DE112006000121T5

DE112006000121T5 - Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle und Brennstoffzelle hohler Bauart

Info

Publication number: DE112006000121T5
Application number: DE112006000121T
Authority: DE
Inventors: Shigeaki Murata; Haruyuki Nakanishi; Masahiro Imanishi; Yoshihisa Tamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-02-04
Also published as: CA2587705A1; DE112006000121B4; WO2006083037A1; CA2587705C; US20080124597A1; US8283084B2

Abstract

Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die eine Festelektrolytmembran mit hohler Form, eine auf der Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete äußere Elektrodenschicht und eine auf der Innenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete innere Elektrodenschicht umfasst, wobei die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle in Form einer Spirale ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die dadurch, dass sie hohlförmig ausgebildet ist, eine Kostensenkung und Größenreduktion ermöglicht.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Brennstoffzelle hohler Bauart mit einer solchen Membran-Elektroden-Einheit und insbesondere auf eine Brennstoffzelle hohler Bauart, die dazu imstande ist, die Wärmeaustauschfähigkeit der Membran-Elektroden-Einheit zu verbessern.
Stand der Technik
Als Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle (im Folgenden einfach als Brennstoffzelle bezeichnet) ist bislang in erster Linie eine flächenförmige Mikrozelle entwickelt worden, die hergestellt wird, indem jeweils auf einer Oberfläche und der anderen Oberfläche einer flächenförmigen Festpolymerelektrolytmembran Katalysatorschichten, die als eine Anode und eine Kathode dienen sollen, und auf beiden Seiten der erzielten flächenförmigen Membran-Elektroden-Einheit (eine Einheit, die die Elektrolytmembran und die Elektrodenschichten umfasst) Gasdiffusionsschichten angeordnet werden und die Einheit außerdem zwischen flächenförmigen Separatoren angeordnet wird. Eine Mikrozelle stellt die kleinste Größe einer Stromerzeugungseinheit einer Brennstoffzelle dar, wobei durch Stapeln einer Vielzahl solcher flächenförmiger Mikrozellen ein Brennstoffzellenstapel erzielt wird.
Um die Leistungsdichte der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu verbessern, wird als Festpolymerelektrolytmembran eine Protonen leitende Polymermembran mit sehr geringer Membrandicke verwendet. Die Membrandicke beträgt oft 10 μm oder weniger, doch lässt sich, obwohl eine solch dünne Elektrolytmembran zur Verbesserung der Leistungsdichte verwendet wird, die Dicke der Mikrozelle nicht über das übliche Maß hinaus stark verkleinern. Entsprechend wird auch eine Katalysatorschicht, eine Gasdiffusionsschicht, ein Separator oder dergleichen einer Dickenreduktion unterzogen. Allerdings ist die Verbesserung der Leistungsdichte pro Volumeneinheit auch bei einer Dickenreduktion aller Bauteile beschränkt. Deswegen kann es sein, dass der Bedarf nach einer kompakten Größe auch in Zukunft nicht voll erfüllt wird.
Für den oben genannten Separator wird im Allgemeinen ein lagenförmiges Kohlenstoffmaterial verwendet, das eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit hat. Das Kohlenstoffmaterial selbst ist teuer. Darüber hinaus wird die Oberfläche des Separators häufig einer feinen Bearbeitung unterzogen, um Nute zu bilden, die einen Gaskanal bilden sollen, der zur gleichmäßigen Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases entlang der gesamten Fläche der flächenförmigen Membran-Elektroden-Einheit (der Einheit aus der Elektrolytmembran und den Elektrodenschichten) dient. Aufgrund dieser Feinbearbeitung wird der Separator zu teuer und erhöht die Herstellungskosten der Brennstoffzelle.
Neben den oben beschriebenen Problemen hat die flächenförmige Mikrozelle mehrere Probleme, wie etwa, dass es technisch schwierig ist, den Umfang vieler gestapelter Mikrozellen sicher abzudichten, damit ein Entweichen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases aus dem oben genannten Gaskanal verhindert wird, und dass die Stromerzeugungsfähigkeit aufgrund einer Verwindung oder Verformung der flächenförmigen Membran-Elektroden-Einheit (der Einheit aus der Elektrolytmembran und der Elektrodenschichten) abnimmt.
Um die oben beschriebene Brennstoffzelle zu verkleinern und die für die Leistungsdichte verantwortliche Reaktionsfläche pro Volumeneinheit zu erhöhen, muss die Dickenreduktion bei allen oben beschriebenen Bestandteilen der Brennstoffzelle durchgeführt werden. Allerdings ist bei einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit plattenförmigem Aufbau die Dickenreduktion jedes Bestandteils unter einem bestimmten Wert im Hinblick auf die Funktion und Festigkeit nicht vorzuziehen und erreicht die Grenze des Machbaren. So besteht zum Beispiel bei dem häufig gebrauchten Nafion (Produktname, hergestellt von DuPont) ab einer Dicke unterhalb eines bestimmten Werts das Problem einer zu hohen Gasdurchlässigkeit und einer Gasquerleckage, sodass es zu einer Verringerung der erzeugten Spannung kommt. Es ist deswegen bei einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit plattenförmigem Aufbau strukturell schwierig, die Leistungsdichte pro Volumeneinheit über ein bestimmtes Niveau hinaus zu verbessern.
Es gibt deswegen Untersuchungen, die Leistungsdichte zu erhöhen, indem eine Brennstoffzelle unter Verwendung einer hohlförmigen (beispielsweise rohrförmigen) Membran-Elektroden-Einheit aufgebaut wird, wobei für eine hohlförmige Mikrozelle (die im Folgenden einfach als hohlförmige Zelle bezeichnet werden kann) auf die Innen- und Außenfläche einer Hohlfaser eine Elektrolytmembran, Elektrodenschichten usw. aufgeschichtet werden. Eine solche hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit und eine diese verwendende hohlförmige Zelle können die Leistungsdichte pro Volumeneinheit im Vergleich zu einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit plattenförmigem Aufbau deutlich verbessern, wenn mehrere Rohre kleinen Durchmessers dicht angeordnet werden (siehe hierzu die JP 2002-124273 A und JP 07-296840 A).
Eine solche Brennstoffzelle mit hohlförmiger Zelle benötigt kein Bauteil, das dem in einer flächenförmigen Mikrozelle verwendeten Separator entspricht, da der Hohlraum der Zelle als Gaskanal fungiert. Außerdem muss kein zusätzlicher Gaskanal gebildet werden, da über die Innen- und Außenfläche der hohlförmigen Zelle jeweils verschiedene Gasarten zugeführt werden können. Deswegen ist eine Senkung der Herstellungskosten möglich. Da die Mikrozelle eine dreidimensionale Form hat, kann außerdem verglichen mit der einer flächenförmigen Mikrozelle die spezifische Oberfläche in Bezug auf das Volumen vergrößert werden, wobei Verbesserungen bei der Leistungsdichte pro Volumeneinheit zu erwarten sind.
Derzeit gibt es verschiedene Versuche, die Leistungsdichte pro Volumeneinheit einer solchen rohrförmigen Membran-Elektroden-Einheit und einer diese verwendenden hohlförmigen Zelle zu verbessern.
