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Grundlagen der Erfindung
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die ein Zellenmodul
mit einer hohlen Elektrolytmembran aufweist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische
Energie um durch Bereitstellen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels an
zwei Elektroden, die elektrisch angeschlossen sind und wobei der
Brennstoff elektrochemisch oxidiert wird. Im Gegensatz zu der thermischen
Leistungserzeugung stellen Brennstoffzellen eine gute Energieumwandlungseffizienz
infolge dessen bereit, dass sie nicht den Beschränkungen des Carnot'schen Kreisprozesses
unterworfen sind. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind Brennstoffzellen,
die eine Festpolymerelektrolytmembran als Elektrolyt verwenden.
Diese Brennstoffzellen sind insoweit vorteilhaft, als dass sie bei
niedrigen Temperaturen betrieben werden und auf einfache Weise klein
gehalten werden können,
wodurch sie insbesondere als Kraftfahrzeug-Leistungsquellen sowie
als Leistungsquellen im Allgemeinen für mobile Objekte attraktiv
sind.
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In
einer typischen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle findet
die Reaktion gemäß dem Ausdruck
(1) bei der Anode statt, wenn Wasserstoff als Brennstoff zugeführt wird. H2 → 2H+
+ 2e– Ausdruck (1)
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Die
gemäß dem Ausdruck
(1) erzeugten Elektronen durchlaufen eine externe Schaltung und führen einer
externen Last Leistung zu, worauf sie wieder an der Kathode ankommen.
Die gemäß dem Ausdruck
(1) erzeugten Protonen bewegen sich durch die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle
von der Anodenseite zu der Kathodenseite in einem hydratisierten
Zustand durch Elektroosmose.
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Wird
Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt, dann verläuft eine
gemäß dem Ausdruck
(2) dargestellte Reaktion bei der Kathode. 2H+ + (1/2)O2 + 2e– → H2O Ausdruck (2)
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Das
bei der Kathode erzeugte Wasser strömt durch eine Gasdiffusionsschicht
und wird sodann nach außerhalb
der Brennstoffzelle entladen. Somit stellen Brennstoffzellen eine
saubere Leistungserzeugungseinrichtung dar, die lediglich Wasser
abgibt.
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Bekanntermaßen weisen
die meisten Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die entwickelt wurden,
einen Brennstoffzellenstapel auf, bestehend aus einer Vielzahl von
gestapelten flachen einzelnen Zellen. Diese einzelnen Zellen werden
hergestellt durch Bereitstellen einer Anodenkatalysatorschicht auf
einer Seite einer planaren Festpolymerelektrolytmembran und einer
Kathodenkatalysatorschicht auf der anderen Seite der Membran zur
Bildung einer Planarmembranelektrodenanordnung (planar membrane-electrode
assembly, MEA). Eine Gasdiffusionsschicht wird sodann auf beiden
Seiten der Membranelektrodenanordnung ausgebildet. Schließlich wird
die Membranelektrodenanordnung zwischen planaren Trennungseinrichtungen
(Separatoren) eingeschlossen.
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Zur
Verbesserung der Leistung der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle
wird gegenwärtig
eine sehr dünne
protonenleitende Polymermembran als Festpolymerelektrolytmembran
verwendet. Die Dicke dieser Membran liegt im Allgemeinen bei 100 μm oder weniger.
Wird eine dünnere Elektrolytmembran
zur weiteren Verbesserung der Leistung verwendet, dann kann die
einzelne Zelle jedoch nicht erheblich dünner ausgeführt werden als sie gegenwärtig ist.
In gleicher Weise werden die Katalysatorschichten, die Gasdiffusionsschicht
und die Separatoren und dergleichen dünner ausgeführt, aber auch wenn sämtliche
der Teile dünner
ausgeführt
werden, besteht jedoch noch immer eine Grenze im Hinblick darauf,
wie die Leistung je Volumeneinheit verbessert werden kann.
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Ferner
wird ein Kohlenstoffmaterial in Blattform, das hochkorrosionsbeständig ist,
normalerweise als Separator verwendet. Das Kohlenstoffmaterial selbst
ist sehr teuer. Da ferner Riefen (Rillen) als Gasströmungspfade
im Allgemeinen in einem Mikroverarbeitungsverfahren in die Oberfläche des
Separators eingearbeitet werden, um es dem Brennstoffgas und dem
Oxidationsgas zu erlauben, im Wesentlichen in ebener Weise sich
bezüglich
der gesamten Oberfläche
der Planarmembranelektrodenanordnung zu verteilen, sind die Kosten
der Separatoren extrem hoch, so dass dadurch die Herstellungskosten
der Brennstoffzelle ebenfalls ansteigen.
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Zusätzlich zu
den vorstehend angegebenen Problemen bestehen jedoch noch weitere
Probleme. Beispielsweise ist das sichere Abdichten des Bereichs
um die Vielzahl der gestapelten einzelnen Zellen, so dass das Brennstoffgas
und das gasförmige Oxidationsmittel
(Gasoxidationsmittel) nicht aus den Gasströmungspfaden austreten kann,
bei flachen Einzelzellen technisch schwierig. Ebenso führt das Biegen
oder Deformieren der planaren Membranelektrodenanordnung im Ergebnis
zu einer Verminderung der Leistungserzeugungseffizienz.
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In
früheren
Jahren wurden Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen entwickelt, bei denen
die Leistungserzeugung grundsätzlich
auf einem Zellenmodul beruht, das eine an beiden inneren Oberflächenseiten
und der äußeren Oberflächenseite
einer hohlen Elektrolytmembran ausgebildete Elektrode aufweist (beispielsweise
JP-09-223507 A ,
JP 2002-124273 A ,
JP 2002-158015 A ,
und
JP 2002-260685 A ).
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Eine
Brennstoffzelle mit dieser Art des hohlen Zellenmoduls erfordert
normalerweise nicht die Verwendung eines Teils entsprechend einem
Separator, der bei einer flachen Brennstoffzelle verwendet wird.
Da ferner Leistung erzeugt wird durch Zuführen eines unterschiedlichen
Typs eines Gases zu der inneren Seite im Vergleich zu dem, das der
Außenseite zugeführt wird,
besteht ebenfalls kein besonderer Bedarf an der Ausbildung von Gasströmungspfaden. Daher
sind in diesem Fall niedrige Herstellungskosten zu erwarten. Ferner
weist das Zellenmodul eine dreidimensionale Form auf, so dass der
spezifische Oberflächenbereich
(Fläche)
bezüglich
des Volumens größer ist
als im Fall der flachen Einzelzelle, so dass auch in diesem Fall
eine Vergrößerung der
Leistungserzeugung je Volumen erwartet werden kann.
