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 angeordnet, die die erste Elektrode 14 trägt, wohingegen der zweite Fluidkanal 79 gegenüber der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 angeordnet ist, die die zweite Elektrode 15 trägt. Mit dieser Anordnung kann ein Fluidmaterial zwischen der unteren und der oberen Hauptfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 ausgetauscht werden und deren entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanäle 78 und 79 und das Fluidmaterial kann durch die entsprechenden Fluidpfade zugeführt oder entsorgt werden. Darüber hinaus kann im Fall der Zufuhr von Gas als Fluidmaterial verhindert werden, dass der Partialdruck des Gases, welches den ersten und zweiten Elektroden 14 und 15 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zugeführt wird, sinkt und daher kann eine vorbestimmte stabile Ausgangsspannung erzeugt werden. Ferner, da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert ist, kann der innere Druck der Brennstoffzelle 71 vergleichmäßigt werden. Als Ergebnis können thermische Spannungen, die in der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auftreten können, unterdrückt werden, was zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 71 führt.
Mit der Konstruktion wie soweit beschrieben und wie in 8 gezeigt, ist es möglich, ein kompaktes, robustes Brennstoffzellengehäuse 72 zu realisieren, welches die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 aufnehmen kann und ebenso die Brennstoffzelle 71, die in das elektronische Gerät nach der Erfindung eingebaut werden soll, welches mit hoher Effizienz steuerbar ist.
Die 9 bis 12 zeigen Schnitte weiterer Ausführungsformen der Brennstoffzelle, die in eine elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut wird.
In diesen Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 91, 101, 111 und 121 eine Brennstoffzelle, die Bezugszeichen 92, 102, 112 und 122 bezeichnen ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Membran-Elektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine zweite Elektrode, die Bezugszeichen 76 und 76a bezeichnen einen Grundkörper, die Bezugszeichen 77 und 77a bezeichnen einen Deckelkörper, Bezugszeichen 78 bezeichnet einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 79 bezeichnet einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 80 bezeichnet einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 81 bezeichnet einen zweiten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 82 bezeichnet einen äußeren Verbindungsanschluss, Bezugszeichen 83 bezeichnet einen dritten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 84 bezeichnet einen vierten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 85 bezeichnet einen fünften Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 86 bezeichnet einen sechsten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 87 bezeichnet einen siebten Verdrahtungsleiter und Bezugszeichen 88 bezeichnet einen achten Verdrahtungsleiter.
Es ist zu beachten, dass in dieser Ausführungsform die gleichen Komponenten wie solche, die vorher beschrieben worden sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und diese Komponenten werden nicht weiter im Detail beschrieben.
Die in 9 gezeigte Brennstoffzelle 91 ist analog zu der Brennstoffzelle 11 in 1. Der dritte Verdrahtungsleiter 83, welcher einstückig mit dem Basiskörper 76a geformt ist, ist mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode 14 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auf der Bodenoberfläche einer Mehrzahl von Ausnehmungen des Ba siskörpers 76a angeordnet und sein anderes Ende ist gegenüber der ersten Elektrode 14 der anderen Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auf der Bodenfläche des anderen einer Mehrzahl von Ausnehmungen. Der dritte Verdrahtungsleiter 83 sollte vorzugsweise 10 μm oder höher als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76a sein. Dies ermöglicht beiden Enden des dritten Verdrahtungsleiters 83, leichter in Kontakt mit der ersten Elektrode 14 zu treten. Die gewünschte Höhe des dritten Verdrahtungsleiters 83 kann erhalten werden, indem man die Druckbedingung justiert, derart, dass die Leiterpaste bei einer größeren Dicke während des Druckprozesses aufgetragen wird als oben beschrieben. Ferner sollten mehrere dritte Verdrahtungsleiter 83 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem dritten Verdrahtungsleiter 83 zugesprochen werden. Der Teil des dritten Verdrahtungsleiters 83, der durch den Basiskörper 76a hindurchgeht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Die Brennstoffzelle 101, die in 10 gezeigt ist, ist analog zu der Brennstoffzelle 11a in 2. Der vierte Verdrahtungsleiter 84 ist mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode 14 der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 auf der Bodenoberfläche einer einer Mehrzahl von Ausnehmungen des Basiskörpers 76a und sein anderes Ende führt zu der oberen Oberfläche des Basiskörpers 76a, auf der der Deckelkörper 77a montiert ist. Darüber hinaus hat der fünfte Verdrahtungsleiter 85 sein eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode 15 einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe 13 von einer der Mehrzahl von Ausnehmungen auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 77a und das andere Ende führt zu der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 77a, der auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 76a angeordnet ist, so dass er dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters 84 gegenüberliegt.
Es ist bevorzugt, dass, wie bei dem dritten Verdrahtungsleiter 83 der vierte Verdrahtungsleiter 84 ebenso einstückig mit dem Basiskörper 76a geformt ist und 10 μm oder mehr höher ist als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76a. Dies erlaubt einem Ende des vierten Verdrahtungsleiters 84, leichter Kontakt mit der ersten Elektrode 14 zu machen. Die gewünschte Höhe des vierten Verdrahtungsleiters 84 kann durch Justierung der Druckbedingung erhalten werden, derart, dass die Leiterpaste dicker während des Druckverfahrens aufgetragen wird wie oben beschrieben. Ferner sollten mehrere vierte Verdrahtungsleiter 84 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet sein. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem vierten Verdrahtungsleitern zugesprochen werden. Der Teil des vierten Verdrahtungsleiters 84, der durch den Basiskörper 76a geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass, wie auch der zweite Verdrahtungsleiter 81, der fünfte Verdrahtungsleiter 85 ebenfalls einstückig mit dem Deckelkörper 77a geformt ist und 10 μm oder mehr höher ist als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 77a. Dies ermöglicht es dem einen Ende des fünften Verdrahtungsleiters 85, leicht in Kontakt mit der zweiten Elektrode 15 zu treten. Die gewünschte Höhe des fünften Verdrahtungsleiters 85 kann erhalten werden durch Justage der Druckbedingung derart, dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckverfahrens aufgetragen wird als oben beschrieben. Ferner sollten vorzugsweise mehrere fünfte Verdrahtungsleiter 85 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet sein. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem fünften Verdrahtungsleiter 85 zugesprochen werden. Der Teil des fünften Verdrahtungsleiters 85, der durch den Deckelkörper 77a verläuft, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Die in 11 gezeigte Brennstoffzelle 111 ist analog zu der Brennstoffzelle 31 in 3. Der sechste Verdrahtungsleiter 86, der einstü ckig mit dem Basiskörper 76 geformt ist, ist mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode 14 einer einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76 angeordnet und sein anderes Ende liegt gegenüber der ersten Elektrode 14 des anderen einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der Bodenoberfläche der gleichen Ausnehmung.
Es ist bevorzugt, dass der sechste Verdrahtungsleiter 86 10 μm oder mehr höher ist als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76. Dies ermöglicht beiden Enden des sechsten Verdrahtungsleiters 86, leichter in Kontakt mit der ersten Elektrode 14 zu treten. Die gewünschte Höhe des sechsten Verdrahtungsleiters 86 kann durch Justage der Druckbedingung einstellt werden, derart, dass die Leiterpaste dicker bedruckt wird als vorstehend beschrieben. Ferner sollten vorzugsweise mehrere sechste Verdrahtungsleiter 86 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu verringern, die dem sechsten Verdrahtungsleiter 86 zugesprochen werden. Der Teil des sechsten Verdrahtungsleiters 86, der durch den Basiskörper 76 geführt ist, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Die in 12 gezeigte Brennstoffzelle 121 ist analog zu der Brennstoffzelle 31a in 4. Der siebte Verdrahtungsleiter 87 ist mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode 14 einer einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76 angeordnet. Sein anderes Ende ist auf die obere Oberfläche des Basiskörpers 76 gerichtet, auf der der Deckelkörper 77 montiert ist. Darüber hinaus hat der achte Verdrahtungsleiter 88 sein eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode 15 einer anderen der Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 77 angeordnet und sein anderes Ende führt zu der unteren Oberfläche des Deckelkör pers 77, welcher auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 76 montiert ist, so dass es dem anderen Ende des siebten Verdrahtungsleiters 87 gegenüberliegt.
Vorzugsweise ist der siebte Verdrahtungsleiter 87 wie der dritte Verdrahtungsleiter 83 ebenfalls einstückig mit dem Basiskörper 76 geformt und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 76. Dies ermöglicht es dem siebten Verdrahtungsleiter 87, leichter in Kontakt mit der ersten Elektrode 14 zu treten. Die gewünschte Höhe des siebten Verdrahtungsleiters 87 kann erhalten werden durch Einstellung der Druckbedingung, derart, dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckverfahrens aufgetragen wird als oben beschrieben. Ferner sollten mehrere siebte Verdrahtungsleiter 87 gegenüber der ersten Elektrode 14 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem siebten Verdrahtungsleiter 87 zugesprochen werden. Der Teil des siebten Verdrahtungsleiters 87, der den Basiskörper 76 durchdringt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Vorzugsweise ist der achte Verdrahtungsleiter 88 ebenso wie der zweite Verdrahtungsleiter 81 einstückig mit dem Deckelkörper 77 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 77. Dies ermöglicht einem Ende des achten Verdrahtungsleiters 88, leichter in Kontakt mit der zweiten Elektrode 15 zu treten. Die gewünschte Höhe des achten Verdrahtungsleiters 88 kann erhalten werden durch Einstellung der Druckbedingung, derart, dass die Leiterpaste mit größerer Dicke gedruckt wird während des Druckverfahrens als oben beschrieben. Ferner sollten vorzugsweise mehrere achte Verdrahtungsleiter 88 gegenüber der zweiten Elektrode 15 angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu vermindern, die dem achten Verdrahtungsleiter 88 zugesprochen werden. Der Teil des achten Verdrahtungsleiters 88, der durch den Deckelkörper 77 geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Wie in den 9 und 10 gezeigt, ist die Membran-Elektrodenbaugruppe 13 in jeder der Mehrzahl von Ausnehmungen im Basiskörper 76a der Brennelementzelle 91, 101 im Brennelementenzellengehäuse 92, 102, welche in der elektronischen Vorrichtung eingebaut sind, die die Erfindung darstellt. Darüber hinaus sind der dritte Verdrahtungsleiter 83 oder der vierte und fünfte Verdrahtungsleiter 84 und 85 so angeordnet, dass er über den Bereich zwischen benachbarten Ausnehmungen verläuft. Dadurch sind bei einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 deren jeweiligen ersten Elektroden 14 oder deren erste und zweite Elektroden 14 und 15 elektrisch miteinander verbunden. Dann sind die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 80 und 81 elektrisch miteinander verbunden, um einen Gesamtausgang durch die letzte Membran-Elektrodenbaugruppe 13 zu erhalten. In diesem Fall können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 beliebig miteinander in Serie oder parallel verdrahtet werden, da die ersten bis dritten Verdrahtungsleiter 80, 81 und 83 sowie die ersten, zweiten, vierten und fünften Verdrahtungsleiter 80, 81, 84 und 85 ein freies dreidimensionales Verdrahten ermöglichen. Dies macht es möglich, die Endausgangsspannung und den Ausgangsstrom effektiv einzustellen. Somit kann aus der Brennstoffzelle Elektrizität, die in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 elektrochemisch erzeugt worden ist, auf befriedigende Weise extrahiert werden.