Um die gewünschte Ausgangsspannung und den gewünschten Ausgangsstrom zu erreichen, hat eine Brennstoffzelle, die eine hohlförmige Zelle verwendet, einen Aufbau, bei dem eine Vielzahl von hohlförmigen Zellen durch Kollektormaterialien elektrisch verbunden und zu einem Modul (einer Gruppe hohlförmiger Zellen) zusammengefasst sind, wobei zwei oder mehr Module in Serie und/oder parallel verbunden sind. In einem solchen Modul ist parallel zu den hohl förmigen Zellen eine passende Anzahl von Wärmeaustauschbauteilen (nachstehend auch als „Kühlrohr" bezeichnet) angeordnet, um die hohlförmigen Zellen zu kühlen/erwärmen.
Dies liegt daran, dass es die hohlförmige Zelle ähnlich wie die Mikrozelle mit der flächenförmigen Membran-Elektroden-Einheit bei bestimmten Elektrolytarten erlaubt, den am besten geeigneten Temperaturbereich für die elektrochemische Reaktion festzulegen (die Temperatur beträgt beispielsweise im Fall einer sulfonierten Perfluorkohlenstoffmembran 100°C). Um die Stromerzeugungsleistung zu verbessern, wird die hohlförmige Zelle einer Kühlung unterzogen, um die Temperatur der Zelle in einem vorbestimmten Temperaturbereich zu halten. Andererseits muss die hohlförmige Zelle bei einer geringen Temperatur der Brennstoffzelle zur Verbesserung des Inbetriebnahmeverhaltens erwärmt werden, wenn die Brennstoffzelle startet. So offenbart zum Beispiel die japanische Übersetzung der internationalen Patentanmeldung Nr. 2004-505417 eine Technik, bei der eine Vielzahl von hohlförmigen Zellen (Mikrozellen) gebündelt wird, um eine modulare elektrochemische Zelleinheit zu bilden, und parallel zu und zwischen den Mikrozellenbündeln rohrförmige leitende Rohre angeordnet werden. Laut dieser Druckschrift ermöglicht diese Technik es, eine große Menge Wärme zu entfernen, die von den Mikrozellenbündeln erzeugt wird.
An den beiden Enden des Moduls sind ein Gasverteiler zur Zufuhr von Wasserstoffgas in einen Hohlraum der hohlförmigen Zelle und ein Kaltwasserverteiler zur Zufuhr eines Wärmeträgers in ein Wärmeaustauschbauteil vorgesehen. Des Weiteren ist ein Stromkollektorbauteil vorgesehen, um die elektrische Ladung zu sammeln, die an jeder hohlförmigen Zelle erzeugt wird. Der Wasserstoff, der dem Modul durch den Gasverteiler auf der Einlassseite zugeführt wird, wird, während er durch den Kanal im Hohlraum jeder hohlförmigen Zelle geht, in einer elektrochemische Reaktion genutzt. Der Wasserstoff oder dergleichen, der nicht in der elektrochemischen Reaktion genutzt wird, wird durch den Gasverteiler an der Auslassseite aufgesammelt. Der Teil, wo die hohlförmige Zelle den jeweiligen Verteiler berührt, ist mit einer Dichtung ausgestattet, die als Dichtungsabschnitt bezeichnet wird. Die Brennstoffzelle hat einen Aufbau, bei dem nur die Dichtungsabschnitte die hohlförmigen Zellen tragen, sodass die Dichtungsabschnitte das gesamte Gewicht der hohlförmigen Zellen halten. Außerdem werden die Dichtungsabschnitte aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen der hohlförmigen Zelle und dem Verteiler am meisten durch eine Verwindung beeinträchtigt. Aus diesen Gründen besteht das Problem, dass die Dichtungsabschnitte leicht brechen können.
In einer herkömmlichen Brennstoffzelle ist, wie oben erläutert wurde, eine Vielzahl von linearen hohlförmigen Zellen, die die gleiche Länge wie das Wärmeaustauschbauteil haben, parallel angeordnet. Wenn eine lineare hohlförmige Zelle aufgrund einer Beschädigung der Dichtungsabschnitte oder aus anderen Gründen, die zu einer Gasleckage führen, bricht, kann das Modul, das die beschädigte hohlförmige Zelle enthält, nicht mehr genutzt werden. Um dieses Problem zu umgehen, ist es wirkungsvoll, die Anzahl an Dichtungsabschnitten pro Zellenvolumen zu verringern.
Die Anzahl an Dichtungsabschnitten pro Zellenvolumen kann verringert werden, indem die Länge jeder hohlförmigen Zelle vergrößert wird, um die Anzahl der hohlförmigen Zellen zu verringern. Allerdings gibt es die Probleme, dass es schwierig ist, eine hohlförmige Zelle zu handhaben, wenn sie unter Beibehaltung der linearen Form verlängert wurde, und dass die Festigkeit im in Axialrichtung mittleren Bereich der hohlförmigen Zelle instabil wird.
Die Erfindung erfolgte angesichts der oben genannten Umstände und ihre Hauptaufgabe besteht darin, eine hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande ist, die Leistungsdichte pro Volumeneinheit zu verbessern, und die sich leicht handhaben lässt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle, die eine hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle verwendet, zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande ist, die Leistungsdichte pro Volumeneinheit zu verbessern, wobei die Anzahl an Dichtungsabschnitten pro Zellenvolumen verringert werden kann, ohne die leichte Handhabung der die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit verwendenden hohlförmigen Zelle und die Festigkeit im in Axialrichtung mittleren Bereich der hohlförmigen Zelle aufzugeben.
Darstellung der Erfindung
Um die oben beschriebene Aufgabe zu erfüllen, sieht die Erfindung eine hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle vor, die eine Festelektrolytmembran mit hohler Form, eine auf der Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete äußere Elektrodenschicht und eine auf der Innenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete innere Elektrodenschicht umfasst, wobei die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle in Form einer Spirale ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle (kann nachstehend einfach als „Membran-Elektroden-Einheit" bezeichnet werden) lässt sich dicht in einem vorgegeben Raum anordnen, da sie in Form einer Spirale ausgebildet ist. Dadurch kann die Elektrodenfläche pro Volumeneinheit wesentlich erhöht werden, sodass die Leistungsdichte pro Volumeneinheit bei einer Verwendung als Brennstoffzelle verbessert werden kann.
Bei der Erfindung ist die Membran-Elektroden-Einheit also in Form einer Spirale ausgebildet, weswegen sich die Membran-Elektroden-Einheit in einem vorgegeben Raum gleichmäßig und dicht anordnen lässt.
Außerdem ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle einen auf der Außenumfangsfläche der äußeren Elektrodenschicht angeordneten äußeren Stromkollektor und einen auf der Innenumfangsschicht der inneren Elektrodenschicht angeordneten inneren Stromkollektor hat. Dadurch kann die Stromsammelleistung der in Form einer Spirale ausgebildeten Membran-Elektroden-Einheit verbessert werden.
Außerdem ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit eine rohrförmige Festelektrolytmembran ist.
Darüber hinaus sieht die Erfindung eine Brennstoffzelle hohler Bauart mit einer hohlförmigen Zelle vor, die die oben genannte hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle verwendet. Wird die Brennstoffzelle unter Verwendung der Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet, lässt sich eine Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte pro Volumeneinheit erreichen.
Außerdem ist es vorzuziehen, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle hohler Bauart ein stabförmiges Bauteil enthält und die hohlförmige Zelle spiralförmig gewunden um die Außenseite des stabförmigen Bauteils herum angeordnet ist. Durch einen solchen Aufbau kann eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden, bei der sich die Module leicht handhaben lassen und eine Beschädigung der Dichtungsabschnitte vermieden werden kann, während die Länge jeder hohlförmigen Zelle erhöht und die Anzahl der Dichtungsabschnitte pro Zellenvolumen verringert werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle hohler Bauart, die das stabförmige Bauteil enthält, ist es vorzuziehen, dass die Kontaktlänge der hohlförmigen Zelle und des stabförmigen Bauteils 1,5 bis 10mal länger als die Gesamtlänge des stabförmigen Bauteils ist.