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In
einer Brennstoffzelle mit einem hohlen Zellenmodul, wie es vorstehend
beschrieben wurde, wird normalerweise ein Gas einschließlich Wasserstoff
oder ein gasförmiges
Oxidationsmittel wie Luft dem inneren hohlen Teil zugeführt, und
ein gasförmiges
Oxidationsmittel wie Luft oder ein Brennstoffgas einschließlich Wasserstoff,
das mit dem dem inneren hohlen Teil zugeführten Gas reagieren wird, wird
dem äußeren Bereich
des Zellenmoduls zugeführt.
Viele Elektrolytmembranen sind protonenleitend, so dass sich Protonen
in einen hydratisierten Zustand mittels Elektroosmose durch die
Festpolymerelektrolytmembran von der Anodenseite (Brennstoffelektrodenseite)
zu der Kathodenseite (Oxidationsmittelelektrodenseite) bewegen,
wie es in Verbindung mit dem vorstehenden Ausdruck (1) beschrieben
ist. Wird somit der hohle innere Teil zur Anode gemacht und wird Leistung
durch Zuführen
von Wasserstoff zu derselben erzeugt, dann kann ein Mangel an Feuchtigkeit bei
der Anode und der Elektrolytmembran auf der Anodenseite auftreten.
Im Ergebnis kann eine gute Leistungserzeugung nicht länger erhalten
werden.
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Die
Druckschrift
JP 09-223507
A offenbart eine Brennstoffzelle, in der eine positive
Elektrode und eine negative Elektrode auf einem Teil eines Polymerelektrolythohlfaserstoffs
als Leistungserzeugungsteil ausgebildet ist, und es wird ein Befeuchtungsteil
an einem anderen Ort als dem Leistungserzeugungsteil des Polymerelektrolythohlsystems
angeordnet. Bei dieser Brennstoffzelle wird Luft als Oxidationsmittel
zu der äußeren Oberfläche des
Polymerelektrolythohlsystems des Leistungserzeugungsteils entionisiertes
Wasser der äußeren Oberfläche des
Polymerelektrolythohlsystems des Befeuchtungsteils und Wasserstoff
als Brennstoff zu der inneren Oberfläche des Polymerelektrolythohlsystems zugeführt. Infolge
der Eigenschaft des Polymerelektrolyts, der lediglich die Durchdringung
von entionisiertem Wasser erlaubt, wird der Wasserstoff, der durch
die innere Oberfläche
des Polymerelektrolythohlsystems dringt, in dem Befeuchtungsteil
befeuchtet. Die Zuführung
dieses befeuchteten Wasserstoffs zu dem Leistungserzeugungsteil
verhindert, dass der Leistungserzeugungsteil (d. h. die Anode) auf
der inneren Oberfläche
des Hohlsystems trocken wird. Entsprechend diesem Aufbau wird jedoch
ein Teil der Oberfläche
des Polymerelektrolythohlsystems nicht als Elektrode verwendet,
so dass hierdurch die Elektrodenfläche (Elektrodenbereich) beschränkt ist.
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Die
Druckschrift
WO 02/09212
A1 beschreibt eine mikrozelluläre elektrochemische Vorrichtung und
Anordnungen sowie entsprechende Herstellungs- und Verwendungsverfahren.
Mikrozelluläre Strukturen
und Anordnungen werden hierbei für
eine elektrochemische Erzeugung/Umwandlung von Energie verwendet.
Die mikrozellulären
Strukturen werden aus diskreten mikrozellulären Faserelementen aufgebaut,
die in einer Folienform hergestellt werden und in geschichteter,
gebündelter
Konstellation zusammengefügt
sind. Sie werden zur Energieerzeugung in Brennstoffzellen und Batteriesystemen
eingesetzt.
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Angesichts
der vorstehenden Probleme stellt die Erfindung eine Brennstoffzelle
mit einem hohlen Zellenmodul bereit, das mit einer Befeuchtungseinrichtung
ausgestattet ist zum effektiven Verhindern des Austrocknens des
Zellenmoduls.
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Dies
wird durch ein Zellenmodul für
eine Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch
1 und eine Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch
6 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Zur
Lösung
der vorstehend angegebenen Probleme umfasst ein Zellenmodul für eine Brennstoffzelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Zellenmodulkörper
einschließlich
eines Paars von Elektroden, von denen eine an der inneren Oberfläche einer
hohlen Elektrolytmembran und die andere an der äußeren Oberfläche der
hohlen Elektrolytmembran angeordnet ist, und Kollektoren, wobei
ein entsprechender der Kollektoren in Kontakt mit einer jeweiligen
der Elektroden des Zellenmodulkörpers steht,
und die Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass ein aus
einem wasserdurchlässigen Material
hergestellten Hohlkörper,
der einen Außendurchmesser
aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Zellenmodulkörpers und
der einen hohlen Teil aufweist, der in der Lage ist, Wasser zuzuführen, innerhalb
des hohlen Teils des Zellenmodulkörpers angeordnet ist. Das Zellenmodul
ist ferner in der Weise aufgebaut, dass die Wasserdurchlässigkeit
(Permeabilität)
des wasserdurchlässigen
Hohlkörpers
von der stromauf liegenden Seite in Richtung der stromab liegenden
Seite bezüglich
der Strömung des
Reaktionsgases, das in dem hohlen Teil des Zellenmodulkörpers strömt, verschlechtert
wird bzw. abnimmt.
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Da
ein wasserdurchlässiger
Hohlkörper,
der einen Außendurchmesser
aufweist, der kleiner ist als ein Innendurchmesser des Zellenmodulkörpers und der
ausgestattet ist mit einem hohlen Teil und in der Lage ist, Wasser
zuzuführen,
innerhalb des hohlen Teils des Zellenmodulkörpers in dieser Weise angeordnet
ist, wobei Wasser dem wasserdurchlässigen Hohlkörper und
zu dem Außenbereich
des wasserdurchlässigen
Hohlkörpers
zugeführt
wird, wird für die
Elektrode und für
die Elektrolytmembran eine Durchfeuchtung von der inneren Oberflächenseite des
Zellenmoduls ermöglicht.