Wie in den 11 und 12 gezeigt, sind in dem Brennstoffzellengehäuse 112, 122 und in der Brennstoffzelle 111, 121, die in eine die Erfindung verkörpernde elektronische Vorrichtung eingebaut sind, eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 in der Ausnehmung des Basiskörpers 76 untergebracht und der sechste Verdrahtungsleiter 86 oder der siebte und achte Verdrahtungsleiter 87 und 88 ist/sind angeordnet. Daher sind in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 deren jeweilige erste Elektroden 14 oder deren erste und zweite Elektroden 14 und 15 elektrisch miteinander verbunden. Dann sind die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 80 und 81 elektrisch verbunden, um durch die letzte Membran-Elektrodenbaugruppe 13 den Endausgang zu erhalten. In diesem Fall können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 beliebig miteinander in Serie oder parallel verbunden werden, da der erste, zweite und sechste Verdrahtungsleiter 80, 81 und 86 sowie der erste, zweite, siebte und achte Verdrahtungsleiter 80, 81, 87, 88 ein dreidimensionales Verdrahten erlauben. Dies macht es möglich, die Endspannung und den Ausgangsstrom effektiv zu justieren. Somit kann Elektrizität, die in der Brennstoffzelle elektrochemisch in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13 erzeugt wurde, auf befriedigende Weise extrahiert werden. Es ist zu bemerken, dass die Erfindung nicht beschränkt ist auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele und daher sind verschiedene Änderungen möglich, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können der erste und der zweite Fluidkanal alternativ konstruiert sein, indem man ein Inlett auf der Seitenfläche des Basiskörpers oder Deckelkörpers ausbildet. In diesem Fall kann die gesamte Brennstoffzelle niedriger gebaut werden und die kleinere Brennstoffzelle ist entsprechend geeignet für tragbare elektronische Vorrichtungen. Darüber hinaus können die anderen Enden der ersten und zweiten Verdrahtungsleiter über die Seitenoberflächen des Basiskörpers und des Deckelkörpers hinausgeführt werden, die auf derselben Seite liegen, anstatt sie über die äußeren Oberflächen jeweils herauszuführen und der äußere Verbindungsanschluss kann zusammengelegt werden. In diesem Fall können die Verdrahtungslinien, die Kanäle, etc. auf nur einer Seite der Brennstoffzelle zusammengelegt werden. Dies hilft, die Miniaturisierung zu vereinfachen und die außen verschalteten Anteile zu schützen. Somit kann die Brennstoffzelle hochzuverlässig und dementsprechend stabil über längere Zeit funktionierend designt werden.
Im Folgenden wird eine elektronische Vorrichtung beschrieben, die die Erfindung darstellt und die oben beschriebene Brennstoffzelle als Stromquelle beinhaltet. Eine mit einer solchen Brennstoffzelle als Stromquelle bestückte erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung ist kompakt, flacher und arbeitet stabil über einen längeren Zeitraum und ist ausgezeichnet hinsichtlich ihrer Sicherheit und Handhabbarkeit. Verschiedene Vorzüge der elektronischen Vorrichtung werden im Folgenden erläutert.
Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle als Energiequelle kann der äußere Verbindungsanschluss 82 (der Anschluss mit positiver und negativer Polarität) elektrisch mit der Schaltplatine der elektronischen Vorrichtung leicht verbunden werden und kann ebenso leicht eingesteckt und wieder gelöst werden. Somit kann zum Beispiel die Brennstoffzelle durch eine neue ohne jede Schwierigkeit ausgetauscht werden, so dass eine bemerkenswerte Handhabbarkeit resultiert.
Darüber hinaus kann bei der Verwendung einer Brennstoffzelle und eines Brennstoffzellengehäuses, bestehend aus einem mehrschichtigen Keramikbasiskörper 76, 76a elektrische Verkabelung frei innerhalb der Brennstoffzelle ausgeführt werden und daher sind eine Mehrzahl von Brennstoffzellen leicht miteinander in Serie zu schalten. Daraus ergibt sich, dass die elektronische Vorrichtung erfolgreich ist in Miniaturisierung, Flachbau und Gewichtsreduktion.
Da der Basiskörper 76, 76a aus einer Mehrschichtkeramik besteht, können innerhalb des Basiskörpers 76, 76a Widerstände, Kapazitäten und Induktanzen gebildet werden.
Zum Beispiel durch Bildung einer großvolumigen Kapazität innerhalb des Basiskörpers 76, 76a entlang der Brennstoffzelle kann, wenn der von der Brennstoffzelle gespeiste Strom gemindert ist, diese Minderung erfolgreich kompensiert werden, wodurch die gewünschte Stromversorgung mit einem Zielstrom sichergestellt werden kann. Ähnlich kann unter Verwendung eines Widerstands, einer Kapazität und einer Induktanz ein Spannungserhöhungskreis gebildet werden, wodurch die für die elektronische Vorrichtung notwendige Spannung sichergestellt werden kann.
Es ist zu bemerken, dass im Fall der Ausbildung eines Widerstandes, einer Kapazität und einer Induktanz innerhalb des Basiskörpers 76, 76a auf diese Weise der Basiskörper 76, 76a vorzugsweise aus gesinterter Glaskeramik hergestellt sein sollte.
Es ist ferner zu bemerken, dass gesinterte Glaskeramik aus einer Glaskomponente und einer Füllstoffkomponente gemacht ist, wobei diese Komponenten die gleichen sind wie die in dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel und daher wird dies nicht im Detail beschrieben.
Es ist ferner bevorzugt, dass das Mischungsverhältnis des Glases und des Füllers 40:60 bis 99:1 im Massenverhältnis beträgt.
Als ein organisches Bindemittel, welches in eine glaskeramische Rohplatte eingeblendet wird, kann ein Bindemittel verwendet werden, welches bis dahin schon bei keramischen Rohplatten verwendet wurde, wie beispielsweise ein Homopolymer oder ein Copolymer auf Acrylbasis (ein Homopolymer oder Copolymer auf Acrylsäure, methacrylische Säure oder ein Ester davon, konkret ein Acrylsäureesterpolymer, ein Methacrylsäureestercopolymer, Acrylsäureestermethacrylsäureestercopolymer oder ähnliches). Polyvinylbutyralbase, Polyvinylalkoholbase, Acrylstyrenbase, Polypropylencarbonatbase, Cellulose base oder ähnliches. Eine Keramikrohplatte wird erhalten durch Hinzufügen einer vorbestimmten Menge an Plastifizierer, einem Lösungsmittel (ein organisches Lösungsmittel, Wasser oder ähnliches) in dem Glaspulver, das Füllstoffpulver und der organische Binder in Mengen, die notwendig sind, um eine Paste zu erhalten, wobei diese durch eine Streichtechnik, Beizen, Kalanderwalzen, Pressen oder ähnlichem auf eine Dicke von ungefähr 50 bis 500 μm geformt wird.
Ein Leitermuster ist auf der Oberfläche einer Glaskeramikrohplatte, beispielsweise durch Drucken einer Paste aus Leitermaterialpulver durch Offset-Drucken, Gravurdrucken oder ähnlichem oder durch Übertragung einer Metallfolie mit einer bestimmten Mustergröße gebildet. Das Leitermaterial ist zum Beispiel aus einem oder zwei Elementen bestehend, gewählt aus: Au, Ag, Pd, Pt oder ähnlichem und in dem Fall, in dem mehrere dieser Elemente vorhanden sind, können diese gemischt, legiert oder bedeckt sein.
Ferner, wenn ein großkapazitiver Kondensator gebildet wird, wird eine Schicht aus einem anorganischen Substanzpulver mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie Bariumtitanat (im Folgenden Bariumtitanatschicht genannt) innerhalb des Basiskörpers 76, 76a aus Glaskeramik gebildet. In diesem Fall wird der Kondensator gestellt, indem zuerst ein dünnflüssiger Brei aus Keramikpulver und Glaspulver angerührt wird, um Rohplatten zu erzeugen, anschließend wird eine Metallpaste auf die Rohplatte als untere Elektrode aufgedrückt, anschließend wird eine dielektrische Paste aus Bariumtitanat oder ähnlichem auf die untere Elektrodenschicht durch Siebdruck aufgedrückt, um eine dielektrische Schicht zu bilden und anschließend wird eine Metallpaste auf die dielektrische Schicht gedruckt, um die obere Elektrodenschicht zu bilden. Dann werden diese Rohplatten gestapelt und der gestapelte Körper wird gebrannt.
Ferner, wenn ein Widerstand innerhalb des Basiskörpers 76, 76a geformt wird, so kann dies geschehen durch Aufdrucken einer Widerstandspaste, deren wesentliche Bestandteile sind: RuO₂, IrO₂, RhO₂, SnO₂, LaB₆ und ähnliches auf die Rohplatte in spezifizierten Mustern durch ein Siebdruckverfahren, Gravurdruckverfahren oder ähnliches durch die gleiche Methode, mit der auch der erste Verdrahtungsleiter 80 und der zweite Verdrahtungsleiter 81 bedruckt wurden.
Ferner ist es gut, dass ein innerer Schaltkreis in dem Basiskörper 76, 76a der Brennstoffzelle 71, 91, 101, 111, 121 gebildet wird. Somit ist es möglich, ein elektronisches Teil elektrisch mit dem inneren Schaltkreis auf der Oberfläche des Basiskörpers 76, 76a zu verbinden. Daher ist es möglich, die Funktionalität der elektronischen Vorrichtung durch den elektronischen Teil, der auf der Oberfläche des Basiskörpers 76, 76a angebracht ist, zu steigern.