Außerdem ist es bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle hohler Bauart, die das stabförmige Bauteil enthält, vorzuziehen, dass das stabförmige Bauteil ein Wärmeaustauschbauteil ist, um die Temperatur der hohlförmigen Zelle steuern zu können.
Außerdem ist es bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle hohler Bauart, die das stabförmige Bauteil enthält, vorzuziehen, dass das stabförmige Bauteil elektrische Leitfähigkeit hat und als ein Stromkollektor einer äußeren Elektrodenschicht fungiert, die auf der Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildet ist.
Außerdem ist es bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle hohler Bauart, die das stabförmige Bauteil enthält, vorzuziehen, dass das stabförmige Bauteil das Wärmeaustauschbauteil ist und als der Stromkollektor fungiert.
Außerdem ist es bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle hohler Bauart, die das stabförmige Bauteil enthält, vorzuziehen, dass innerhalb des Wärmeaustauschbauteils ein Wärmeträger fließt und zumindest ein Teil der Innenfläche des Wärmeaustauschbauteils, die den Wärmeträger berührt, aus einem Material mit elektrischem Isoliervermögen besteht.
Außerdem ist es bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle hohler Bauart, die das stabförmige Bauteil enthält, vorzuziehen, dass auf der Außenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils ein Gaskanal ausgebildet ist.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit ist die, dass die Elektrodenfläche pro Volumeneinheit erhöht werden kann und die Leistungsdichte pro Volumeneinheit verbessert werden kann.
Darüber hinaus kann bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die hohlförmige Zelle spiralförmig gewunden um ein stabförmiges Bauteil herum angeordnet ist, die Spiralform der hohlförmigen Zelle stabiler aufrechterhalten werden, sodass an den beiden Enden der Brennstoffzelle hohler Bauart ein übermäßiges Gewicht an den Dichtungsabschnitten vermieden werden kann. Deswegen ist es möglich, eine Brennstoffzelle mit hohlförmiger Zelle zur Verfügung zu stellen, die eine größere Länge und eine geringere Anzahl an Dichtungsabschnitten pro Zellenvolumen aufweist, und die deswegen dazu imstande ist, die Beschädigung der Dichtungsabschnitte zu vermeiden.
Darüber hinaus ist es bei dem Ausführungsbeispiel, in dem das stabförmige Bauteil als Wärmeaustauschbauteil und als ein leitendes Material fungiert, möglich, die Anzahl an Bauteilen zu verringern und das Modul (die Gruppe hohlförmiger Zellen) zu verkleinern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen zeigen Folgendes:
1 eine schematische Perspektivansicht mit einem Beispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit;
2 eine schematische Perspektivansicht mit einem Beispiel einer Ebene vertikal zu einer Achse einer erfindungsgemäßen rohrförmigen Membran-Elektroden-Einheit;
3 eine erläuternde Darstellung eines Beispiels der Größe einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit;
4 eine schematische Darstellung mit einem weiteren Beispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit;
5 eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer hohlförmigen Zelle und eines stabförmigen Bauteils;
6 eine schematische Perspektivansicht mit einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einer hohlförmigen Zelle und eines stabförmigen Bauteils;
7 eine schematische Perspektivansicht mit einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einer hohlförmigen Zelle und eines stabförmigen Bauteils;
8 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer hohlförmigen Zelle;
9 eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer hohlförmigen Zelle;
10 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines stabförmigen Bauteils;
11 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines stabförmigen Bauteils;
12 eine Außenansicht, die schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Moduls (einer Gruppe hohlförmiger Zellen) zeigt;
13 eine Außenansicht, die schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle mit einem Modul (einer Gruppe hohlförmiger Zellen) zeigt;
14 eine Außenansicht, die schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle mit einem Modul (einer Gruppe hohlförmiger Zellen) zeigt; und
15 eine schematische Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels einer herkömmlichen rohrförmigen Membran-Elektroden-Einheit.
Die Zeichen in jeder Figur bezeichnen Folgendes:
1: eine Membran-Elektroden-Einheit, 2: einen inneren Stromkollektor, 3: eine innere Elektrodenschicht, 4: eine Festelektrolytmembran, 5: eine äußere Elektrodenschicht, 6: einen äußeren Stromkollektor, 7: einen Kanal innerhalb eines Hohlraums, 10: ein stabförmiges Bauteil (ein Wärme austauschbauteil), 11: eine hohlförmige Zelle, 12: einen seitlichen Gaskanal, 13: einen axialen Gaskanal, 14: einen Wärmeträgerkanal, 90: ein Wärmeaustauschbauteil (ein Kühlrohr), 91: eine hohlförmige Zelle, 92: einen inneren Stromkollektor, 98a und 98b: Gasverteiler, 99a und 99b: Kaltwasserverteiler, 100: ein Modul hohler Bauart, 500: einen Reaktionsgaseinlass, 510: einen Reaktionsgasauslass, 520: einen Kühlwassereinlass/auslass, 600: eine Kassette und 601: eine Brennstoffzelle hohler Bauart.
Beste Ausführungsart der Erfindung
Erstes Ausführungsbeispiel
Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine in Form einer Spirale ausgebildete Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle einer Rohrbauart und eine diese verwendende Brennstoffzelle einer Rohrbauart. Die Membran-Elektroden-Einheit und die Brennstoffzelle werden im Folgenden getrennt voneinander beschrieben.
A. Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle
Es wird zunächst eine erfindungsgemäße hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle beschrieben.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit ist dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form einer Spirale ausgebildet ist. Im Folgenden wird eine solche erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit genauer unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, hat die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 1 eine Rohrform, wobei eine Achse der rohrförmigen Membran-Elektroden-Einheit so ausgebildet ist, dass sie in Form einer Spirale vorliegt. 2 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Beispiel einer Ebene vertikal zu einer Achse einer erfindungsgemäßen rohrförmigen Membran-Elektroden-Einheit zeigt. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Mitte der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 1 hohl und sind auf der Achse in dieser Reihenfolge ein innerer Stromkollektor 2, eine innere Elektrodenschicht 3, eine Festelektrolytmembran 4, eine äußere Elektrodenschicht 5 und ein äußerer Stromkollektor 6 angeordnet.
Da die Membran-Elektroden-Einheit bei der Erfindung in Form einer Spirale ausgebildet ist, lässt sich die Membran-Elektroden-Einheit dicht in einem vorgegebenen Raum anordnen. Dadurch kann die Elektrodenfläche pro Volumeneinheit erhöht werden, sodass die Leistungsdichte pro Volumeneinheit verbessert werden kann.
Wenn Strom in einem spiralförmigen leitenden Material fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Wenn sich im Inneren des spiralförmigen Leiters ein nichtleitendes Material wie das noch später zu beschreibende stabförmige Bauteil befindet, werden die Wasser- und Sauerstoffmoleküle in der Membran-Elektroden-Einheit durch das Magnetfeld beeinflusst und wird ihre Bewegung aktiviert. Dadurch können Wirkungen wie eine Verbesserung der Diffusionsfähigkeit der Sauerstoffmoleküle in der Elektrodenschicht, der Mobilität der Wassermoleküle in der Festelektrolytmembran oder Elektrodenschicht, des Wassermolekülableitungsvermögens innerhalb des Kanals usw. erreicht werden.