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In
dem Zellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung
kann ferner der wasserdurchlässige
Hohlkörper
einen rohrförmigen
Aufbau aufweisen, bei welchem beide Enden geöffnet sind, und in welchem Wasser
von einer Endseite des hohlen Teils zu der anderen Endseite desselben
strömen
kann. Ferner kann der wasserdurchlässige Hohlkörper ebenfalls rohrförmig ausgebildet
sein, wobei lediglich ein Ende geöffnet ist.
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Ferner
kann das Zellenmodul einen derartigen Aufbau aufweisen, dass eine
Elektrode, die Wasser erzeugt, an der äußeren Oberflächenseite
der hohlen Elektrolytmembran ausgebildet ist. Ferner kann das Zellenmodul
in der Weise aufgebaut sein, dass eine Elektrode, die kein Wasser
erzeugt, an der inneren Oberflächenseite
der hohlen Elektrolytmembran ausgebildet ist.
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Eine
Brennstoffzelle mit diesem Zellenmodul für eine Brennstoffzelle ist
in der Lage, eine ausreichende Befeuchtung zu bewirken, wodurch
die Möglichkeit
einer verschlechterten Leistung vermindert wird, die auftritt, wenn
die Elektrode und die Elektrolytmembran trocken werden.
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Bezüglich der
Brennstoffzelle und des Zellenmoduls für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung wird Wasser zu dem wasserdurchlässigen Hohlkörper in
den hohlen Teil der hohlen Elektrolytmembran zugeführt, so
dass die Elektrode und die Elektrolytmembran von der inneren Oberflächenseite
des Zellenmoduls befeuchtet wird. Im Ergebnis besteht eine geringere
Wahrscheinlichkeit, dass die Elektrode und die Elektrolytmembran
bei der Leistungserzeugung trocken werden.
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Die
Brennstoffzelle mit dieser Art des Zellenmoduls ist in der Lage,
in angemessener Weise die Feuchtigkeit der Elektrolytmembran zu
handhaben, ungeachtet der äußeren Feuchtigkeit
oder der Dauer der Leistungserzeugung. Im Ergebnis kann eine stabile
Leistungserzeugung gewährleistet
werden.
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Im
Einzelnen kann eine große
Befeuchtungswirkung erhalten werden, und es besteht die Möglichkeit
der einfachen Handhabung der Feuchtigkeit, wenn ein Aufbau verwendet
wird, bei dem eine Elektrode, die Wasser erzeugt, an der äußeren Oberflächenseite
der hohlen Elektrolytmembran eines Zellenmoduls angeordnet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Zellenmoduls gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Zellenmodulanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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3 eine
schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels der
Art und Weise, in der Zellenmodulanordnungen miteinander verbunden
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachstehend
wird eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem beispielhaften Fall beschrieben, bei welchem
eine fluorierte Ionenaustauschharzmembran, die eine Art der protonenleitenden
Membran ist, als Elektrolytmembran verwendet wird.
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Zuerst
wird eine Brennstoffzelle gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Zellenmoduls, bei der ein
Teil der Aufbaukomponenten bzw. Teile zur Erleichterung des Verständnisses
weggeschnitten sind. 2 zeigt eine perspektivische
Darstellung einer Zellenmodulanordnung, bei der fünf Zellenmodule
zusammengesetzt wurden. Teile einer Frontplatte 52 und
einer Seitenplatte 51 auf der nahen Seite in der Figur
wurden zur Erleichterung des Verständnisses transparent dargestellt. 3 zeigt
eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels,
in welcher Weise Zellenmodulanordnungen miteinander verbunden sind.
Ein Zellenmodul 10 gemäß der Darstellung
in 1 ist hohl, d. h. ist rohrförmig ausgebildet, wobei beide
Enden offen sind. Das Zellenmodul 10 umfasst eine rohrförmige Elektrolytmembran
(eine fluorierte Ionenaustauschharzmembran) 11, eine Membranelektrodenanordnung 18,
d. h. den Zellenmodulkörper in
diesem veranschaulichten Ausführungsbeispiel, der
eine erste Elektrode (in diesem Fall eine Anode) 16, die
an der inneren Oberflächenseite
der Elektrolytmembran 11 ausgebildet ist, und eine zweite
Elektrode (in diesem Fall eine Kathode) 17 umfasst, die an
der äußeren Oberflächenseite
der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, einen ersten Kollektor 21,
der in einem hohlen Teil 19 des Zellenmoduls 10 angeordnet
ist und in engem Kontakt mit der Oberfläche auf der inneren Oberflächenseite
der ersten Elektrode 16 steht, einen zweiten Kollektor 22,
der in engem Kontakt mit der äußeren Oberflächenseite
des Zellenmoduls 10 steht, und ein Befeuchtungsrohr 31, das
in den hohlen Teil 19 eingesetzt ist.
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Das
Zellenmodul 10 in diesem Ausführungsbeispiel ist dadurch
charakterisiert, dass es hohl ist. Insbesondere ist das Zellenmodul 10 in
diesem Ausführungsbeispiel
rohrförmig
ausgebildet, wobei es jedoch nicht auf die Röhrenform begrenzt ist, solange ein
hohler Teil ausgebildet ist, und man eine Reaktionskomponente, die
für die
elektrochemische Reaktion erforderlich ist, zu der ersten Elektrode
durch Strömen
eines Reaktionsgases in den hohlen Teil zuführen kann.
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Aus
einer Vielzahl von Gründen
ist es vorteilhaft, das Zellenmodul 10 hohl auszubilden.
Zwei große
Vorteile liegen im Einzelnen darin, dass das Erfordernis für einen
Separator (Trennungseinrichtung) nicht besteht, und dass die Elektrodenfläche vergrößert wird,
die zur Leistungserzeugung effektiv ist.
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Ferner
ist die fluorierte Ionenaustauschharzmembran 11 dieses
Ausführungsbeispiels
ebenfalls rohrförmig
mit beiden offenen Enden ausgeführt.
Der äußere Durchmesser
der rohrförmigen
hohlen Elektrolytmembran 11 ist nicht im Einzelnen beschränkt und
kann vorzugsweise 0.01 bis 10 mm betragen, einschließlich der
weiter bevorzugten Maße
von 0.1 bis 1 mm und einschließlich
der noch weiter bevorzugten Maße
von 0.1 bis 0.5 mm. Eine rohrförmige hohle
Elektrolytmembran 11 mit einem äußeren Durchmesser von weniger
als 0.01 mm gegenwärtig technisch
schwierig herzustellen. Bei einem äußeren Durchmesser von mehr
als 10 mm kann andererseits eine ausreichende Wirkung zum Verbessern
der Leistungserzeugung je Volumeneinheit des dadurch erhaltenen
Zellenmoduls jedoch infolge der Tatsache nicht erhalten werden,
dass die Oberfläche
bezüglich des
größten Volumens
nicht sehr groß werden
kann.