Ferner ist es gut, dass ein elektronisches Teil elektrisch mit dem internen Schaltkreis verbunden ist und auf der Oberfläche des Basiskörpers 76, 76a der Brennstoffzelle 1 vorgesehen ist. Konsequenterweise wird durch die Verwendung eines Sensors, einer Kontrollschaltung oder ähnlichem als dem elektronischen Teil und durch Erfassen der Treibstoffdichte innerhalb des Fluidkanals 78, 79 durch einen Dichtesensor eine optimale Zirkulation, Brennstoffverdünnung und die Verhinderung des Absinkens der Brennstoffverwertungseffizienz werden ermöglicht. Zusätzlich können durch die Verbindung elektronischer Teile Verstärkerkreise gebildet werden und es wird möglich, die notwendige Spannung für die elektronische Vorrichtung zu steuern. Ferner ist es möglich, durch die Verwendung eines Temperatursensors oder ähnlichem die Temperatur der Membran-Elektrodenbaugruppe zu steuern und zu regeln.
Es ist möglich, ein elektronisches Teil elektrisch mit dem inneren Schaltkreis auf der Oberfläche des Basiskörpers 76, 76a oder des Deckelkörpers 71, 91, 101, 111, 121 zu verbinden. Daher ist es möglich, Funktionalität einer elektronischen Vorrichtung durch den elektronischen Teil, der auf der Oberfläche des Basiskörpers 76, 76a angebracht ist, zu erhöhen. Konsequenterweise wird durch die Montage eines Sensors einer Kontrollschaltung oder ähnlichem als elektronische Komponente auf dem Basiskörper 76, 76a eine optimierte Zirkulation, Verdünnung von Treibstoff und die Verhinderung des Absinkens der Brennstoffnutzungseffizienz ermöglicht, durch zum Beispiel Erfassen der Brennstoffdichte in den Brennstoffkanälen 78, 79 durch einen Dichtesensor. Es ist ferner gut, dass in der Brennstoffzelle 71, 91, 101, 111, 121 piezoelektrische Pumpen, das heißt Mikropumpen, die piezoelektrisches Material verwenden, wie Bleizirkonattitanat (PZT; Zusammensetzungsformel: Pb (Zr, Ti)O₃) sind in mindestens einem der ersten oder zweiten Fluidkanäle 78 bzw. 78 angeordnet. Konsequenterweise verhindern die schmalen piezoelektrischen Pumpen einen Rückfluss von Treibstoff mit dem Ergebnis, dass es möglich wird zu verhindern, dass unbenutzter Treibstoff von einem Reaktanten oder ähnlichem verschmutzt wird und es ist möglich, dass verhindert wird, dass Restluft den Betrieb der elektronischen Vorrichtung stört, da die Restluft abgelassen wird. Daneben wird Treibstoff konstant zugeführt, mit dem Ergebnis, dass elektrische Leistung konstant erzeugt wird und die Betätigungszeit ist verkürzt, da der Treibstoff gleichmäßig geliefert wird.
Die piezoelektrische Pumpe weist einen Einflussbereich auf, einen Bereich mit variablem Volumen und einen Auslassbereich. Der Bereich mit variablem Volumen kann hergestellt werden durch zum Beispiel die Anordnung piezoelektrischen Materials außerhalb des ersten und des zweiten Fluidkanals 78, 79 und durch die Verwendung der Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Materials als Reaktion auf eine angelegte Spannung. Dadurch ist es möglich, obere Bereiche der ersten und zweiten Fluidkanäle 78, 79 zu vibrie ren. Konsequenterweise kann dies das Volumen des ersten und zweiten Fluidkanals 78, 79 variieren und kann somit als Pumpe agieren.
Ferner sind der Einströmbereich und der Auslassbereich aus den ersten und zweiten Fluidkanälen 78, 79 gebildet, die mit dem Bereich mit variablem Volumen verbunden sind und die dazu dienen, Treibstoff in den Bereich variablen Volumens hinein- und wieder herausfließen zu lassen. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des Ausströmbereichs größer als die Querschnittsfläche des Einströmbereichs. Dementsprechend wird der Druck des Brennstoffs in dem Ausströmbereich klein und im Fall, in dem der variable Volumenbereich als Pumpe funktioniert, fließt Brennstoff in den Ausströmbereich, wo der Druck gering ist, und es ist möglich, Treibstoff in eine bestimmte Richtung auf gute Weise zu schicken. Rückschlagventile, die Zurückfließen von Treibstoff verhindern, können in dem Einlassbereich und dem Auslassbereich vorgesehen sein.
Eine solche piezoelektrische Pumpe ist aus einem organischen oder anorganischen piezoelektrischen Material gemacht und kann hergestellt werden durch Bonden des piezoelektrischen Materials nach dem Brennen der Keramikrohplatten, um daraus den Basiskörper 76, 76a oder den Deckelkörper 77, 77a zu machen oder im Fall der Verwendung von piezoelektrischem Keramikmaterial, wie PZT, Anbringen des keramischen piezoelektrischen Materials in einer vorbestimmten Position auf der Keramikrohplatte und anschließend Brennen des Ganzen zur gleichen Zeit. Ferner hat die Brennstoffzelle 71, 91, 101, 111, 121 eine ausgezeichnete Sicherheit, da, anders als die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 80, 81 deren eines Ende jeweils innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, kommt nichts nutzlos in elektrischen Kontakt mit der Membran-Elektrodenbaugruppe 13.
Auf der Grundlage des oben Geschilderten ist es möglich, eine elektronische Vorrichtung anzugeben, die eine ausgezeichnete Kompakt heit, Handhabbarkeit und Sicherheit aufweist, und in der Lage ist, stabil über lange Zeit zu arbeiten aufgrund der gleichmäßigen Zufuhr von Fluid und aufgrund hocheffizienter elektrischer Verbindung.
Konkret ist die elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eine mobile elektronische Vorrichtung, wie ein Mobiltelefon, ein PDA (Personal Digital Assistant), eine Digitalkamera oder Videokamera oder ein Spielzeug, wie eine Spielkonsole, eine elektronische Vorrichtung, die ein Laptop beinhaltet, ein PC (Personal Computer), Drucker, ein Faksimilegerät, ein Fernsehgerät, ein Kommunikationsgerät, eine Audiovideovorrichtung, verschiedene Arten von elektrischen Haushaltsgeräten, wie ein elektrischer Ventilator oder eine Werkzeugmaschine tragbaren Typs.
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 ein herkömmlicher Akkumulator verwendet wird, nach kurzer Zeit nicht mehr betrieben werden, wohingegen die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung eine Brennstoffzelle aufweist, die über einen erheblich längeren Zeitraum als Stromquelle benutzt 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 13 in Form eines Blockdiagramms dargestellt, umfasst 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 Steuerabschnitt 132 Geräusche erzeugt, eine lichtemittierende 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, einen 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 Umstandes, dass moderne Mobiltelefone hinreichend miniaturisiert und flach sind, zusätzlich ein elektronisches Teil, das neben der Funktion eines Telefons die Funktion einer Kamera, eines Videogerätes 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 denn 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 70 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 Einsatz durch die zusätzliche Brennstoffzelle und das zusätzliche Brennstoffzellengehäuse bzw. die Entnahme einer Brennstoffzelle zum Nachfüllen und Ersetzen des Brennstoffs bei einem Ausfall 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 so wie Brennstoff nachgefüllt wurde, ist sie ferner leichter als ein wiederaufladbarer Typ zu verwenden, und die Ressourcen können effizienter genutzt werden. Überdies besteht der Vorteil, dass selbst in einem Notfall, wie einem Stromausfall aufgrund einer Na turkatastrophe, selbst im Freien eine langfristige Verwendung möglich ist.
Ferner wird ein Laptop-PC (Personal Computer), der im Grundaufbau einem Personal Computer-Hauptkörper, einem ersten Kasten, der eine Tastatur zur Eingabe spezifizierter Daten in dem 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 installierte 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 hocheffiziente 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 in 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 Einschränkung 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 geändert 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 verschiedenen Arten von Flüssigkeiten, einschließlich Dimethylether, als Brennstoff verwendet werden. Es kann auch eine DMFC verwendet werden, das heißt, eine Brennstoffzelle, bei der unter Verwendung einer kompakten Reformiervorrichtung aus Methanol gewonnener Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.
14 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzelle, die in eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung eingebaut ist. In 14 bezeichnet Bezugszeichen 151 eine Brennstoffzelle, Bezugszeichen 152 ein Brennstoffzellengehäuse, Bezugszeichen 13a und 13b bezeichnen eine Membran-Elektrodenbaugruppe, Bezugszeichen 14a und 14b bezeichnen eine erste Elektrode, Bezugszeichen 15a und 15b bezeichnen eine zweite Elektrode, Bezugszeichen 156 bezeichnet einen Basiskörper, Bezugszeichen 157a und 157b bezeichnen einen Deckelkörper (einen ersten und einen zweiten Deckelkörper), Bezugszeichen 158 bezeichnet einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 159 bezeichnet einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 160 bezeichnet einen ersten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 161 bezeichnet einen zweiten Verdrahtungsleiter und Bezugszeichen 162 bezeichnet einen äußeren Verbindungsanschluss. Diese elektronische Vorrichtung bezieht sich auf ein Mobiltelefon, PDA (Personal Digital Assistants), eine Digitalkamera oder ähnliches. In dieser Ausführungsform sind gleiche Komponenten wie die in der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht im Detail beschrieben.
Das Brennstoffzellengehäuse 152 nach der Erfindung weist einen Basiskörper 156 auf mit einer ersten Ausnehmung auf einer oberen Hauptoberfläche und einer zweiten Ausnehmung auf einer unteren Hauptoberfläche, ein Deckelkörper 157a ist auf der oberen Oberfläche des Hauptkörpers 156 in der Nähe der ersten Ausnehmung montiert, um die erste Ausnehmung abzudecken, und ein zweiter Deckelkörper 157b ist auf der unteren Oberfläche des Basiskörpers 156 in der Nähe der zweiten Ausnehmung montiert, um die zweite Ausnehmung abzudecken. Das Brennstoffzellengehäuse 152 hat die Funktion, die Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b innerhalb der ersten und der zweiten Ausnehmung aufzunehmen und hermetisch zu versiegeln und ist aus Keramikmaterial, wie zum Beispiel gesintertem Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertem Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertem Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Aluminiumnitrid (AlN), gesintertem Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik hergestellt.