Im Folgenden werden nun jeweils ausführlicher die Form, der Aufbau und das Herstellungsverfahren der hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
1. Form hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle
Die Membran-Elektroden-Einheit lässt sich bei der Erfindung, indem die Membran-Elektroden-Einheit in die Form einer Spirale gebracht wird, die eine sich gleichmäßig ändernde Form ist, gleichmäßig in einem vorgegebenen Raum anordnen. Außerdem kann, indem die Membran-Elektroden-Einheit in eine runde Form ohne Winkel gebracht wird, innerhalb der Membran-Elektroden-Einheit ein ruhiger Fluidfluss aufrechterhalten werden. Darüber hinaus kann, indem die Membran-Elektroden-Einheit in Form einer Spirale ausgebildet wird, die oben beschriebene Wirkung der Magnetfelderzeugung erzielt werden, wodurch die Bewegung von Wasser und Sauerstoff aktiviert wird.
Die Spiralform unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Solange die Form spiralförmig ist, können ihr Durchmesser und ihre Teilung feststehen oder sogar geändert werden. Dabei ist der Durchmesser der Spiralform in 3 durch die Länge „d" in der Richtung vertikal zur Achse der Spiralform angegeben und steht auch für den äußersten Durchmesser der Spiralform. Die Teilung der Spiralform ist durch die Länge „p" in 3 angegeben und steht bei dem in Form einer Spirale ausgebildeten hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit für den Abstand zwischen den Mittellinien der benachbarten hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheiten.
Bei der Erfindung ist unter den oben angegebenen Spiralformen eine Spiralform mit konstantem Durchmesser und konstanter Teilung vorzuziehen. Der Durchmesser liegt vorzugsweise im Bereich von 500 bis 3000 μm, besser noch 2000 bis 2500 μm. Die Teilung der Spiralform liegt vorzugsweise im Bereich von 500 bis 3000 μm, besser noch 1000 bis 2000 μm. Darüber hinaus liegt der Außendurchmesser der hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit, die zu solch einer Spirale geformt werden soll, vorzugsweise im Bereich von 500 bis 2000 μm, besser noch 800 bis 1200 μm. Wird die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit zu einer solchen Spirale geformt, lässt sich die Membran-Elektroden-Einheit in einem vorgegebenen Raum gleichmäßig und dicht anordnen.
Es ist vorzuziehen, dass die Teilung der Spiralform im ersten Ausführungsbeispiel größer als der Außendurchmesser der hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit ist, d. h. es ist vorzuziehen, dass sich nebeneinander liegende Membran-Elektroden-Einheiten in der zur Spirale geformten hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit nicht miteinander in Kontakt befinden. Wenn dafür gesorgt wird, dass sich die nebeneinander liegenden Membran-Elektroden-Einheiten untereinander nicht berühren und für Zwischenräume zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten gesorgt wird, können genügend Flächen erzielt werden, wo sich die Gas- oder Wasserkanäle, die den Außenraum der Membran-Elektroden-Einheit nutzen, mit der Membran-Elektroden-Einheit in Kontakt befinden können. Dadurch kann die Zufuhr des Brennstoff- und Oxidationsgases und die Abfuhr des erzeugten Wassers problemlos erfolgen.
2. Aufbau hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle
Die bei der Erfindung verwendete hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, wobei ein üblicher hohlförmiger Membran-Elektroden-Aufbau verwendet werden kann. Als Aufbau einer üblichen hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit lässt sich zum Beispiel eine Membran-Elektroden-Einheit, die eine hohle Festelektrolytmembran, eine auf der Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete äußere Elektrodenschicht und eine auf der Innenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete Innenelektrodenschicht umfasst, oder dergleichen nennen. Falls erforderlich, kann sich auf der Außenumfangsfläche der äußeren Elektrodenschicht ein äußerer Stromkollektor befinden und/oder kann sich auf der Innenumfangsfläche der inneren Elektrodenschicht ein innerer Stromkollektor befinden. Für die auf der Innen- und Außenumfangsfläche der Elektrolytmembran angeordnete Elektrodenschicht kann üblicherweise eine Elektrodenschicht verwendet werden, die gebildet wird, indem eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge von der Elektrolytmembranseite aus übereinander gelegt werden.
Im Folgenden werden die jeweiligen Bestandteile der Membran-Elektroden-Einheit beschrieben, die bei der Erfindung verwendet werden können.
Die bei der Erfindung verwendete Festelektrolytmembran unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, solange die Festelektrolytmembran hohlförmig ist, eine hervorragende Protonenleitfähigkeit hat und aus nichtleitendem Material besteht. Ein repräsentatives Beispiel für die hohle Form ist eine Rohrform, wobei sie jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Als Elektrolytmaterial einer solchen Festelektrolytmembran lassen sich Fluorharze, für die ein typisches Beispiel Nafion (Produktname, hergestellt von DuPont) ist, organische Materialien wie Kohlenwasserstoffharze oder dergleichen, für die ein typisches Beispiel Amidharze sind, anorganische Materialien wie Materialien auf Siliziumoxidbasis oder dergleichen nennen.
Als Festelektrolytmembranen, die das anorganische Elektrolytmaterial verwenden, lässt sich eine rohrförmige Festelektrolytmembran, die hergestellt wird, indem poröses Glas in eine Rohrform gebracht wird und ihre Nanoporenoberfläche modifiziert wird, um für Protonenleitfähigkeit zu sorgen, eine Festelektrolytmembran auf Basis eines rohrförmigen Phosphatglases oder dergleichen nennen.
Als Festelektrolytmembran, die das poröse Glas verwendet, lässt sich zum Beispiel eine Festelektrolytmembran, die durch ein Verfahren hergestellt wird, bei dem eine OH-Gruppe auf der Porenoberfläche des porösen Glases mit einem Silankopplungsmittel aus Mercaptopropyltrimethoxysilan reagiert und anschließend – SH einer Mercaptogruppe oxidiert wird, um so eine Sulfonsäuregruppe mit Protonenleitfähigkeit einzubringen (siehe „CHEMISTRY & CHEMICAL INDUSTRY", Bd. 57, Nr. 1, 2004, S. 41 – 44), oder dergleichen nennen. Als Festelektrolytmembran, die das Phosphatglas einsetzt, lässt sich ein Beispiel, von dem in „The Journal of Fuel Cell Technology", Bd. 3, Nr. 3, 2004, S. 69 – 71 berichtet wird, oder dergleichen nennen.
Die bei der Erfindung verwendete äußere Elektrodenschicht und innere Elektrodenschicht unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Es kann ein Material, das üblicherweise bei einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle mit flächenförmigem Aufbau verwendet wird, verwendet werden, das zu einem Rohr geformt wird. Und zwar können Protonen leitende Materialien wie ein sulfoniertes Perfluorpolymer (Produktname: Nafion, hergestellt von DuPont) oder dergleichen, leitende Materialien wie Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder dergleichen und Materialien, die einen Katalysator wie Platin oder dergleichen enthalten, der von den leitenden Materialien getragen wird, verwendet werden.
Das Verfahren zum Sammeln des Stroms, der durch die Stromerzeugungsreaktion erzeugt wird, unterliegt bei der in der Erfindung verwendeten Membran-Elektroden-Einheit keinen besonderen Beschränkungen. Es kann ein Verfahren zum Sammeln elektrischen Stroms verwendet werden, das üblicherweise bei einer hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit eingesetzt wird. Als innere Elektrodenschicht und innerer Stromkollektor oder als äußere Elektrodenschicht und äußerer Stromkollektor kann beispielsweise ein Bauteil verwendet werden, das sowohl als Elektrodenschicht als auch als Stromkollektor fungiert. Abgesehen davon kann als Stromkollektor auch ein Bauteil verwendet werden, das sich von der Elektrodenschicht unterscheidet, sodass der innere Stromkollektor innen von der inneren Elektrodenschicht ausgebildet sein kann und/oder der äußere Stromkollektor außen von der äußeren Elektrodenschicht ausgebildet sein kann.