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Die
fluorierte Ionenaustauschharzmembran 11 ist zur Verbesserung
der Protonenleitfähigkeit
vorzugsweise dünn,
wobei jedoch in dem Fall, dass sie zu dünn ist, die Gastrennungsfunktion
verschlechtert wird, so dass dies zu einer Vergrößerung der Durchdringungsmenge
von aprotischem Wasserstoff (aprotic hydrogen) führt. Im Vergleich zu der entsprechenden
Brennstoffzelle, bei der flache Einzelzellen für eine Brennstoffzelle miteinander
gestapelt sind, kann jedoch bei einer Brennstoffzelle, die durch
Zusammensetzen vieler hohler Zellenmodule 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet ist, die Elektrodenfläche effektiv zur Erzeugung
der Leistung groß gemacht
werden, so dass eine ausreichende Ausgabe erhalten werden kann,
auch wenn eine relativ dicke Membran verwendet wird. Gemäß dieser
Betrachtung liegt die Dicke der fluorierten Ionenaustauschharzmembran 11 typischerweise
in einem Bereich von 10 bis 100 μm,
vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 60 μm, weiter vorzugsweise in einem Bereich
von 50 bis 55 μm.
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Bezüglich des
bevorzugten Bereichs des vorstehend angegebenen äußeren Durchmessers und der
Membrandicke liegt der bevorzugte Bereich für den inneren Durchmesser bei
0.1 bis 10 mm, weiter vorzugsweise in einem Bereich von 0.1 bis
1 mm und weiter vorzugsweise in einem Bereich von 0.1 bis 0.5 mm.
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Die
fluorierte Ionenaustauschharzmembran 11 besteht vorzugsweise
aus einem Polymer mit einem Polyolefinskelett, in welchem ein Teil
oder der ganze Wasserstoff durch Fluor ersetzt wurde, und das eine
Protonenaustauschgruppe an einer Seitenkette aufweist. Einige bevorzugte
Beispiele der Protonenaustauschgruppe umfassen eine Sulfonsäuregruppe,
eine Phosphorsäuregruppe
und eine Phosphatgruppe. Ein im Einzelnen bevorzugtes fluoriertes Ionenaustauschharz
ist ein Perfluorcarbon-Polymer mit einer Sulfonsäuregruppe (beispielsweise ein
Perfluorcarbonsulfonsäurepolymer).
Einige Perfluorcarbonsulfonsäurepolymere
sind kommerziell verfügbar, wie
beispielsweise Nafion® von Dupont aus den USA und
Flemion® von
Asahi Glass Co., Ltd.
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Der
Gewichtsmittelwert des Molekulargewichts eines Polymers zur Ausbildung
der fluorierten Ionenaustauschharzmembran 11 liegt vorzugsweise bei
zumindest 5000 g/mol im Hinblick auf den Gesichtspunkt der Haltbarkeit.
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Ferner
beschreibt dieses Ausführungsbeispiel
die fluorierte Ionenaustauschharzmembran 11, die eine Festpolymerelektrolytmembran
ist, d. h. eine Art der Protonenleitungsmembran zur Verwendung als
Elektrolytmembran 11. Die Brennstoffzelle dieser Erfindung
umfasst das hohle Zellenmodul 10, bei dem es möglich ist,
die Elektrodenfläche
je Einheit des Volumens groß auszuführen im
Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit einer flachen Zelle. Auch wenn
eine Elektrolytmembran verwendet wird, die keine so gute Protonenleitfähigkeit
wie diejenige der Perfluorcarbonsulfonsäuremembran aufweist, kann noch
immer eine Brennstoffzelle erhalten werden, die eine hohe Leistung
je Volumeneinheit aufweist. Als Festpolymerelektrolytmembran können zusätzlich zur
Perfluorcarbonsulfonsäure
die meisten Materialien, die für
die Elektrolytmembranen der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen
verwendet werden, verwendet werden. Dies umfasst beispielsweise ein
Material mit zumindest einem Typ der Protonenaustauschgruppe wie
eine Sulfonsäuregruppe,
eine Phosphorsäuregruppe
und eine Phosphatgruppe, die als ein Skelett Kohlenwasserstoff aufweist,
wie ein Polyolefin von beispielsweise einer Polystyrenkationenaustauschmembran
mit einer Sulfonsäuregruppe,
und einer Festpolymerelektrolytmembran bestehend aus einem Komplex
einer starken Säure
und eines basischen Polymers, in welchem ein basisches Polymer wie
Polybenzimidazol, Polypyrimidin oder Polybenzoxazole mit einer starken
Säure dotiert
wurde.
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Ferner
ist die protonenleitende Elektrolytmembran nicht auf eine Festpolymerelektrolytmembran
gemäß der vorstehenden
Beschreibung beschränkt.
Alternativ kann beispielsweise eine mit einer wässrigen Phosphorsäurelösung imprägnierte poröse Elektrolytplatte,
Phosphatglas in Hydro-Gelform, eine organische-anorganische Hybrid-Protonleitungs-Membran,
bei der eine Protonenleitungsfunktionsgruppe in Mikroöffnungen
eingesetzt und auf eine Oberfläche
des porösen
Glases mit Nanoporen angesetzt wurde, oder eine Elektrolytpolymermembran
verwendet werden, die mit einem anorganischen Metall faserverstärkt ist.
Die Elektroden 16 und 17, die jeweils an der inneren
Oberfläche
und der äußeren Oberfläche der
Elektrolytmembran (d. h. der fluorierten Ionenaustauschharzmembran) 11 angeordnet
sind, können
unter Verwendung von Elektrodenmaterial ausgebildet sein, wie dasjenige,
das in einer typischen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle verwendet
wird. Üblicherweise
wird eine Elektrode verwendet, die aus Katalysatorschicht und Gasdiffusionsschicht
besteht, die miteinander laminiert sind.