Da das Brennstoffzellengehäuse 152 den Basiskörper 156 mit einer ersten und einer zweiten Ausnehmung und ersten und zweiten Deckelkörpern 157a, 157b aufweist und bei der die Ausnehmung hermetisch versiegelt ist durch Montage der ersten und zweiten Deckelkörper 157a, 157b, um die erste und zweite Ausnehmung des Basiskörpers 16 herum, um die Ausnehmung abzudecken, die ersten und zweiten Deckelkörper 157a und 157b auf dem Basiskörper 156 durch Bonden mit Metallbondierungsmaterial, wie Lötzinn oder Silberlötfül len, durch Bonden mit Harzmaterial, wie Epoxy, oder durch eine Methode zum Bonden eines Dichtmittels oder ähnlichem aus einer Ferrolegierung oder ähnlichem auf der oberen Oberfläche als einer Oberfläche um die Ausnehmung herum und Verschweißen durch Nahtschweißen, elektronischem Schweißen, Laserschweißen oder ähnlichem. Hier können der erste und der zweite Deckelkörper 157a, 157b ebenfalls mit einer Ausnehmung in der Art der des Basiskörpers 156 versehen sein. Zusätzlich kann ein Randbereich des Basiskörpers und des Deckelkörpers mit Durchgangslöchern versehen sein und der Basiskörper und der Deckelkörper können mechanisch durch Verschrauben durch die Durchgangslöcher aneinander befestigt werden.
Der Basiskörper 156 und der erste und der zweite Deckelkörper 157a, 157b sind dünn ausgeführt, um eine flache Bauweise der Brennstoffzelle 151 zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Biegestärke als mechanische Stärke 200 MPa oder mehr.
Vorzugsweise ist der Basiskörper 156 und der erste und der zweite Deckelkörper 157a 157b aus gesintertem Aluminiumoxid hergestellt aus einer dichtpackenden Substanz, dessen relative Dichte beispielsweise 95 % oder mehr beträgt. In diesem Fall, zum Beispiel im Fall gesinterten Aluminiumoxids, wird zuerst ein Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfen hinzugefügt und in das Aluminiumoxidpulver eingemischt und Pulvermaterialien aus gesintertem Aluminiumoxid wird zubereitet. Zweitens wird ein Zweitens wird ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmittel addiert und in das Pulvermaterial aus Aluminiumoxid-Sinter gemischt, um eine Paste herzustellen und durch eine Verstreichtechnik oder durch Zufügen eines organischen Bindemittels in das Pulvermaterial und Pressgießen, Rollformen oder dergleichen wird Rohplatte hergestellt mit spezifizierter Dicke. Dann werden durch Ausstechen mit einem Stemmwerkzeug, einem Mikrobohrer, einem Laser oder ähnlichem Durchgangslöcher als erste Flu idkanäle 158 und als zweite Fluidkanäle 159 als Öffnungen, die als Fluidpassagen und als Durchgangslöcher zur Anordnung der ersten Verbindungsleiter 160 und der zweiten Verbindungsleiter 161 auf der Rohplatte gebildet. Die ersten und zweiten Fluidkanäle 158 und 159 können auch Rillen in den äußeren oder inneren Schichten sein, die durch Ausstechen mit einem Stechwerkzeug oder durch Pressverformen hergestellt werden.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 160 und 161 sollten vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän bestehen, um Oxidation zu vermeiden. In diesem Fall ist zum Beispiel als anorganische Substanz Al₂O₃ 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 hinzugefügt, um eine Leiterpaste zu bilden. Die Leiterpaste ist in die Durchgangslöcher gefüllt, die in die Rohplatten gestanzt sind, um ein Durchgangsloch zu bilden, welches einen Durchgangsleiter darstellt. Der Leiterpaste kann zur Erhöhung der dichten Adhäsion des Basiskörpers 156 und des ersten und zweiten Deckelkörpers 157a und 157b an Keramik, Aluminiumoxidpulver oder Pulver mit derselben Zusammensetzung wie die Keramikkomponente, aus der der Basiskörper 156 oder der erste und zweite Deckelkörper 157a und 157b gebildet ist, addiert werden, zum Beispiel im Verhältnis von 0,05 bis 2 Vol.-%.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 160 und 161 sind in der äußeren und der inneren Schicht des Basiskörpers 156 und des ersten und des zweiten Deckelkörpers 157a und 157b geformt, vor, nach oder während der Bildung der Durchgangskontakte, die hergestellt werden durch Auffüllen der Durchgangslöcher mit Leiterpaste. Die Bildung der Verdrahtungsleiter wird durch Aufdrucken einer ähnlichen Leiterpaste in vorbestimmten Mustern auf der Rohplatte nach der Siebdruckmethode, Gravurdruckmethode oder einer ähnlichen Methode erzielt.
Danach werden eine vorbestimmte Anzahl von plattenartigen gegossenen Körpern, die gedruckte und ausgefüllte Leiterpaste tragen, positionsmäßig ausgerichtet, anschließend aufeinandergestapelt und mit Druck beaufschlagt. Der gestapelte Körper wird dann gebrannt in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei hoher Temperatur von ungefähr 1200 bis 1500 °C. Dadurch werden die gewünschten keramischen Basiskörper 156, der erste und der zweite Deckelkörper 157a und 157b und die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 20 und 21 erhalten.
Die äußeren Verbindungsanschlüsse 162 werden auf mindestens einem der Basiskörper 156 oder dem ersten und zweiten Deckelkörper 157a und 157b durch Löten, Schweißen oder ähnliches gefestigt. Vorzugsweise haben die äußeren Verbindungsanschlüsse 162 eine Form, die eine gute elektrische Verbindung mit einer Mutterplatine oder ähnlichem gewährleistet, um einen elektronischen Schaltkreis als einen Hauptteil einer elektronischen Vorrichtung zu bilden. Eine solche Form ist zum Beispiel eine Stange, ein Haken, ein Konus oder ähnliches, der einen einfachen Kontakt und eine einfache mechanische Verbindung zu einem elektronischen Schaltkreis als Hauptteil einer elektronischen Vorrichtung schafft durch Inkontaktbringen der Anschlüsse miteinander oder durch Einführen des Anschlusses. Vorzugsweise ist ein Steckbereich (ein Loch oder dergleichen) angeordnet, welches dem äußeren Verbindungsanschluss entspricht in einem Bereich, in dem der äußere Verbindungsanschluss 162 an den elektronischen Schaltkreis als ein Hauptteil der elektronischen Vorrichtung angeschlossen ist. Durch die Anordnung des äußeren Verbindungsanschlusses 162 auf der Seitenoberfläche des Basiskörpers 156 oder des ersten und zweiten Deckelkörpers 157a und 157b ist es möglich, die elektronische Vorrichtung flach zu bauen.
Ferner haben der Basiskörper 156 und der erste und zweite Deckelkörper 157a, 157b aus Keramik eine Dicke von 0,02 mm oder mehr.
Wenn die Dicke weniger als 0,2 mm beträgt, tendieren der Basiskörper 156 und die Deckelkörper 157a und 157b leicht dazu, unter Spannung zu brechen, wenn der Basiskörper 156 und der erste und zweite Deckelkörper 157a und 157b montiert werden. Auf der anderen Seite ist ein Flachbauen schwierig, wenn die Dicke mehr als 5 mm beträgt. Dann ist es schwierig, eine Brennstoffzelle in einer kleinen mobilen Vorrichtung installiert zu verwenden und da die thermische Kapazität groß ist, wird es schwierig, unmittelbar eine geeignete Temperatur festzulegen, die einer elektrochemischen Reaktionsbedingung des Membran-Elektrodenaufbaus 13a und 13b entspricht.
Der erste Verdrahtungsleiter 160 und der zweite Verdrahtungsleiter 161 sind elektrisch mit der ersten Elektrode 14a und 14b und der zweiten Elektrode 15a und 15b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b angeschlossen, wodurch sie als leitende Pfade fungieren, um den in der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b erzeugten Strom aus dem Brennstoffzellengehäuse 152 herauszuführen.
Der erste Verdrahtungsleiter 160 ist mit seinem Ende in dem Teil jeder Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmung auf beiden Hauptoberflächen des Basiskörpers 156 angeordnet, der der ersten Elektrode 14a und 14b der Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b gegenüberliegt und sein anderes Ende führt hinaus auf die äußere Oberfläche des Basiskörpers 156. Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, dass der erste Verdrahtungsleiter 160 einstückig mit dem Basiskörper 156 geformt ist und 10 μm oder mehr höher ist als die Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 56. Dies ermöglicht beiden Enden des ersten Verdrahtungsleiter 160, leichter Kontakt mit der ersten Elektrode 14a und 14b zu schließen. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiter 20 kann durch Einstellen der Druckbedingung erreicht werden, derart, dass die Leiterpaste mit einer größeren Dichte während des Druckvorgangs aufgetragen wird als oben beschrieben.
Ferner sollten vorzugsweise mehrere erste Verdrahtungsleiter 160 gegenüber der ersten Elektrode 14a und 14b angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die in dem ersten Verdrahtungsleiter 160 auftreten können. Der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 160, der durch den Basiskörper 156 führt, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Der zweite Verdrahtungsleiter 161 ist mit seinem einen Ende in einem Teil einer äußeren Oberfläche als einer Oberfläche des Deckelkörpers 157a und 157b angeordnet, die der zweiten Elektrode 15a und 15b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b gegenüberliegt und sein anderes Ende führt hinaus zu der äußeren Oberfläche eines jeden der ersten und zweiten Deckelkörper 157a und 157b. Vorzugsweise ist der zweite Verdrahtungsleiter 161 wie der erste Verdrahtungsleiter 160 einstückig mit dem ersten und zweiten Deckelkörper 157a und 157b geformt und ist 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche der ersten und zweiten Deckelkörper 157a und 157b. Dies ermöglicht dem zweiten Verdrahtungsleiter 161, leichter in Kontakt mit der zweiten Elektrode 15a und 15b zu treten. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 161 kann erreicht werden durch Einstellung der Druckbedingung, so dass die Leiterpaste mit einer größeren Dicke während des Druckvorgangs aufgetragen wird als vorher beschrieben.