Dabei ist bei der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit der äußere Stromkollektor vorzugsweise auf der Außenumfangsfläche der äußeren Elektrodenschicht angeordnet und ist der innere Stromkollektor auf der Innenumfangsfläche der inneren Elektrodenschicht angeordnet. Wird ein Stromkollektor verwendet, der ein anderes Bauteil als die Elektrodenschicht ist und der Elektrodenschicht ermöglicht, sich in engem Kontakt mit dem Stromkollektor zu befinden, der eine hohe Leitfähigkeit hat, können sich die Elektronen problemlos bewegen, sodass der elektrische Strom wirkungsvoll gesammelt werden kann.
Der innere und äußere Stromkollektor unterliegen keinen besonderen Beschränkungen, sofern die Kollektoren eine hohe Leitfähigkeit haben und es dem Gas ermöglichen, in der Durchmesserrichtung der rohrförmigen Membran-Elektroden-Einheit einzudringen. Als Beispiele für die Form solcher innerer und äußerer Stromkollektoren lassen sich ein Stromkollektor in Form einer Spiralfeder, ein Kollektor, dessen Rohrwand viele Durchgangslöcher hat, ein Kollektor, dessen Rohrwand einen netzförmigen Aufbau hat, ein Kollektor mit einer Vielzahl von in der Axialrichtung der rohrförmigen Membran-Elektroden-Einheit angeordneten linearen leitenden Materialien oder dergleichen nennen. Dabei lässt sich der Stromkollektor in Form der Spiralfeder besonders gut nutzen. Außerdem lässt sich als Material zum Bilden des in dieser Form vorliegenden inneren und äußeren Stromkollektors beispielsweise Kohlenstoff oder ein Metall wie Edelstahl, Titan, Platin, Gold, TiC, TiSi₂, SiO₂, B₂O₃, Nd₂O, TiB₂ oder dergleichen nennen.
3. Herstellungsverfahren
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit in Form der Spirale unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, sofern eine Membran-Elektroden-Einheit hergestellt werden kann, die hohlförmig ist und eine Achse hat, die zu einer Spirale ausgebildet ist. Als ein solches Verfahren lassen sich zum Beispiel ein Verfahren, bei dem von Beginn an eine Spirale einer hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit hergestellt wird (erstes Verfahren), ein Verfahren, bei dem eine lineare hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit hergestellt wird und die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit anschließend zu einer Spirale ausgebildet wird (zweites Verfahren), oder dergleichen nennen.
Falls die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit durch das erste Verfahren hergestellt wird, kann die Festelektrolytmembran in Form der Spirale hergestellt werden, indem zunächst eine Festelektrolytmembran in die Form der gewünschten Spirale gebracht wird und dann auf der Innen- und Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran durch Eintauchen oder dergleichen Elektrodenschichten ausgebildet werden. Falls erforderlich kann ein innerer und/oder äußerer Stromkollektor vorgesehen werden. Die Festelektrolytmembran kann durch Schmelzextrudieren in die Form der gewünschten Spirale gebracht werden, falls zum Bilden der Festelektrolytmembran unter den in „2. Aufbau hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle" genannten Materialien ein Material wie ein anorganisches Material, das ein Material auf Silziumoxidbasis einschließt, oder dergleichen verwendet wird, das sich zum Schmelzextrudieren eignet. Falls Materialien verwendet werden, die wie ein Fluorharz, das durch Nafion (Produktnahme, hergestellt von DuPont) oder dergleichen verkörpert wird, oder ein organisches Material wie ein Fluorwasserstoffharz oder dergleichen, das durch ein Aminoharz verkörpert wird, verwendet werden, die sich nicht für das Schmelzextrudieren eignen, kann die Festelektrolytmembran in Form der gewünschten Spirale mit Hilfe einer Form ausgebildet werden, die die Form der gewünschten Spirale hat.
Die Membran-Elektroden-Einheit kann gemäß dem ersten Verfahren auch hergestellt werden, indem ein innerer Stromkollektor, der der innersten Schicht der Membran-Elektroden-Einheit entspricht, (oder eine innere Elektrodenschicht, falls kein innerer Stromkollektor vorgesehen ist) in die Form der gewünschten Spirale gebracht wird und darauf nacheinander in Schichten jedes Bauteil der Membran-Elektroden-Einheit aufgestapelt wird.
Falls die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit durch das zweite Verfahren hergestellt wird, wird zunächst eine hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit linearer Form hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung einer solchen linearen hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann ein übliches Verfahren sein. Als Nächstes wird die lineare hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit zu einer Spirale geformt. Um die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit zu einer Spirale zu formen, gibt es zum Beispiel ein Verfahren, bei dem die Membran-Elektroden-Einheit in spiralförmig gewundener Weise um ein stabförmiges Material herum angeordnet wird, das einen gewissen Grad an Steifheit hat. Nachdem die Membran-Elektroden-Einheit zur Spirale geformt wurde, kann ein innerer und/oder äußerer Stromkollektor angeordnet werden. Oder der innere und/oder äußere Stromkollektor kann dann vorgesehen werden, wenn die lineare hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit hergestellt wird, die dann in die Form der Spirale gebracht wird. Falls die Membran-Elektroden-Einheit gemäß dem zweiten Verfahren hergestellt wird, wird als Material für jeden Bestandteil der Membran-Elektroden-Einheit unter denen in „2. Aufbau hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle" genannten Materialien vorzugsweise ein Material verwendet, das Plastizität hat. Wird die Membran-Elektroden-Einheit aus plastischen Materialien hergestellt, kann eine Beschädigung der Bestandteile usw. verhindert werden, zu der es ansonsten während des Formens der hohlförmigen Membran-Elektroden-Einheit zu der Spirale kommen könnte.
Wie in 4 gezeigt ist, kann das Aufsammeln des elektrischen Stroms außerhalb der oben beschriebenen spiralförmigen Membran-Elektroden-Einheit durch einen äußeren Stromkollektor 6 erfolgen, dessen Form nicht mit der spiralförmigen Membran-Elektroden-Einheit übereinstimmt.
B. Brennstoffzelle hohler Bauart
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle hohler Bauart ist dadurch gekennzeichnet, dass sie die hohlförmige Zelle umfasst, die die oben beschriebene hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle verwendet. Da die erfindungsgemäße Brennstoffzelle hohler Bauart als Stromerzeugungseinheit kleinster Größe eine Mikrozelle umfasst, die die in „A. Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle" beschriebene Membran-Elektroden-Einheit verwendet, die die Elektrodenfläche pro Volumeneinheit erhöhen kann, lässt sich eine Brennstoffzelle hohler Bauart mit hoher Leistungsdichte pro Volumeneinheit erzielen. Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle hohler Bauart verwendete Membran-Elektroden-Einheit entspricht der in „A. Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzelle" beschriebenen Membran-Elektroden-Einheit, weswegen ihre Beschreibung wegfällt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle hohler Bauart, die die in „B. Brennstoffzelle hohler Bauart" angesprochene Brennstoffzelle hohler Bauart umfasst und zudem ein stabförmiges Bauteil enthält, um dessen Außenseite die hohlförmige Zelle spiralförmig gewunden angeordnet ist.