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Die
Katalysatorschichten 12 und 13 umfassen Katalysatorpartikel
und können
ebenfalls ein protonenleitendes Material umfassen zur Vergrößerung der
Verwendbarkeit der Katalysatorpartikel. Für dieses protonenleitende Material
kann ein Material verwendet werden, wie es als Material der Elektrolytmembran
verwendet werden kann. Als Katalysatorpartikel werden vorzugsweise
Katalysatorpartikel verwendet, bei denen die Katalysatorkomponente
auf einem leitenden Material wie Kohlenstoff, beispielsweise kohlenstoffhaltige
Partikel oder kohlenstoffhaltige Fasern gehalten werden. Da die Brennstoffzelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein hohles Zellenmodul aufweist, ist die Elektrodenfläche je Volumeneinheit
in der Lage, groß ausgeführt zu werden,
im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit einer flachen Zelle. Auch
wenn eine Katalysatorkomponente verwendet wird, die keine Katalysatorwirkung
in der Größe wie im
Falle von Platin aufweist, kann nach wie vor eine Brennstoffzelle
erhalten werden, die eine hohe Leistung je Volumeneinheit aufweist.
Die Katalysatorkomponente ist nicht im Einzelnen beschränkt, solange
sie eine Katalysatorwirkung bezüglich
einer oxidierenden Reaktion des Wasserstoffs bei der Anode und einer
reduzierenden Reaktion des Sauerstoffs bei der Kathode aufweist.
Beispielsweise kann die Katalysatorkomponente ausgewählt werden
aus einem Metall wie Platin, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium,
Osmium, Wolfram, Blei, Eisen, Chrom, Kobalt, Nickel, Mangan, Vanadium,
Molybdän,
Gallium, Aluminium, oder einer Legierung derselben. Vorzugsweise
besteht die Katalysatorkomponente aus Platin oder einer Legierung
aus Platin und einem anderen Metall wie beispielsweise Ru.
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Für die Gasdiffusionsschichten 14 und 15 kann
ein leitendes Material verwendet werden, dessen Hauptkomponente
ein Kohlenstoffmaterial, wie kohlenstoffhaltige Partikel und/oder
kohlenstoffhaltige Fasern, ist, oder es kann ein poröses Metallmaterial,
wie Nickel oder ein rostfreier Stahl, verwendet werden, das eine
sehr gute Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosion aufweist. Vorzugsweise wird ein leitendes Material
verwendet, dessen Hauptkomponente ein Kohlenstoffmaterial, wie kohlenstoffhaltige
Partikel und/oder kohlenstoffhaltige Fasern, ist. Die Abmessungen
der kohlenstoffhaltigen Partikel und die Dicke und Länge der kohlenstoffhaltigen
Fasern können
in der Weise ausgewählt
werden, dass sie ein Optimum darstellen unter Berücksichtigung
unterschiedlicher Faktoren, wie des Dispersionsvermögens in
der Lösung,
wenn die Gasdiffusionsschichten 14 und 15 hergestellt
werden, und das Drainagevermögen
der erhaltenen Gasdiffusionsschichten 14 und 15.
Zur Vergrößerung des
Ableitens (Drainage) der Feuchtigkeit wie des erzeugten Wassers
werden die Gasdiffusionsschichten vorzugsweise imprägniert mit
beispielsweise Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid (PVDF),
Perfluorcarbonalkoxyalkan, Ethylen-Tetrafluoroethylenpolymer, oder
einem Gemisch derselben, zur Bildung einer wasserabweisenden Ausrüstung, bei
der beispielsweise eine wasserabweisende Schicht unter Verwendung
der vorstehend angegebenen Substanzen ausgebildet ist.
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Der
Aufbau der Elektroden 16 und 17, die jeweils an
der inneren Oberfläche
und der äußeren Oberfläche der
Elektrolytmembran 11 ausgebildet sind und die Materialien
zur Verwendung bei den Elektroden 16 (d. h. 12 und 14)
und 17 (d. h. 13 und 15) können dieselben
oder auch unterschiedliche sein.
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Die
Kollektoren sind leitende Körper
zum Leiten einer bei den Elektroden erzeugten elektrischen Ladung
zu einer externen Schaltung. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel
sind die Kollektoren Leitungsdrähte 21 und 22,
die mit einer Befestigung an den Gasdiffusionsschichten 14 und 15 ausgebildet
sind. Die Form und das Material der Kollektoren 21 und 22 ist
jedoch im Einzelnen nicht beschränkt.
Exemplarische Materialien der Kollektoren 21 und 22 sind
eine Folie oder Drähte
eines Metalls, wie eines rostfreien Stahls. Entsprechend einem Verfahren
zur Adhäsion
können
die Leitungsdrähte 21 und 22 an
den Elektroden mittels eines leitenden Kohlenstoff-Bindematerials oder
einer Silberpaste angesetzt werden.
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Nachstehend
wird nun das Befeuchtungsrohr 31 beschrieben, das ein wasserdurchlässiger Hohlkörper mit
einem hohlen Teil ist, der in der Lage ist, Wasser zuzuführen.
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Das
Befeuchtungsrohr 31, das in dem hohlen inneren Teil 19 des
Zellenmoduls 10 dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels
angeordnet ist, ist ein hohles Rohr (d. h. ein wasserdurchlässiger Hohlkörper), wie
es aus 1 ersichtlich ist, und besteht aus einem wasserdurchlässigen Material.
Wasser strömt durch
einen hohlen Teil 39 des Befeuchtungsrohrs 31 mittels
einer nicht gezeigten Wasserzirkulationseinrichtung. Dieses Wasser
dringt durch einen Wandbereich 32 des Befeuchtungsrohrs 31,
das aus dem wasserdurchlässigen
Material besteht, zu der Außenseite
des Befeuchtungsrohrs 31 und befeuchtet das dem hohlen
inneren Teil 19 des Zellenmoduls zugeführte Reaktionsgas in diesem
Bereich.
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Beispiele
eines wasserdurchlässigen
Materials umfassen eine Vielzahl von Typen von porösen Körpern und
wasserdurchlässigen
Harzen. Die Vielfalt der Typen von porösen Körpern umfasst ein poröses Glas,
eine poröse
Keramik, ein poröses
Metall, ein poröses
Karbon und ein poröses
Harz und dergleichen. Ferner umfassen Beispiele von wasserdurchlässigen Harzen
Perfluorcarbon-Sulfonsäure-Polymere
wie Nafion®,
und PTFE und dergleichen. Diese wasserdurchlässigen Materialien PTFE, PVPF und
dergleichen sind bevorzugt. Insbesondere wird PTFE oder Nylon im
Einzelnen bevorzugt.
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Der äußere Durchmesser
des Befeuchtungsrohrs 31 ist kleiner als der innere Durchmesser
des hohlen Teils 19 der Membranelektrodenanordnung 18.