Ferner sollten mehrere zweite Verdrahtungsleiter 161 gegenüber der zweiten Elektrode 15a und 15b angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste in dem zweiten Verdrahtungsleiter 161 zu reduzieren. Der Teil des zweiten Verdrahtungsleiters 161, der durch die ersten und zweiten Deckelkörper 157a und 157b geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Durch Beschichten der freiliegenden Oberflächen des ersten Verdrahtungsleiter 160, des zweiten Verdrahtungsleiters 161 und des äußeren Verbindungsleiters 162 mit Metall wie Nickel, Kupfer, Gold, Platin und Palladium, welche eine gute Leitfähigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Benetzbarkeit mit Lötmaterial haben, ist es möglich, eine gute elektrische Verbindung zwischen dem ersten Leiter 160, dem zweiten Leiter 161, dem äußeren Verbindungsanschluss 162 und einer Mutterplatine oder ähnlichem herzustellen, um einen elektronischen Schaltkreis als Hauptteil der elektronischen Vorrichtung zu bilden.
Dann können die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 160 und 161 elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden 14a, 14b und 15a, 15b jeweils verbunden werden durch formschlüssiges Einfügen der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b zwischen den Basiskörper 156 und dem ersten und zweiten Deckelkörper 157a und 157b. Dadurch werden die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 160 und 161 in Druckkontakt mit den ersten und zweiten Elektroden 14a, 14b und 15a, 15b gebracht.
In dem Grundkörper 156 ist erste Fluidkanal 158 so angeordnet, dass die Öffnungen auf der Bodenoberfläche der ersten und zweiten Ausnehmung einander gegenüberliegen von einem Teil des Basiskörpers zwischen der ersten und zweiten Ausnehmung zu den Bodenoberflächen der ersten und zweiten Ausnehmung. Die ersten Fluidkanäle 158 sind gebildet durch Durchgangslöcher, die in den Basiskörper 156 gestochen sind, oder durch Rillen. Die ersten Fluidkanäle 158 dienen als Passage für ein Fluid, welches der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b zugeführt werden soll, wobei es sich bei dem Fluid um Brennstoffgas, wie zum Beispiel wasserstoffreiches Reformgas oder Oxidationsgas, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Luft handelt, und daneben dienen die ersten Fluidkanäle als Passagen von der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a abzuführen des Fluid nach der Reaktion, wie zum Beispiel Wasser, welches während solcher Reaktionen erzeugt wurde.
Darüber hinaus ist auf der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 157a, 157b, welche gegenüber der zweiten Elektrode 15a, 15b liegt, der zweite Fluidkanal 159 angeordnet. Der zweite Fluidkanal 159 ist so geformt, dass er sich über die äußere Oberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 157a, 157b erstreckt. Der zweite Fluidkanal 159 dient als Fluidfluss, ähnlich wie der erste Fluidkanal 158 und ist hergestellt durch Durchstechen eines Durchgangslochs oder einer Rille in den ersten/zweiten Deckelkörper 157a, 157b.
Betrachtet man ein Durchgangsloch oder eine Rille, welche in den Basiskörper 156 und den ersten und den zweiten Deckelkörper 157a und 157b eingearbeitet ist als erste und zweite Fluidkanäle 158 und 159, so wird der Durchmesser und die Anzahl der Durchgangslöcher oder die Breite und Tiefe und Anordnung der Rille entsprechend den Spezifikationen der Brennstoffzelle 151 so bestimmt, dass ein Fluid, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b zugeführt werden kann.
In dem Brennstoffzellengehäuse 152 und der Brennstoffzelle 151, die die Erfindung verkörpern, sind erste und zweite Fluidkanäle 158 und 159 vorzugsweise mit einem Lochdurchmesser von 0,1 mm oder mehr vorgesehen und gleichmäßig verteilt. Auf diese Weise ist der erste Fluidkanal 158 gegenüber der Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b angeordnet, welche eine erste Elektrode 14a und 14b aufweist, wohingegen der zweite Fluidkanal 159 gegenüber der Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenanordnung 13a und 13b mit der zweiten Elektrode 15a und 15b angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann Fluid ausgetauscht werden zwischen der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe 13 und deren entsprechenden ersten und zwei ten Fluidkanälen 158 und 159 und somit kann Fluid über die entsprechenden Fluidkanäle zugeführt und abgeführt werden. Ferner ist es in dem Fall, dass Gas als Fluid zugeführt wird, möglich, ein Absinken des Partialdruckes des Gases zu vermeiden, welches den ersten und zweiten Elektroden 14a, 14b und 15a, 15b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b zugeführt wird, da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert ist, wodurch der Innendruck innerhalb der Brennstoffzelle 11 vergleichmäßigt ist. Als ein Ergebnis können thermische Spannungen, die in der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b auftreten, unterdrückt werden, was zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 151 führt.
Mit der soweit beschriebenen Konstruktion ist es möglich, ein kompaktes und robustes Brennstoffzellengehäuse 152 anzugeben, welches die Membran-Elektrodenbaugruppe 13a und 13b wie in 14 gezeigt aufnehmen kann, und die Brennstoffzelle 151, die eine hocheffiziente Steuerung nach der Erfindung ermöglicht.
15 ist ein Schnitt, der eine weitere Ausführungsform der Brennstoffzelle zeigt, die in die elektronische Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist. In 15 tragen Komponenten, die dieselbe oder ähnliche Rollen spielen wie in 14, die gleichen Bezugszeichen. Genauer gesagt bezeichnet das Bezugszeichen 151a eine Brennstoffzelle, 152a ein Brennstoffzellengehäuse, 13a und 13b bezeichnen eine Membran-Elektrodenanordnung, 14a und 14b bezeichnen eine erste Elektrode, 15a und 15b bezeichnen eine zweite Elektrode, 156 bezeichnet einen Basiskörper, 157c bezeichnet einen ersten Deckelkörper, 157d bezeichnet einen zweiten Deckelkörper, 158 bezeichnet einen ersten Fluidkanal, 159 bezeichnet einen zweiten Fluidkanal, 160a und 160b bezeichnen einen ersten Verdrahtungsleiter und 161 und 161a bezeichnen einen zweiten Verdrahtungsleiter.
In dem in 15 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der erste Verdrahtungsleiter 160a sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode 14a der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a auf der Bodenoberfläche der ersten Ausnehmung der oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers 156 angeordnet und sein anderes Ende führt zu der unteren Hauptoberfläche des Basiskörpers 156, um elektrisch mit dem anderen Ende des zweiten Verdrahtungsleiter 161a verbunden zu sein, der zu der äußeren Oberfläche des zweiten Deckelkörpers 157d führt. Darüber hinaus ist das eine Ende des ersten Verdrahtungsleiters 160b, welches gegenüber der ersten Elektrode 14b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13b liegt, auf der Bodenoberfläche der zweiten Ausnehmung der unteren Hauptoberfläche des Basiskörpers 156 angeordnet, und sein anderes Ende führt zu der äußeren Oberfläche, hier der Seitenoberfläche des Basiskörpers 156.
Vorzugsweise ist der erste Verdrahtungsleiter 160a, 160b einstückig mit dem Basiskörper 156 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 156. Dies ermöglicht einem Ende des ersten Verdrahtungsleiters 160a, 160b, leichter in Kontakt mit der ersten Elektroden 14a, 14b zu treten. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 160a, 160b kann erhalten werden durch Einstellung der Druckbedingung, so dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckvorgangs gedruckt wird als oben beschrieben. Ferner sollten mehrere erste Verdrahtungsleiter 160a, 160b gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu vermeiden, die dem ersten Verdrahtungsleiter 160a, 160b zugesprochen werden. Der Teil des ersten Verdrahtungsleiters 160a, 160b, der durch den Basiskörper 156 geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr aufweisen.
Wie in den 14 und 15 gezeigt, ist entsprechend dem Brennstoffzellengehäuse 152, 152a und der Brennstoffzelle 151, 151a, die Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b in der ersten/zweiten Ausnehmung, welche in jeder Hauptoberfläche des Basiskörpers 156 ausgeformt ist, untergebracht. Darüber hinaus sind in der Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a und 13b deren jeweiligen ersten Elektroden 14a, 14b oder deren ersten und zweiten Elektroden 14a, 14b und 15a, 15b elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsleiter 160, 160a, 160b und dem zweiten Verdrahtungsleiter 161, 161a verbunden. Dann, um einen Ausgang durch die Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b zu erzielen, die an entgegengesetzten Enden in der Schaltung liegen, sind die elektrischen Verdrahtungsleiter elektrisch mit diesen jeweils verbunden. In diesem Fall kann, da ein dreidimensionales Verdrahten frei durchgeführt werden kann, eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b beliebig miteinander in Reihe oder parallel verbunden werden. Dies macht es möglich, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom effizient zu justieren. Somit kann in der Brennstoffzelle Elektrizität, die in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b elektrochemisch erzeugt wurde, auf befriedigende Weise extrahiert werden.
16 bis 19 sind Schnittansichten noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Brennstoffzelle, die in der elektronischen Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut ist. In diesem Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 171, 181, 191 und 201 eine Brennstoffzelle, die Bezugszeichen 172, 182, 192 und 202 bezeichnen ein Brennstoffzellengehäuse, die Bezugszeichen 13a, 13b, 13c und 13c bezeichnen eine Membran-Elektrodenbaugruppe, die Bezugszeichen 14a, 14b, 14c und 14c bezeichnen eine erste Elektrode, die Bezugszeichen 15a, 15b, 15c und 15d bezeichnen eine zweite Elektrode, die Bezugszeichen 156 und 156a bezeichnen einen Basiskörper, die Bezugszeichen 157a und 157b bezeichnen einen Deckelkörper, die Bezugszeichen 158 bezeichnen einen ersten Fluidkanal, Bezugszeichen 159 bezeichnet einen zweiten Fluidkanal, Bezugszeichen 160 bezeichnet einen ersten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 161 bezeichnet einen zweiten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 162 bezeichnet einen äußeren Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 163 bezeichnet einen dritten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 164 bezeichnet einen vierten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 165 bezeichnet einen fünften Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 166 bezeichnet einen sechsten Verdrahtungsleiter, Bezugszeichen 167 bezeichnet einen siebten Verdrahtungsleiter und Bezugszeichen 168 bezeichnet einen achten Verdrahtungsleiter.