Im Folgenden wird nun das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, wobei das Hauptaugenmerk auf den Unterschieden zum ersten Ausführungsbeispiel liegt. Die folgenden Ausführungsbeispiele werden anhand des Falls erläutert, dass ein Wärmeaustauschbauteil als ein Kühlrohr arbeitet, das ein Kühlmittel in das Innere des Wärmeaustauschbauteils einführt. Allerdings kann die hohlförmige Zelle auch als ein Wärmeaustauschbauteil arbeiten, das dazu imstande ist, für Wärme zu sorgen, indem ein Wärmeträger in das Innere des Wärmeaustauschbauteils eingeführt wird. Außerdem erläutert das folgende Ausführungsbeispiel den besonderen Fall einer Brennstoffzelle der Festpolymerbauart, die als Brennstoff Wasserstoffgas und als Oxidationsmittel Luft (Sauerstoff) verwendet, doch ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
5 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer hohlförmigen Zelle und eines stabförmigen Bauteils zeigt. Das in 15 gezeigte Beispiel bezieht sich auf eine herkömmliche hohlförmige Zelle 91 mit linearer Form, die parallel zu einem stabförmigen Bauteil 90 wie einem Kühlrohr oder dergleichen angeordnet ist, sodass die herkömmliche hohlförmige Zelle 91 in der Axialrichtung ungefähr gleich lang wie das stabförmige Bauteil 90 in der Axialrichtung ist. Wie dagegen in 5 gezeigt ist, ist die erfindungsgemäße hohlförmige Zelle 11 spiralförmig außen vom stabförmigen Bauteil 10 angeordnet. Deswegen kann die Länge der hohlförmigen Zelle 11 (die Länge des Kontakts bzw. die „Kontaktlänge" zwischen der hohlförmigen Zelle 11 und dem stabförmigen Bauteil 10) länger als die Gesamtlänge des stabförmigen Bauteils 10 sein. Und zwar kann die Länge der hohlförmigen Zelle 1,5 bis 10mal länger als die Gesamtlänge des stabförmigen Bauteils 10 sein. Die Kontaktlänge berechnet sich aus:
der Anzahl an Wicklungen der hohlförmigen Zelle × dem Außenumfang des stabförmigen Bauteils.
Die spiralförmig auf der Außenseite des stabförmigen Bauteils 10 angeordnete hohlförmige Zelle 11 kann, wie in 5 gezeigt ist, dicht ohne Zwischenräume angeordnet sein oder kann, wie in 6 gezeigt ist, mit Zwischenräumen angeordnet sein, sodass die Teilung der Spirale 0,1 bis 1 mm betragen kann.
Außerdem kann, wie in 7 gezeigt ist, eine Vielzahl von hohlförmigen Zellen parallel und spiralförmig gewunden um die Außenseite des stabförmigen Bauteils herum angeordnet sein.
Als Verarbeitungsverfahren zum spiralförmigen Anordnen der Membran-Elektroden-Einheit auf dem stabförmigen Bauteil lässt sich ein Spulverfahren, wie es in der JP 2004-22165 A offenbart ist, oder dergleichen nennen.
Im Folgenden werden ausführlich die jeweiligen Bestandteile erläutert, die im zweiten Ausführungsbeispiel Verwendung finden.
– Hohlförmige Zelle im zweiten Ausführungsbeispiel –
Die hohlförmige Zelle 11 des zweiten Ausführungsbeispiels enthält zumindest eine hohle Elektrolytmembran und ein Paar auf der Innen- und Außenfläche der Elektrolytmembran angeordneter Elektroden. Die Materialien für die Bauteile der hohlförmigen Zelle 11 unterliegen keinen besonderen Beschränkungen, sofern die Materialien so flexibel sind, dass sie sich spiralförmig um die Achse des stabförmigen Bauteils anordnen lassen, wobei das Herstellungsverfahren ebenfalls nicht beschränkt ist. Es wird nun unten exemplarisch ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
8 ist eine Schnittansicht der in der Brennstoffzelle des zweiten Ausführungsbeispiels verwendeten hohlförmigen Zelle, während 9 eine schematische Perspektivansicht der gleichen hohlförmigen Zelle ist. Die hohlförmige Zelle 11 hat eine hohle Festpolymerelektrolytmembran 4 (Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Membran), eine auf der Innenseite der Festpolymerelektrolytmembran 4 angeordnete innere Elektrodenschicht 3 (eine Brennstoffelektrode, die in diesem Ausführungsbeispiel als Anode dienen soll) und eine auf der Außenseite angeordnete äußere Elektrodenschicht 5 (eine Luftelektrode, die bei diesem Ausführungsbeispiel als Kathode dienen soll). Der hohle Bereich ist ein Kanal innerhalb des Hohlraums 7, wobei durch diesen Kanal als Reaktionsgas ein Brennstoffgas (H₂) geführt wird. Auf der Seite der negativen Elektrode (Anodenseite) befindet sich im engen Kontakt mit einer Oberfläche der Anode 3 ein Stromkollektor 2. Auf der Seite der positiven Elektrode (Kathodenseite) kann auf der Außenfläche der Kathode 5 ein Kollektormaterial vorgesehen sein. Allerdings ist es, wie unten erläutert wird, vorzuziehen, dass das stabförmige Bauteil 10 auf der Seite der positiven Elektrode auch als ein äußerer Stromkollektor fungiert.
Die hohlförmige Zelle 11 mit diesem Aufbau ist um die Außenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils 10 herum spiralförmig gewunden angeordnet. Falls nötig, wird die hohlförmige Zelle 11 auf dem stabförmigen Bauteil 10 mit Hilfe eines wärmebeständigen Klebstoffs wie einem Klebstoff auf Silikonbasis, einem Klebstoff auf Epoxidbasis oder dergleichen befestigt. Indem das Wasserstoffgas ins Innere des Hohlraums 7 der hohlförmigen Zelle 11 und die Luft zur Außenseite der Zelle 11 geführt werden, werden der Anode bzw. Kathode (der Luftelektrode) ein Brennstoff oder ein Oxidationsmittel zugeführt, sodass Strom erzeugt wird.
Die hohlförmige Zelle 11 kann sich in einem Zustand befinden, in dem ein Ende eines hohlen Bereichs (eines Rohrs) verschlossen und sein anderes Ende offen ist, vorausgesetzt dass das Reaktionsgas ausreichend ins Innere der hohlen Elektrolytmembran 4 eingeführt werden kann. Als Verfahren, um das eine Ende der hohlförmigen Zelle zu verschließen, lässt sich ein Verfahren nennen, bei dem ein Harz oder dergleichen in das eine Ende des Hohlraums eingebracht wird, doch unterliegt es keinen besonderen Beschränkungen.
Der Innendurchmesser, der Außendurchmesser, die Länge und dergleichen der hohlen Festpolymerelektrolytmembran 4 unterliegen zwar keinen besonderen Beschränkungen, doch liegt der Außendurchmesser der Festpolymerelektrolytmembran 4 vorzugsweise im Bereich 0,01 bis 10 mm, besser 0,1 bis 1 mm, und noch besser 0,1 bis 0,5 mm. Eine hohle Elektrolytmembran 4 mit weniger als 0,01 Außendurchmesser lässt sich derzeit aufgrund technischer Probleme nur schwer herstellen. Andererseits erhöht eine hohle Elektrolytmembran 4 mit mehr als 10 mm Außendurchmesser nicht die Oberfläche bezogen auf das belegte Volumen, weswegen die erzielte hohlförmige Zelle nicht für eine ausreichende Ausgangsleistung pro Volumeneinheit sorgen kann.