Der Durchmesser des Befeuchtungsrohrs 31 ist vorzugsweise
zumindest 1 mm, und vorzugsweise zumindest 1.5 mm kleiner als der
innere Durchmesser des hohlen Teils 19 des Zellenmodulkörpers (d.
h. der Membranelektrodenanordnung 18 in diesem Fall). Alternativ
kann der Außendurchmesser
des Befeuchtungsrohrs 31 gleich oder kleiner als 60%, und vorzugsweise
gleich oder kleiner als 50% des inneren Durchmessers des hohlen
Teils 19 des Zellenmodulkörpers 18 sein. Die
Verwendung eines Befeuchtungsrohrs 31, das einen Außendurchmesser
aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser der Membranelektrodenanordnung 18 ist,
erzeugt auf diese Weise einen Raum zwischen der Membranelektrodenanordnung 18 und
dem Befeuchtungsrohr 31, durch welche das Reaktionsgas
strömen
kann.
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Die
Wasserdurchlässigkeit
des Befeuchtungsrohrs 31 kann beispielsweise durch Anpassen der
Dicke des Wandbereichs 32 des Befeuchtungsrohrs 31 gesteuert
werden. Wird ein poröses
Material verwendet, dann ist die Wasserdurchlässigkeit des Befeuchtungsrohrs 31 steuerbar
durch Anpassen des Lochverhältnisses
oder des mittleren Lochdurchmessers. Wird ferner ein wasserdurchlässiges Harz verwendet,
dann kann die Wasserdurchlässigkeit beispielsweise
gesteuert werden durch Anpassen des Verhältnisses der hydrophilen Funktionsgruppen zu
den hydrophoben Funktionsgruppen, die in dem Harz enthalten sind.
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Die
Wasserdurchlässigkeit
des Wandbereichs 32 des Befeuchtungsrohrs 31 kann
in der Richtung der Strömung
des Reaktionsgases abgestuft sein, das zur Außenseite des Befeuchtungsrohrs 31 strömt, d. h.
zu dem hohlen Teil 19 der Membranelektrodenanordnung 18.
Durch Ausgestalten der Wasserdurchlässigkeit des Befeuchtungsrohrwandbereichs 32 allmählich kleiner
von der stromauf liegenden Seite in Richtung der stromab liegenden Seite
der Strömung
des Reaktionsgases ist es möglich,
zu verhindern, dass das stromauf befeuchtete Reaktionsgas stromab
in übergroßer Weise
befeuchtet wird. Beispiele eines Verfahrens zum Abstufen der Durchlässigkeit
des Befeuchtungsrohrwandbereichs 32 umfasst die Verminderung
des mittleren Lochdurchmessers und das Vermindern des Lochverhältnisses
des Befeuchtungsrohrwandbereichs 32 von der stromauf liegenden
Seite zu der stromab liegenden Seite der Reaktionsgasströmung. Es
ist ebenfalls wirksam, allmählich
den Befeuchtungsrohrwandbereich 32 dicker auszugestalten,
von der stromauf liegenden Seite zu der stromab liegenden Seite
der Reaktionsgasströmung,
oder allmählich den
Außendurchmesser
des Befeuchtungsrohrs 31 kleiner auszugestalten und die
Dicke des Wandbereichs 32 nicht zu ändern.
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Mit
diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel
wird ein Beispiel beschrieben, bei welchem das rohrförmige Befeuchtungsrohr 31 als
der wasserdurchlässige
hohle Körper
verwendet wird. Der wasserdurchlässige
hohle Körper
ist jedoch nicht auf die rohrförmige
Ausgestaltung beschränkt.
Es kann jede beliebige Form verwendet werden, solange ein hohler
Körper
gebildet wird und Wasser innerhalb des Bereichs zugeführt werden
kann. Ferner sind in diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel beide Enden
des Befeuchtungsrohrs 31 offen. Alternativ kann jedoch
auch lediglich ein Ende offen sein. In diesem Fall kann die Membranelektrodenanordnung
feucht gehalten werden durch Zuführung
von Wasser von dem geöffneten
Bereich des wasserdurchlässigen Hohlkörpers, der
an einem Ende angeordnet ist, so dass dieses den Wandbereich des
wasserdurchlässigen
Hohlkörpers
nach der Außenseite
desselben durchdringt und das Reaktionsgas um diesen Bereich befeuchtet,
oder durch direktes Zuführen
des Wasser zu der in der Nähe
befindlichen Membranelektrodenanordnung.
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Ferner
ist das hohle Zellenmodul 10 zur Verwendung bei der Brennstoffzelle
gemäß dieser
Erfindung nicht auf den vorstehend beschriebenen beispielhaften
Aufbau beschränkt.
Alternativ kann eine Schicht, die anders ist als die Katalysatorschichten 12 und 13 und
die Gasdiffusionsschichten 14 und 15, vorgesehen
sein.
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Nachstehend
wird das Herstellungsverfahren des Zellenmoduls 10 im Einzelnen
beschrieben. Das Befeuchtungsrohr 31 wird einfach in den
hohlen Teil 19 des hohlen Zellenmoduls 10 eingesetzt.
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Zuerst
wird die Membranelektrodenanordnung 18 hergestellt, bei
der ein Elektrodenpaar auf einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche der
rohrförmigen
Elektrolytmembran 11 angeordnet ist. Das Herstellungsverfahren
ist jedoch nicht im Einzelnen darauf beschränkt. Beispielsweise kann das
Herstellungsverfahren ein Verfahren umfassen, bei dem eine rohrförmige Elektrolytmembran
zuerst ausgebildet ist und eine Lösung, die ein Elektrolyt und
Katalysatorpartikel umfasst, auf beiden inneren und äußeren Oberflächen der
Elektrolytmembran aufgebracht ist und sodann zur Bildung der Katalysatorschichten
getrocknet wird. Die beiden Katalysatorschichten werden sodann mit
einer Lösung
beschichtet, die Kohlenstoffpartikel und/oder Kohlenstofffasern
umfasst, die sodann zur Bildung der Gasdiffusionsschichten getrocknet
wird.
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Ein
alternatives Verfahren kann wie folgt ausgestaltet sein. Eine erste
Elektrode wird gebildet unter Verwendung eines Materials (d. h.
eines rohrförmigen
kohlenstoffhaltigen Materials), das in Rohrform ausgebildet ist
und wobei die Gasdiffusionsschicht der ersten Elektrode (einer Anode),
ein Kohlenstoffmaterial, wie kohlenstoffhaltige Partikel und/oder
kohlenstoffhaltige Fasern, umfasst, worauf sodann eine Beschichtung
der äußeren Oberfläche der
Gasdiffusionsschicht mit einer Lösung
erfolgt, die ein Elektrolyt und Katalysatorpartikel aufweist, und worauf
zur Bildung einer Katalysatorschicht eine Trocknung erfolgt. Die äußere Oberfläche dieser
Katalysatorschicht wird sodann mit einer Lösung beschichtet, die ein Elektrolyt
umfasst, der sodann zur Bildung einer Elektrolytmembranschicht getrocknet wird.