Bei dieser Ausführungsform sind gleiche Komponenten wie bei der vorherstehenden Ausführungsform mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 16 hat der dritte Verdrahtungsleiter 163, der einstückig mit dem Basiskörper 156a ausgeführt ist, sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a, 13b auf der Bodenoberfläche einer von einer Mehrzahl von ersten/zweiten Ausnehmungen des Basiskörpers 156a angeordnet und das andere Ende liegt gegenüber der ersten Elektrode 14c, 14d einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe 13c, 13d auf einer anderen Bodenoberfläche einer von einer Mehrzahl von ersten/zweiten Ausnehmungen. Der dritte Verdrahtungsleiter 163 sollte vorzugsweise 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 156a gemacht werden. Dies ermöglicht beiden Enden des dritten Verdrahtungsleiters 163, leichter mit der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c, 14d in Kontakt zu treten. Die gewünschte Höhe des dritten Verdrahtungsleiters 163 kann erhalten werden durch Einstellung der Druckbedingung derart, dass die Leiterpaste mit einer größeren Dicke während des Druckvorgangs als oben beschrieben aufgetragen wird. Ferner sollten mehrere dritte Verdrahtungsleiter 163 vorzugsweise gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c und 14d angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu verringern, die dem dritten Verdrahtungsleiter 163 zugesprochen werden. Dieser Teil des dritten Verdrahtungsleiters 163, der durch den Basiskörper 156a geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Der in 17 gezeigte vierte Verdrahtungsleiter 164 liegt mit einem Ende gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a, 13b, 13c auf der Bodenoberfläche einer von einer Mehrzahl von ersten/zweiten Ausnehmungen des Basiskörpers 156a und sein anderes Ende führt zu der Hauptoberfläche des Basiskörpers 156a, auf der der erste/zweite Deckelkörper 157a, 157b montiert ist. Weiterhin ist der fünfte Verdrahtungsleiter 165 mit einem Ende gegenüber der zweiten Elektrode 15b, 15c, 15d der Membran-Elektrodenanordnung 13b, 13c, 13d der ersten/zweiten Ausnehmung auf der Hauptoberfläche des Deckelkörpers 157a, 157b angeordnet und sein anderes Ende führt zu der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 157a, 157b, der auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers 156a montiert ist, so dass er dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters 164 gegenüberliegt.
Vorzugsweise ist wie der dritte Verdrahtungsleiter 163 auch der vierte Verdrahtungsleiter 164 einstückig mit dem Basiskörper 156a geformt und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 156a. Dies ermöglicht einem Ende des vierten Verdrahtungsleiters 164, leichter mit der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c in Kontakt zu treten. Die gewünschte Höhe des vierten Verdrahtungsleiters 164 kann durch Einstellen der Druckbedingung erhalten werden, indem mehr Leiterpaste während des Druckvorgangs aufgetragen wird wie oben beschrieben. Ferner sollten vorzugsweise mehrere vierte Verdrahtungsleiter 164 gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem vierten Verdrahtungsleiter 164 zugeschrieben werden. Der Teil des vierten Verdrah tungsleiters 164, der durch den Basiskörper 156 geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Vorzugsweise ist der fünfte Verdrahtungsleiter 156 ebenso wie der zweite Verdrahtungsleiter 161 einstückig mit dem ersten/zweiten Deckelkörper 157a, 157b geformt und ist 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 157a, 157b. Dies ermöglicht einem Ende des fünften Verdrahtungsleiters 165, leichter in Kontakt mit der zweiten Elektrode 15b, 15c, 15d zu treten. Die gewünschte Höhe des fünften Verdrahtungsleiters 165 kann durch Einstellen der Druckbedingung erreicht werden, so dass die Leiterpaste mit einer größeren Dicke gedruckt wird wie oben beschrieben. Ferner sollten vorzugsweise mehrere fünfte Verdrahtungsleiter 165 gegenüber der zweiten Elektrode 15b, 15c, 15d angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem fünften Verdrahtungsleiter 165 zugesprochen werden. Der Teil der fünften Verdrahtungsleiters 165, der durch den Deckelkörper 157a, 157b geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr besitzen.
In 18 ist das eine Ende des sechsten Verdrahtungsleiters 166, welches einstückig mit dem Basiskörper 156 ausgeführt ist, gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a, 13b auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 156 angeordnet, und sein anderes Ende liegt gegenüber der anderen ersten Elektrode 14c, 14d der Membran-Elektrodenbaugruppe 13c, 13d auf der Bodenoberfläche der gleichen ersten/zweiten Ausnehmung.
Vorzugsweise ist der sechste Verdrahtungsleiter 166 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 156. Dies ermöglicht beiden Enden des sechsten Verdrahtungsleiters 166, leichter mit der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c, 14d in Kontakt zu treten. Die gewünschte Höhe des sechsten Verdrahtungsleiters 166 kann durch Einstellung der Druckbedingung erzielt werden, derart, dass die Leiterpaste dicker während des Druckvorgangs aufgetragen wird als oben beschrieben. Ferner sollten vorzugsweise mehrere sechste Verdrahtungsleiter 166 gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c, 14d angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem sechsten Verdrahtungsleiter 166 zugesprochen werden. Der Teil des sechsten Verdrahtungsleiters 166, der durch den Basiskörper 156 geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
In 18 hat der siebte Verdrahtungsleiter 167 sein eines Ende gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c einer von einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 156 angeordnet, und sein anderes Ende führt zu der Hauptoberfläche des Basiskörpers 156, auf der der erste/zweite Deckelkörper 157a, 157b montiert ist. Ferner hat der achte Verdrahtungsleiter 168 sein eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode 15b, 15c, 15d einer von einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13b, 13c, 13d auf der Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 157a, 157b angeordnet und sein anderes Ende führt zur unteren Oberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 157a, 157b, der auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers 156 montiert ist, so dass er dem anderen Ende des siebten Verdrahtungsleiters 167 gegenüberliegt.
Vorzugsweise ist der siebte Verdrahtungsleiter 167 ebenso wie der dritte Verdrahtungsleiter 162 einstückig mit dem Basiskörper 156 geformt und 10 μm oder mehr höher als die Bodenoberfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 156. Dies ermöglicht einem Ende des siebten Verdrahtungsleiters 167, leichter in Kontakt mit der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c zu treten. Die gewünschte Höhe des siebten Verdrahtungsleiters 167 kann durch Einstellung der Druckbedingung erhalten werden, indem die Leiterpaste mit größerer Dicke wäh rend des Druckvorgangs gedruckt wird als oben beschrieben. Ferner sollten mehrere siebte Verdrahtungsleiter 167 gegenüber der ersten Elektrode 14a, 14b, 14c angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem siebten Verdrahtungsleiter 167 zugeschrieben werden. Der Teil des siebten Verdrahtungsleiters 167, der durch den Basiskörper 156 geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Vorzugsweise ist auch der achte Verdrahtungsleiter 168 ebenso wie der zweite Verdrahtungsleiter 161 einstückig mit dem ersten/zweiten Deckelkörper 157a, 157b geformt und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers 157a, 157b. Dies ermöglicht einem Ende des achten Verdrahtungsleiters 168, leichter in Kontakt mit der zweiten Elektrode 15b, 15c, 15d zu treten. Die gewünschte Höhe des achten Verdrahtungsleiters 168 kann erhalten werden durch Einstellung der Druckbedingung derart, dass die Leiterpaste mit größerer Dicke während des Druckens aufgetragen wird als oben beschrieben. Ferner sollten mehrere achte Verdrahtungsleiter 168 gegenüber der zweiten Elektrode 15b, 15c, 15d angeordnet werden. Dies hilft, elektrische Verluste zu reduzieren, die dem achten Verdrahtungsleiter 168 zugeschrieben werden. Der Teil des achten Verdrahtungsleiters 168, der durch den ersten/zweiten Deckelkörper 157a, 157b geht, sollte vorzugsweise einen Φ von 50 μm oder mehr haben.
Wie in den 16 und 17 gezeigt, ist entsprechend dem Brennstoffzellengehäuse 172, 182 und der Brennstoffzelle 171, 181, welche in der elektrischen Vorrichtung eingebaut sind, die die Erfindung verkörpert, die Membran-Elektrodenbaugruppe 13a, 13b, 13c, 13d in jeder der Mehrzahl von ersten/zweiten Ausnehmungen des Basiskörpers 156a untergebracht. Darüber hinaus ist/sind der dritte Verdrahtungsleiter 163 oder der vierte und fünfte Verdrahtungsleiter 164 und 165 so angeordnet, dass er durch einen Bereich zwischen benachbarten ersten/zweiten Ausnehmungen verläuft. Dadurch sind in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d deren jeweiligen ersten Elektroden 14a, 14b, 14c, 14d oder deren erste und zweite Elektroden 14a, 14b, 14c, 14d und 15a, 15b, 15c, 15d elektrisch miteinander verbunden. Dann werden, um einen Ausgang durch die letzten Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d zu erhalten, die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 160 und 161 elektrisch damit verbunden. In diesem Fall, nachdem der erste bis dritte Verdrahtungsleiter 160, 161 und 163 sowie der erste, zweite, vierte und fünfte Verdrahtungsleiter 160, 161, 164 und 165 ein freies dreidimensionales Verdrahten erlauben, können eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d beliebig miteinander in Serie oder parallel verbunden werden. Dies macht es möglich, die Endausgangsspannung und den Ausgangsstrom effektiv zu justieren. Somit kann in der Brennstoffzelle Elektrizität, die elektrochemisch in der Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d erzeugt wurde, befriedigend extrahiert werden.
Wie in den 18 und 19 gezeigt, ist in dem Brennstoffzellengehäuse 192, 202 und der Brennstoffzelle 191, 201, die in eine elektronische Vorrichtung eingebaut sind, die die Erfindung verkörpert, eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d in der ersten/zweiten Ausnehmung des Basiskörpers 156 untergebracht und der sechste Verdrahtungsleiter 160 oder der siebte und achte Verdrahtungsleiter 167 und 168 ist/sind vorgesehen. Dadurch sind in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d deren entsprechenden ersten Elektroden 14a, 14b, 14c, 14d oder deren erste und zweite Elektroden 14a, 14b, 14c, 14d und 15a, 15b, 15c, 15d elektrisch miteinander verbunden Dann werden, um einen Endausgang zu erhalten, durch die letzten Membran-Elektrodenbaugruppe 13a, 13b, 13c, 13d die ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 160 und 161 elektrisch damit jeweils verbunden. In die sem Fall können, da der erste, zweite und sechste Verdrahtungsleiter 160, 161 und 166 sowie der erste, zweite, siebte und achte Verdrahtungsleiter 160, 161, 167 und 168 ein freies dreidimensionales Verdrahten erlauben, eine Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d beliebig miteinander in Reihe oder parallel verbunden werden. Dies macht es möglich, die Endausgangsspannung und den Ausgangsstrom effektiv zu justieren. Somit kann in der Brennstoffzelle Elektrizität, die elektrochemisch in einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen 13a, 13b, 13c, 13d erzeugt wurde, befriedigend extrahiert werden.