Die Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Membran sollte zwar unter dem Gesichtspunkt einer besseren Protonenleitfähigkeit dünn sein, doch verringert eine deutlich zu dünne Membran die Funktion, die Gase zu trennen, und erhöht die Durchgangsmenge an nicht in Protonenform vorliegendem Wasserstoff. Allerdings kann eine Brennstoffzelle, die durch Zusammenbringen einer großen Anzahl hohlförmiger Zellmodule hergestellt wird, im Vergleich zu einer herkömmlichen Brennstoffzelle, in der für die Brennstoffzelle flächenförmige Mikrozellen aufgestapelt werden, eine große Elektrodenfläche erreichen, wodurch sie selbst dann für eine ausreichende Ausgangsleistung sorgen kann, wenn eine recht dicke Membran verwendet wird. Unter diesem Gesichtspunkt beträgt die Dicke der Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Membran vorzugsweise 10 bis 100 μm, besser 50 bis 60 μm, noch besser 50 bis 55 μm.
Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Vorzugsbereiche für den Außendurchmesser und die Membrandicke liegt der Vorzugsbereich für den Innendurchmesser bei 0,01 bis 10 mm, besser 0,1 bis 1 mm, noch besser 0,1 bis 0,5 mm.
Die hohlförmige Zelle des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels hat eine rohrförmige Elektrolytmembran. Allerdings ist die Festelektrolytmembran bei der Erfindung nicht auf eine Rohrform beschränkt und kann einer Membran entsprechen, die einen hohlen Bereich hat und dazu imstande ist, den Brennstoff oder das Oxidationsmittel in den Hohlraum einzulassen, um der im Inneren des Hohlraums vorgesehenen Elektrode eine Reaktionssubstanz zuzuführen, die für die elektrochemische Reaktion benötigt wird.
Es hat viele Vorteile, dass die hohlförmige Zelle 11 in einer hohlen Form vorliegt. Wesentliche Vorteile sind die, dass kein Separator mehr erforderlich ist und eine große Elektrodenfläche für die Stromerzeugung erzielt werden kann.
Da die Brennstoffzelle hohler Bauart gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die hohlförmige Zelle ist, kann die erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Vergleich mit einer Brennstoffzelle, die eine flächenförmige Mikrozelle hat, eine große Elektrodenfläche pro Volumeneinheit haben. Selbst dann, wenn die zu verwendende Festpolymerelektrolytmembran eine Elektrolytmembran mit keiner so hohen Protonenleitfähigkeit wie die Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Membran ist, kann daher eine Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte pro Volumeneinheit erzielt werden.
Für die Festpolymerelektrolytmembran können außer der Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure auch andere Materialien verwendet werden, die sich für eine Elektrolytmembran einer Brennstoffzelle der Festpolymerbauart eignen. Außer der Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure kann zum Beispiel ein Ionenaustauschharz auf Fluorbasis verwendet werden; eine Kationenaustauschmembran auf Polystyrolbasis mit einer Sulfonsäuregruppe oder dergleichen, also Harze, die auf einem Kohlenwasserstoffskelett, etwa auf „Polyolefinbasis", beruhen und mindestens eine Art von Protonenaustauschgruppe haben, die aus einer Sulfonsäuregruppe, einer Phosphonsäuregruppe, einer Phosphorsäuregruppe oder dergleichen gewählt ist; oder Festpolymerelektrolyte, die einen Komplex aus einem Grundpolymer mit einer starken Säure umfassen, etwa die, die in der japanischen Übersetzung der internationalen PCT-Anmeldung Nr. 11-503262 offenbart sind, oder dergleichen, also die, die durch Dotieren eines Grundpolymers wie Polybenziamidazol, Polypyrimidin, Polybenzoxazol oder dergleichen mit einer starken Säure angefertigt werden.
Die ein solches Elektrolyt verwendende Festpolymerelektrolytmembran kann mit Hilfe von Perfluorkohlenstoffpolymeren in Fibrillenform, Gewebeform, Vliesform, poröser Lagenform oder dergleichen verstärkt werden oder kann auch durch Beschichten der Membranoberfläche mit einem anorganischen Oxid oder Metall verstärkt werden. Des Weiteren kann die Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Membran auch vom Markt bezogen werden, wie zum Beispiel Nafion (Produktname, hergestellt von DuPont), Flemion (Produktname, hergestellt von Asahi Glass Co., Ltd.) oder dergleichen.
Die Elektrolytmembran wird zwar in diesem Ausführungsbeispiel anhand einer Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Membran erläutert, die als ein Typ Protonen leitender Membranen einer Festpolymerelektrolytmembran entspricht, doch unterliegt die in der Brennstoffzelle hohler Bauart des zweiten Ausführungsbeispiels zu verwendende Elektrolytmembran keinen besonderen Beschränkungen und kann eine Elektrolytmembran sein, die Protonenleitfähigkeit oder eine andere Ionenleitfähigkeit wie eine Leitfähigkeit für Hydroxidionen, Sauerstoffionen (O^2–) oder dergleichen hat. Die Elektrolytmembran mit Protonenleitfähigkeit ist nicht auf die oben beschriebene Festpolymerelektrolytmembran beschränkt, wobei auch Folgendes verwendet werden kann: poröse Elektrolytplatten, die mit einer wässrigen Lösung aus Phosphorsäure infiltriert sind; Protonen leitende Materialien, die ein poröses Glas umfassen; Phosphorsäuresalzglas nach einer Hydrogelierung; eine organischanorganische Protonen leitende Hybridmembran, die angefertigt wird durch Einbringen funktioneller Gruppen mit Protonenleitfähigkeit in eine Oberfläche und Poren eines porösen Glases mit nanogroßen Poren; ein Elektrolytpolymer, das mit Hilfe von anorganischen Metallfasern verstärkt wird; oder dergleichen. Als Beispiele für ein Elektrolyt mit Ionenleitfähigkeit wie für Hydroxidionen, Sauerstoffionen (O^2–) oder dergleichen lassen sich Materialien nennen, die Keramik enthalten.
Die auf der Innenseite und Außenseite der Elektrolytmembran angeordneten Elektroden können jeweils unter Verwendung herkömmlicher Elektrodenmaterialien für eine Brennstoff zelle der Festpolymerbauart ausgebildet werden. Üblicherweise wird die zu verwendende Elektrode, wie in 8 gezeigt ist, aufgebaut, indem von der Elektrolytmembranseite aus in dieser Reihenfolge eine Katalysatorschicht (Katalysatorschicht 3a und Katalysatorschicht 5a) und eine Gasdiffusionsschicht (Gasdiffusionsschicht 3b und Gasdiffusionsschicht 5b) übereinander gelegt werden.
Die Katalysatorschicht enthält Katalysatorteilchen und kann außerdem ein Protonen leitendes Material enthalten, um den Nutzungsgrad der Katalysatorteilchen zu verbessern. Für das Protonen leitende Material können auch Materialien verwendet werden, die für die Elektrolytmembran verwendet werden. Als Katalysatorteilchen werden vorzugsweise Katalysatorteilchen verwendet, in denen eine Katalysatorsubstanz auf einem leitenden Material wie einem kohlenstoffhaltigen Material, zum Beispiel kohlenstoffhaltigen Teilchen oder kohlenstoffhaltigen Fasern, getragen wird. Da die erfindungsgemäße Brennstoffzelle die hohlförmige Zelle aufweist, kann die erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit Mikrozellen flächiger Bauart eine große Elektrodenfläche pro Volumeneinheit haben. Daher kann selbst dann, wenn ein Katalysator verwendet werden soll, der keine so hohe Katalysatoraktivität wie Platin hat, eine Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte pro Volumeneinheit erzielt werden.