Danach wird eine Katalysatorschicht einer zweiten Elektrode (einer
Kathode) an der Außenseite
dieser Elektrolytmembranschicht gebildet, und es wird die äußere Oberfläche dieser
Kattalysatorschicht mit einer Lösung
beschichtet, die Kohlenstoffmaterial umfasst, das dann zur Bildung
einer Gasdiffusionsschicht getrocknet wird.
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Das
Verfahren zur Bildung der rohrförmigen Elektrolytmembran
ist im Einzelnen nicht beschränkt. Es
ist ebenfalls möglich,
eine kommerzielle Elektrolytmembran zu verwenden, die eine Röhrenform
aufweist. Es kann ebenfalls ein rohrförmiges kohlenstoffhaltiges
Material erhalten werden durch Verteilen von Kohlenstoffmaterial
wie von kohlenstoffhaltigen Partikeln und Epoxid und/oder einem
Phenolharz in einer Lösung,
und Ausbilden einer Röhrenform,
worauf ein Wärmehärten erfolgt
und danach ein Brennen.
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In
dem Herstellungsverfahren des Zellenmoduls gemäß der vorstehenden Beschreibung
kann die Lösung
zur Verwendung bei der Ausbildung der Elektrolytmembran, der Katalysatorschicht
und der Gasdiffusionsschicht in geeigneter Weise in Abhängigkeit
von dem zu verteilenden und/oder zu lösenden Material ausgewählt werden.
Das Anwendungsverfahren bei der Ausbildung dieser Schichten kann ferner
in angemessener Weise aus verschiedenen Verfahren ausgewählt werden,
wie einem Sprühverfahren
oder einem festen Auftrageverfahren.
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Die
Kollektoren 21 und 22 sind an der Elektrode beispielsweise
mittels eines leitenden Kohlenstoff-Bindematerials oder einer Silberpaste
gemäß der vorstehenden
Beschreibung angebracht. Die individuellen Zellenmodule 10,
die gemäß der vorstehenden
Beschreibung hergestellt und aufgebaut sind, werden in einem Gehäuse 50 in
Sätzen
einer angemessenen Anzahl angeordnet, um auf diese Weise, gemäß der Darstellung
in 2, eine Zellenmodulanordnung 100 zu bilden.
In diesem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel sind fünf Zellenmodule 10 in
einem Gehäuse 50 angeordnet
bzw. befestigt. Wie es nachstehend noch eingehend beschrieben wird,
werden die einzelnen Zellenmodule 10 befestigt, indem die
Außenseiten
der zweiten Elektroden 17 durch im Inneren angeordnete
Platten 54 und 64 gehalten werden und die Befeuchtungsrohre 31 durch
die Seitenplatten 51 und 61 des Gehäuses gestützt bzw.
getragen werden.
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Die äußere Form
des Gehäuses 50 wird durch
das Paar von Seitenplatten 51 und 61, ein Paar von
Frontplatten 52 und 62 und ein Paar von ebenen Platten 53 und 63 gebildet,
so dass sich insgesamt eine Form eines rechteckigen Festkörpers ergibt. Ferner
sind ein Paar von inneren Platten 54 und 64 innerhalb
des Gehäuses 50 angeordnet.
Sämtliche dieser
Platten zur Bildung des Gehäuses
bestehen aus einem isolierenden Material.
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Die
Seitenplatten 51 und 61 umfassen Befeuchtungsrohrtrageöffnungen 55 und 65,
die Öffnungen
mit kleinem Durchmesser darstellen und die an fünf Stellen, die zueinander
entsprechend einem vorbestimmten Intervalls beabstandet sind, vorgesehen sind,
sowie Brennstoffgasströmungsöffnungen 56 und 66,
die Öffnungen
mit einem größeren Durchmesser
bilden und bei den Endbereichen angeordnet sind. Die Befeuchtungsrohrtragöffnungen 55 und 65 sind Öffnungen,
die zum Tragen bzw. Stützen
der Befeuchtungsrohre 31 der Zellenmodule 10 verwendet werden.
Der Durchmesser der Befeuchtungsrohrtragöffnungen 55 und 65 ist
im Allgemeinen äquivalent
zu dem Außendurchmesser
der Befeuchtungsrohre 31. Ferner ist die Brennstoffgasströmungsöffnung 56 eine
Zuführungsöffnung für das mittels
einer nicht gezeigten Brennstoffgaszuführungseinrichtung zugeführte Brennstoffgas,
und die Brennstoffgasströmungsöffnung 66 ist
eine Entladeöffnung
für das Brennstoffgas,
so dass dieses entladen werden kann.
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Die
inneren Platten 54 und 64 sind Platten der gleichen
Größe wie die
Seitenplatten 51 und 61, und jede umfasst fünf Zellenmodultragöffnungen 57 und 67,
die Öffnungen
darstellen zum Tragen der äußeren Oberflächenseite
der Zellenmodule 10. Die Durchmesser der Zellenmodultragöffnungen 57 und 67 sind
im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser
der Zellenmodule 10. Die inneren Platten 54 und 64 sind
parallel zu den Seitenplatten 51 und 61 des Gehäuses 50 und
entsprechend vorbestimmter Abstände
von den Seitenplatten 51 und 61 angeordnet.
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Auf
diese Weise wird das Zellenmodul 10 in dem Gehäuse 50 in
der Zellenmodulanordnung 100 gemäß der Darstellung in 2 eingepasst
und fixiert.
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Ferner
sind Oxidationsmittelgasströmungsöffnungen 58 und 68,
die die Strömung
des Reaktionsgases (Luft in diesem Fall) zu der Außenseite
des Zellenmoduls 10 ermöglichen,
in einem Bereich angeordnet, der zwischen den Befestigungen des
Paar von inneren Platten 54 und 64 dazwischen
angeordnet ist, d. h. in einem Bereich in der relativen Mitte in den
ebenen Platten 53 und 63 des Gehäuses 50.
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Obwohl
dies nicht gezeigt ist, sind die Kollektoren 21 und 22 der
individuellen Zellenmodule 10 miteinander parallel geschaltet
und an einem Ende in einem externen Anschluss der Zellenmodulanordnung 100 zusammengeführt.