Es ist zu bemerken, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen beschränkt werden muss und es daher verschiedene Änderungen und Modifikationen gibt, die möglich sind, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen. So können zum Beispiel die ersten und zweiten Fluidkanäle 158 und 159 alternativ konstruiert werden, indem man ein Inlett auf der Seitenoberfläche des Basiskörpers 156 und 156a oder des Deckelkörpers 157a und 157b ausbildet. In diesem Fall ist die gesamte Brennstoffzelle flacher und die verkleinerte Brennstoffzelle ist entsprechend geeignet für tragbare elektronische Vorrichtungen. Darüber hinaus können die anderen Enden der ersten und zweiten Verdrahtungsleiter 160 und 161 über die Seitenoberflächen des Basiskörpers 156 und 156a und des Deckelkörpers 157a und 157b geführt werden, die auf der gleichen Seite angeordnet sind, anstatt sie über die äußeren Oberflächen jeweils zu führen, und der äußere Verbindungsanschluss kann zusammengelegt werden. In diesem Fall können Verdrahtungslinien, Überbrückungen, etc. zusammen auf nur eine Seite der Brennstoffzelle gelegt werden. Dies hilft, die Miniaturisierung zu vereinfachen und die außen verbundenen Bereiche zu schützen. Somit kann eine Brennstoffzelle mit einer hohen Zuverlässigkeit designt werden, die entsprechend stabil für lange Zeit betrieben werden kann.
Im Folgenden wird die elektronische Vorrichtung beschrieben, die die Erfindung verkörpert und die unten beschriebene Brennstoffzelle als Stromquelle aufweist.
Mit der Brennstoffzelle als Stromquelle ausgerüstet, ist die elektronische Vorrichtung nach der Erfindung kompakt und flacher, ist stabil auf lange Zeit zu betreiben und hat exzellente Sicherheits- und Bedienungsfreundlichkeitsmerkmale. Verschiedene Vorteile, die die elektronische Vorrichtung aufweist, werden im Folgenden beschrieben.
Da bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung der externe Verbindungsanschluss 12 (der Anschluss mit positiver und negativer Polarität) 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 Brennstoffzellen und ein Brennstoffzellengehäuse, das aus dem aus mehrschichtiger Keramik gefertigten Basiskörper 156, 156a besteht, als Stromquelle verwendet werden und daher eine freie elektrische Verdrahtung der Brennstoffzelle erfolgen kann, ist es ferner leicht, mehrere Membran-Elektrodenbaugruppen in Reihe zu schalten. Es ist daher möglich, eine elektronische Vorrichtung zu realisieren, die klein, flach und leicht ist.
Da der Basiskörper 156, 156a aus mehrschichtiger Keramik gefertigt ist, können überdies ein Widerstand, eine Kapazität und eine Induktanz im Basiskörper ausgebildet sein.
Durch eine derartige Erzeugung eines beispielsweise mit der Brennstoffzelle parallel geschalteten Kondensators mit hoher Kapazität im Basiskörper 156, 156a 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 Widerstandes, einer Kapazität und einer Induktanz 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 Induktanz im Basiskörper 156, 156a ist der Basiskörper 156, 156a vorzugsweise aus gesinterter Glaskeramik gefertigt.
Die gesinterte Glaskeramik besteht beispielsweise aus einer Glaskomponente und einem Füllmittel. Diese Komponenten stimmen mit denen der vorstehenden Ausführungsformen 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 die keramische Rohplatte verwendet wurde und beispielsweise ein Homopolymer oder Copolymer auf Acrylbasis (ein Homopolymer oder ein Copolymer aus Acrylsäure, Methacrylsäure oder deren Ester, konkret ein Acrylsäureestercopolymer, Methacrylsäureesterpolymer, ein Acrylsäureestermethacrylsäureestercopolymer oder dergleichen), Polyvinylbutyralbasis, Polyvinylalkoholbasis, Acrylstyrenbasis, Polypropylencarbonatbasis, Cellulosebasis oder dergleichen ist.
Eine Glaskeramik-Rohplatte mit einer Dicke von 50 bis 500 μm wird durch Hinzufügen der zum Erhalt einer Aufschlämmung erforderli chen vorgegebenen Menge eines Plastifikators, eines Lösungsmittels (eines organischen Lösungsmittels, Wasser oder dergleichen) zu dem Glaspulver, dem Füllmittelpulver und dem organischen Bindemittel in 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 Cu, Au, Ag, Pd, Pt oder dergleichen ausgewählte Elemente und wenn es mehrere der Elemente enthält, kann es die Form eines Gemisches, einer Legierung, einer Beschichtung oder dergleichen aufweisen.
Wird beispielsweise ein Kondensator mit hoher 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 16 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 Siebdruck eine aus Bariumtitanat oder dergleichen erzeugte dielektrische Paste auf die untere Elektrodenschicht aufgedrückt wird, ferner zur Erzeugung einer oberen Elektrodenschicht eine Metallpaste 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 oder dergleichen sind, mittels eines Verfahrens, wie Siebdruck, Gravurdruck oder dergleichen gemäß dem gleichen Verfahren wie der erste Verdrahtungsleiter 160 und der zweite Verdrahtungsleiter 161 in einem bestimmten Muster auf die Rohplatte erzeugt werden.
Ferner ist es günstig, eine interne Schaltung im Basiskörper 156, 156a der Brennstoffzelle 151, 151a, 171, 181, 191, 201 zu erzeugen. Dementsprechend ist es möglich, ein elektrisch mit der internen Schaltung verbundenes elektronisches Teil auf der Oberfläche des Basiskörpers 156, 156a zu montieren. Dadurch kann die Funktionalität der elektronischen Vorrichtung durch das auf der Oberfläche des Basiskörpers 156, 156a montierte elektronische Teil gesteigert werden.
Ferner ist es günstig, wenn ein elektrisch mit der internen Schaltung verbundenes elektronisches Teil auf der Oberfläche des Basiskörpers 156, 156a der Brennstoffzelle 151, 151a, 171, 181, 191, 201 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 18, 19 mittels eines Dichtesensors eine optimale Umwälzung, Brennstoffverdünnung und Unterdrückung einer Verringerung der Effizienz der Brennstoffnutzung ermöglicht. Zusätzlich kann durch die Verwendung elektronischer Teile eine Ladeschaltung gebildet werden und es wird möglich, die für eine elektronische Vorrichtung notwendige Spannung zu steuern. Ferner wird durch die Verwendung eines Temperatursensors oder dergleichen es möglich, die Temperatur der Membran-Elektrodenbaugruppe zu steuern und zu handhaben.
Ferner ist es günstig, wenn bei der Brennstoffzelle 1 zumindest in den ersten Fluidkanälen 158 oder den zweiten Fluidkanälen 159 piezoelektrische Pumpen, das heißt 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 nichtverwendetem Brennstoff durch einen Reaktanten oder ähnlichen 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 Treibstoff gleichmäßig zugeführt wird.
Die piezoelektrische Pumpe besteht aus einem Zuflussabschnitt, einen 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 158, 159 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 158, 159 in Schwingung versetzt werden. Dementsprechend können die Volumen der ersten und zweiten Fluidkanäle 158, 159 verändert werden und sie können als Pumpe fungieren.
Ferner werden der Zuflussabschnitt und der Abflussabschnitt durch die ersten und zweiten Fluidkanäle 158, 159 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 die 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 Brennstoffes 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 156, 156a oder der Deckelkörper 157a, 157b 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 151, 151a, 171, 181, 191, 201 hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgezeichnet, da außer den ersten und zweiten Verdrahtungsleitern 160, 161, deren eine Enden innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, nichts unnötig mit der Membran-Elektrodenbaugruppe 13a, 13b, 13c, 13d 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 hocheffizienter 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 Digitalkamera oder eine Videokamera oder ein Spielzeug, wie ein Spielgerät, eine elektronische Vorrich tung 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, wohingegen die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle versehen ist, die über einen erheblichen Zeitraum als Stromquelle benutzt 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 13 in Form eines Blockdiagramms gezeigt, sind die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse nach der Erfindung in dem Stromquellenbereich 143 gebildet.
Hierbei sind die Brennstoffzelle und das Brennstoffzellengehäuse hinsichtlich ihrer Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit ausgezeichnet und können Brennstoff gleichmäßig zuführen und aufgrund hocheffizienter 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 Umstandes, 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 angeordnet werden, wobei 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 143 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 Brennstoffes 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 eines 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 bearbeiteten 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 hocheffizienten elektrischen Anschluss über einen langen Zeitraum als Stromquelle genutzt werden, so dass die Miniaturisierung, flache Gestaltung und Gewichtsreduzierung des Hauptkörpers eines Laptop-PCs 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 leichterkenn bare 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.
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 Ansprüchen 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

Brennstoffzelle (12; 32, 92; 112) mit: einem aus Keramik gefertigten Basiskörper (16; 36, 76a) mit mindestens einer auf einer ihrer Oberflächen ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme mindestens einer Membran-Elektrodenbaugruppe (13), wobei jede Membran-Elektrodenbaugruppe (13) eine erste Elektrode (14) und eine zweite Elektrode (15) aufweist, die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind; einem ersten Fluidkanal (18; 38, 78), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a; 76) erstreckt; einem ersten Verdrahtungsleiter (20; 40, 80), dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode (14) der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden, unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist, und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a; 76) hinausführt; einem in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a; 76) montierten Deckelkörper (17; 37, 77a; 77), dass er die Ausnehmung vollständig luftdicht abdeckt; einem zweiten Fluidkanal (19; 39, 79), der sich von einer Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77), die der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegt, zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) erstreckt; einem zweiten Verdrahtungsleiter (21; 41, 81), dessen eines Ende auf der der zweiten Elektrode (15) der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) führt; und einem dritten Verdrahtungsleiter (22; 42, 83; 86), der im Basiskörper (16; 36, 76a; 76) ausgeformt ist, wobei der dritte Verdrahtungsleiter (22; 42, 83; 86) mit seinem einen Ende gegenüber der ersten Elektrode (14) einer Membran-Elektrodenbaugruppe (13) auf einer Bodenoberfläche einer Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende der ersten Elektrode (14) dieser oder einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe (13) auf der Bodenfläche einer anderen Ausnehmung angeordnet ist.