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3 zeigt
eine Darstellung zur Veranschaulichung der Zellenmodulanordnungen 100,
die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt sind und ferner
zu einer Brennstoffzelle 200 zusammengesetzt sind. In Rahmen
der Verwendung bei einer Brennstoffzelle 200 wird in der
Realität
eine angemessene Anzahl von Zellenmodulanordnungen 100 miteinander
parallel geschaltet. Die Brennstoffzelle 200 kann gebildet
werden zu Ausgabe einer hohen Spannung durch Verbinden einer noch
größeren Anzahl
der zusammengesetzten Zellenmodulanordnung 100 miteinander
in Reihe.
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Nachstehend
wird der Mechanismus zum Befeuchten während der Leistungserzeugung
des Zellenmoduls 10 gemäß diesem
veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
beschrieben.
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Gemäß der Darstellung
in 2, wobei das Zellenmodul 10 an dem Gehäuse 50 angeordnet
ist, wird ein Oxidationsgas (Luft im vorliegenden Fall) über die
Oxidationsgasströmungsöffnungen 58 zu der äußeren Oberflächenseite
des Zellenmoduls 10 zugeführt, während ein Brennstoffgas (Wasserstoffgas
im vorliegenden Fall) von den Brennstoffgasströmungsöffnungen 56 zu einem
Ende des hohlen Teils 19 des Zellenmoduls 10 zugeführt wird.
Ferner wird Wasser in den hohlen Bereich 39 des Befeuchtungsrohrs 31 gepumpt.
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Das
Wasserstoffgas wird von einem Ende des hohlen Bereichs 19 des
Zellenmoduls zugeführt, strömt entlang
der äußeren Wand
des Befeuchtungsrohrs 31 und wird an dem anderen Ende entladen.
Da das Befeuchtungsrohr 31 aus einer wasserdurchlässigen Substanz
besteht, strömt
das Wasser durch den hohlen Bereich 39 des Befeuchtungsrohrs
und durchdringt den Wandbereich 32 desselben zur Außenseite
des Befeuchtungsrohrs 31, d. h. es erreicht den hohlen
Teil 19 des Zellenmoduls, in welchem es entweder verdampft
oder aus dem hohlen Bereich des Zellenmoduls entladen wird, da es
sich in einem flüssigen
Zustand befindet.
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In
dem Zellenmodul 10 dieses veranschaulichenden Ausführungsbeispiels
ist das Zellenmodul 10 in der Lage, von der inneren Oberflächenseite
des hohlen Teils 19 befeuchtet zu werden. Im Ergebnis kann
das Wasserstoffgas in der Weise befeuchtet werden, dass die Membranelektrodenanordnung 18 feucht
gehalten werden kann.
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Gemäß der Darstellung
durch das veranschaulichende Ausführungsbeispiel wird es durch
die Erfindung möglich,
zu verhindern, dass ein Zellenmodul austrocknet, auch wenn eine
Elektrode, die nicht durch die Elektrodenreaktion Wasser erzeugt,
an der inneren Oberflächenseite
des Zellenmoduls vorgesehen ist, indem ermöglicht wird, dass das Zellenmodul in
ausreichender Weise befeuchtet oder mit Wasser benetzt wird, von
der inneren Oberflächenseite
des Zellenmoduls.
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Gemäß der Erfindung
wird Feuchtigkeit auf diese Weise nach innerhalb des hohlen Bereichs
des Zellenmoduls zugeführt,
der ein schmaler Raum ist. Im Ergebnis wird die Feuchtigkeitsgröße oder
die Wasserzufuhrmenge nicht durch die äußere Atmosphäre beeinträchtigt,
wodurch eine stabile Zuführung einer
speziellen Menge an Feuchtigkeit oder Wasser gewährleistet ist. Wird im Gegensatz
dazu die Befeuchtung von der äußeren Oberflächenseite
des Zellenmoduls durchgeführt,
dann ist der zu befeuchtende Raum größer und offen, und es wird
schwieriger, eine feste Größe bzw.
einen festen Betrag der Befeuchtung zu erreichen.
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In
diesem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
kann entweder ein Brennstoffgas oder ein Oxidationsgas dem hohlen
inneren Teil des Zellenmoduls zugeführt werden. Aus der Sicht der
Handhabung bzw. Steuerung der Feuchtigkeit besteht eine große Wirkung
des Befeuchtens des Zellenmoduls von der inneren Oberflächenseite
des Zellenmoduls, wenn eine Elektrode, die nicht Wasser erzeugt,
an der inneren Oberflächenseite
des Zellenmoduls angeordnet ist, und eine Elektrode, die Wasser
erzeugt, an der äußeren Oberflächenseite
des Zellenmoduls angeordnet ist. Die Anode (Brennstoffelektrode)
in einer typischen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist
eine Elektrode, die kein Wasser erzeugt. Bei der Anwendung der Erfindung
bei einer derartigen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist es bevorzugt, die
innere Oberflächenseite
des Zellenmoduls zur Anode zu machen und Brennstoffgas, wie beispielsweise
Wasserstoff, zuzuführen,
wie es in dem vorstehend angegebenen exemplarischen Ausführungsbeispiel
gezeigt ist. Die Zuführung
des Brennstoffgases in den hohlen Teil, wie sie im vorliegenden
Fall erfolgt, ist günstiger
für das
Abdichten des Gases.
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Das
Zellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung
kann ebenfalls ein hohles Zellenmodul sein, das einen hohlen Elektrolyten
aufweist und bei welchem ein Ende desselben geschlossen ist. Da
somit ein Ende des hohlen inneren Teils des Zellenmoduls geschlossen
ist, ist es in diesem Fall bevorzugt, dass das Reaktionsgas, das
in den hohlen inneren Teil eingeleitet wird, vollständig innerhalb
des Rohrs aufgenommen wird. Typischerweise besteht lediglich ein
Drittel oder weniger des gesamten verwendeten Oxidationsgases aus
Sauerstoff, so dass auch in dem Fall, dass sämtlicher Sauerstoff durch die
Elektrodenreaktion aufgenommen wurde, ein nichtreaktives Gas zurück verbleibt,
dessen Hauptbestandteil Stickstoff ist. Es ist angesichts dessen
bevorzugt, dass das Reaktionsgas oder das Reaktionsfluid, das in
den hohlen inneren Teil eingeführt
wird, das Brennstoffgas ist, und dass ein Oxidationsgas, wie Luft,
der äußeren Oberflächenseite
zugeführt
wird.