Brennstoffzellengehäuse (12a, 102) mit: einem aus Keramik gefertigten Basiskörper (16; 36, 76a; 76) mit mindestens einer auf einer ihrer Oberflächen ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme mindestens einer Membran-Elektrodenbaugruppe (13), wobei jede Membran-Elektrodenbaugruppe (13) eine erste Elektrode (14) und eine zweite Elektrode (15) aufweist, die jeweils auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind; einem ersten Fluidkanal (18; 38, 78), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung zu einer äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a; 76) erstreckt; einem ersten Verdrahtungsleiter (20; 40, 80), dessen eines Ende auf der der ersten Elektrode (14) der Membran-Elektrodenbau gruppe (13) gegenüberliegenden unteren Oberfläche der Ausnehmung angeordnet ist, und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a; 76) hinausführt; einem in der Nähe der Ausnehmung auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a; 77) montierten Deckelkörper (17; 37, 77a; 77), dass er die Ausnehmung vollständig luftdicht abdeckt; einem zweiten Fluidkanal (19; 39, 79), der sich von der einer der anderen Hauptoberfläche der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) erstreckt; einem zweiten Verdrahtungsleiter (21; 41, 81), dessen eines Ende auf der der zweiten Elektrode (15) gegenüberliegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) angeordnet ist, und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) führt; einem vierten Verdrahtungsleiter (23; 43, 84; 87), dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode (14) der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) auf einer Bodenoberfläche einer Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zu der anderen Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a, 76) führt, auf der der Deckelkörper (17; 37, 77a; 77) montiert ist; und einem fünften Verdrahtungsleiter (24; 44, 85; 88), dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode (15) einer anderen Membran-Elektrodenbaugruppe (13) der Ausnehmung auf einer Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) angeordnet ist und dessen anderes Ende zur einer Oberfläche des Deckelkörpers (17; 37, 77a; 77) führt, der auf einer Oberfläche des Basiskörpers (16; 36, 76a; 76) zu montieren ist, um gegenüber dem anderen Ende des vierten Verdrahtungsleiters (23; 43, 84; 87) positioniert zu sein.
Brennstoffzellengehäuse (52, 152) mit: einem aus Keramik gefertigten Basiskörper (56, 156) mit einer ersten Ausnehmung und einer zweiten Ausnehmung, die auf ihrer einen ihrer anderen Hauptoberfläche ausgeformt sind, zur Aufnahme einer Membran-Elektrodenbaugruppe (13a, 13b), wobei die Membran-Elektrodenbaugruppe (13a, 13b) eine erste Elektrode (14a, 14b) und eine zweite Elektrode (15a, 15b) aufweist, die auf ihrer einen und ihrer anderen Hauptoberfläche angeordnet sind; einem ersten Fluidkanal (58, 158) in dem Basiskörper (56, 156), der sich aus einem Gebiet zwischen der ersten und der zweiten Ausnehmung zu einer Bodenoberfläche einer jeder der Ausnehmungen erstreckt; einem ersten Verdrahtungsleiter (60, 160), dessen eines Ende auf der Bodenoberfläche der ersten/zweiten Ausnehmung gegenüber der ersten Elektrode (14a, 14b) der Membran-Elektrodenbaugruppe (13a, 13b) angeordnet ist und dessen anderes Ende zu der äußeren Oberfläche des Basiskörpers (56, 156) führt; einem ersten Deckelkörper (57a, 57b), der auf einer Hauptoberfläche des Basiskörpers (56, 156) in der Nähe der ersten Ausnehmung montiert ist, um die erste Ausnehmung zu bedecken und sie vollständig luftdicht abzudecken; einem zweiten Deckelkörper (57b, 157b), der auf einer anderen Hauptoberfläche des Basiskörpers (56, 156) nahe der zweiten Ausnehmung montiert ist, um diese zweite Ausnehmung abzudecken und um diese vollkommen luftdicht abzuschließen; einem zweiten Fluidkanal (59, 159), der sich von der ersten/zweiten zur Ausnehmungsseite liegenden Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers (57a, 57b, 157a, 157b) gegenüber der zweiten Elektrode (15a, 15b) der Membran-Elektrodenbaugruppe (13a, 13b) zu einer äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (57a, 57b, 157a, 157b) erstreckt und einem zweiten Verdrahtungsleiter (61, 161), dessen eines Ende auf der ersten/zweiten ausnehmungsseitigen Hauptoberfläche des ersten/zweiten Deckelkörpers (57a, 57b, 157a, 157b) erstreckt, der der zweiten Elektrode (15a, 15b) der Membran-Elektrodenbaugruppe (13a, 13b) gegenüberliegt und dessen anderes Ende sich zu der äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (57a, 57b, 157a, 157b) erstreckt.
Brennstoffzellengehäuse (52, 152) nach Anspruch 3, wobei der erste Fluidkanal (58, 158) so angeordnet ist, dass die Öffnungen der Bodenoberflächen der ersten und zweiten Ausnehmungen einander gegenüberliegen.
Brennstoffzelle (11, 91) mit: einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen (13), die jeweils eine erste Elektrode (14) und eine zweite Elektrode (15) aufweisen, die auf einer Hauptoberfläche der anderen Hauptoberfläche jeweils angeordnet sind und dem Brennstoffzellengehäuse (12, 92) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Membran-Elektrodenbaugruppe (13) in mindestens einer Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses (12; 32, 92; 112) jeweils untergebracht ist und die einen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) so angeordnet sind, dass Fluid zwischen den einen und den anderen Hauptoberflächen und deren entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanälen (18, 19, 78, 79; 38, 39, 78, 79) ausgetauscht werden kann, und wobei erste und zweite Verdrahtungsleiter (20, 21, 80, 81; 40, 41, 80, 81) elektrisch mit ersten und zweiten Elektroden (14, 15) jeweils angeschlossen sind und wobei der dritte Verdrahtungsleiter (22, 83; 42, 86) elektrisch mit der ersten Elektrode (14) verbunden ist und der Deckelkörper (17, 77a; 37, 77) auf einer Oberfläche des Basiskörpers (16, 76a) in der Nähe der Ausnehmung montiert ist, um diese Ausnehmung abzudecken.
Brennstoffzelle (11a, 101; 31a, 121) mit: einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen (13), von denen jede eine erste Elektrode (14) und eine zweite Elektrode (15) aufweist, die auf den einen und den anderen Hauptoberflächen angeordnet sind und dem Brennstoffzellengehäuse (12a, 102; 32a, 122) nach Anspruch 2, wobei mindestens eine Membran-Elektrodenbaugruppe (13) in mindestens einer Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses (12a, 102; 32a, 122) jeweils untergebracht ist und die einen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe (13) so angeordnet sind, dass Fluid ausgetauscht werden kann zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und deren entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanälen (18, 19, 78, 79; 38, 39, 78, 79), und erste und zweite Verdrahtungsleiter (20, 21, 80, 81; 40, 41, 80, 81) elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden (20, 21, 80, 81; 14, 15) jeweils verbunden sind, und die vierten und fünften Verdrahtungsleiter (23, 24, 84, 85; 43, 44, 87, 88) elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden (14, 15) jeweils verbunden sind, und das andere Ende des vierten Verdrahtungsleiters (23, 84; 43, 87) mit dem anderen Ende des fünften Verdrahtungsleiters (24, 85; 44, 88) verbunden ist und der Deckelkörper (17, 77a; 37, 77) auf einer Oberfläche des Basiskörpers (36, 76) in der Nähe der Ausnehmung montiert ist, so dass er diese bedeckt.
Brennstoffzelle (51, 151) mit: einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenbaugruppen (13a, 13b), die j eweils eine erste Elektrode (14a, 14b) und eine zweite Elektrode (15a, 15b) aufweisen, die auf einer Hauptoberfläche und auf einer weiteren Hauptoberflächen jeweils angeordnet sind und einem Brennstoffzellengehäuse (52, 152) nach Anspruch 3, wobei die Membran-Elektrodenbaugruppe (13a, 13b) in der ersten und der zweiten Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses (52, 152) untergebracht ist und die einen und die anderen Hauptoberflächen der Membran-Elektrodenbaugruppe (13a, 13b) so angeordnet sind, dass Fluid ausgetauscht werden kann zwischen der einen und der anderen Hauptoberfläche und deren entsprechenden ersten und zweiten Fluidkanälen (58, 59, 158, 159), wobei erste und zweite Verdrahtungsleiter (60, 61, 160, 161) elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden (14a, 14b, 15a, 15b) jeweils verbunden sind, und der erste/zweite Deckelkörper (57a, 57b, 157a, 157b) auf der Hauptoberfläche des Basiskörpers (56, 156) in der Nähe der ersten/zweiten Ausneh mung montiert ist, um die erste/zweite Ausnehmung zu bedecken.
Elektronische Vorrichtung mit: einer Brennstoffzelle (91; 101; 111; 121) nach Anspruch 5 oder 6 als Stromquelle, wobei der Basiskörper (76a; 76) aus einer Mehrschichtkeramik hergestellt ist und ein äußerer Verbindungsanschluss (82) in mindestens einem von dem Basiskörper (76a; 76) und dem Deckelkörper (77a; 77) geformt ist.
Elektronische Vorrichtung mit: der Brennstoffzelle (151) nach Anspruch 7 als Stromquelle, wobei der Basiskörper (156) aus einer Mehrschichtkeramik geformt ist und ein externer Verbindungsanschluss (162) in mindestens einem des Basiskörpers (156), des ersten Deckelkörpers (157a) und des zweiten Deckelkörpers (157b) geformt ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der eine interne Schaltung in dem Basiskörper (76a, 77) geformt ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, worin der Basiskörper (76a, 76) eine elektronische Komponente hat, die auf seiner Oberfläche so angeordnet ist, dass sie elektrisch mit dem internen Schaltkreis verbunden ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, worin eine piezoelektrische Pumpe teilweise entlang einem von den deren und zweiten Fluidkanälen (78, 79) angeordnet ist.