Die Katalysatorsubstanz unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, vorausgesetzt, dass die Katalysatoraktivität der Wasserstoffoxidationsreaktion in der Anode oder der Sauerstoffreduktionsreaktion in der Kathode zum Erfolg verhilft. Die Katalysatorsubstanz kann zum Beispiel aus Metallen wie Platin, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium, Osmium, Wolfram, Blei, Eisen, Chrom, Kobalt, Nickel, Mangan, Vanadium, Molybdän, Gallium, Aluminium oder dergleichen gewählt werden; oder aus Legierungen auf Basis dieser Metalle. Pt und Legierungen, die Pt und andere Metalle wie Ru enthalten, sind vorzuziehen.
Als Gasdiffusionsschicht kann ein leitendes Material verwendet werden, das als Hauptbestandteil ein kohlenstoffhaltiges Material wie kohlenstoffhaltige Teilchen und/oder kohlenstoffhaltige Fasern enthält. Die Größe der kohlenstoffhaltigen Teilchen und kohlenstoffhaltigen Fasern kann unter Berücksichtigung der Dispergierbarkeit in einer Lösung zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht, des zu erzielenden Entwässerungsvermögens der Gasdiffusionsschicht oder dergleichen optimal gewählt werden. Was den Aufbau und die Materialien der Elektrode betrifft, können die auf der Innen- und Außenfläche der Elektrolytmembran angeordneten Elektroden jeweils gleich oder voneinander verschieden sein. Um das Entwässerungsvermögen für Wasser wie das erzeugte Wasser zu verbessern, wird die Gasdiffusionsschicht vorzugsweise einer Wasser abstoßenden Behandlung unterzogen, etwa auf folgende Weise: Die Gasdiffusionsschicht wird mit einem beliebigen Material wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen, Perfluorkohlenstoff-Alkoxylalkan, Ethylen-Tetrafluorethylen-Polymer oder Mischungen auf Basis von diesen oder dergleichen getränkt; oder mit Hilfe der oben genannten Materialien wird eine Wasser abstoßende Schicht ausgebildet.
Die Verfahren zur Herstellung dieser hohlförmigen Zelle, bei der auf der Innen- und Außenfläche der hohlen Elektrolytmembran des zweiten Ausführungsbeispiels ein Paar Elektroden angeordnet ist, unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Das Verfahren kann zum Beispiel wie folgt ausfallen: Es wird eine hohle Elektrolytmembran bereitgestellt; auf die Innen- und Außenfläche der Elektrolytmembran wird eine Lösung aufgebracht, die einen Elektrolyten und Katalysatorteilchen enthält, und getrocknet, um Katalysatorschichten auszubilden; und auf die beiden Katalysatorschichten wird eine Lösung aufgebracht, die kohlenstoffhaltige Teilchen und/oder kohlenstoffhaltige Fasern enthält, und getrocknet, um Gasdiffusionsschichten auszubilden. Bei diesem Verfahren werden die Katalysatorschichten und die Gasdiffusionsschichten so ausgebildet, dass auf der Innenseite der im Inneren der Elektrolytmembran ausgebildeten Gasdiffusionsschicht ein hohler Bereich vorhanden bleibt.
Alternativ kann das Verfahren wie folgt ausfallen: Ein Bauteil (ein rohrförmiges kohlenstoffhaltiges Material, das ein kohlenstoffhaltiges Material wie die kohlenstoffhaltigen Teilchen und/oder kohlenstoffhaltigen Fasern enthält und in eine Rohrform gebracht ist) wird als Gasdiffusionsschicht einer Innenelektrode (einer Anode) verwendet; auf die Außenfläche der Gasdiffusionsschicht wird eine Lösung aufgebracht, die einen Elektrolyten und Katalysatorteilchen enthält, und getrocknet, um eine Katalysatorschicht auszubilden, wodurch eine innere Elektrodenschicht hergestellt wird; als Nächstes wird auf die Außenfläche der Katalysatorschicht eine Lösung aufgebracht, die einen Elektrolyten enthält, und getrocknet, um eine Elektrolytmembranschicht auszubilden; des Weiteren wird auf der Außenfläche der Elektrolytmembranschicht eine Katalysatorschicht für eine äußere Elektrode (Kathode) ausgebildet; auf die Außenfläche der Katalysatorschicht wird eine Lösung aufgebracht, die ein kohlenstoffhaltiges Material enthält, und getrocknet, um eine Gasdiffusionsschicht auszubilden, wodurch eine äußere Elektrodenschicht hergestellt wird.
Das Verfahren zur Herstellung der hohlen Elektrolytmembran unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, wobei auch ein kommerzielles Produkt einer rohrförmigen Elektrolytmembran verwendet werden kann. Die Elektrolytmembran kann auch auf die folgende Weise erzielt werden: Ein kohlenstoffhaltiges Material wie kohlenstoffhaltige Teilchen und ein Harz auf Epoxidbasis und/oder Phenolbasis werden in einem Lösungsmittel dispergiert; und das Gemisch wird in eine Rohrform gebracht und anschließend ausgehärtet und gebacken.
Die zum Ausbilden der Elektrolytmembran, der Katalysatorschichten und der Gasdiffusionsschichten zu verwendenden Lösungsmittel werden passend in Übereinstimmung mit den zu dispergierenden und/oder zu lösenden Materialien gewählt. Zum Ausbilden jeder Schicht kann auch entsprechend ein Beschichtungsverfahren aus verschiedenen Verfahren wie einer Sprühbeschichtung, einer Aufstreichbeschichtung oder dergleichen gewählt werden.
Die für die Brennstoffzelle hohler Bauart des zweiten Ausführungsbeispiels zu verwendende hohlförmige Zelle muss nicht auf den oben genannten Aufbau beschränkt sein. Es kann auch eine beliebige andere Schicht als die Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht vorgesehen werden, um die Funktion der hohlförmigen Zelle zu verbessern. Die hohle Elektrolytmembran dieses Ausführungsbeispiels ist zwar auf der Innenseite mit der Anode und auf der Außenseite mit der Kathode versehen, doch kann sie auch auf der Innenseite mit einer Kathode und auf der Außenseite mit einer Anode versehen sein.
– Stromkollektor –
Wie in 8 und 9 gezeigt ist, können die oben beschriebenen Elektroden mit Stromkollektoren versehen sein, um die an den Elektroden erzeugten Ladungen zu einer externen Schaltung abzuführen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich der innere (anodenseitige) Stromkollektor 2 auf der Innenseite der inneren Gasdiffusionsschicht 3b. Der äußere (kathodenseitige) Stromkollektor kann, auch wenn dies nicht in 8 und 9 dargestellt ist, auf der Außenseite der äußeren Gasdiffusionsschicht 5b angeordnet sein. Wie im Folgenden erläutert wird, ist es vorzuziehen, dass das stabförmige Bauteil 10 auch als der äußere Stromkollektor fungiert. Die Form des auf der Außenseite der äußeren Gasdiffusionsschicht 5b angeordneten Kathodenstromkollektors unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Der Kathodenstromkollektor kann beispielsweise ein federförmig gewickelter Metalldraht oder gewebt oder ein stabförmiger Stromkollektor sein.
Der innere (anodenseitige) Stromkollektor 2 ist ein säulenförmiger Stromkollektor, dessen Außendurchmesser die Innenumfangsfläche der hohlförmigen Zelle berührt. Innerhalb des Hohlraums ist auf der Außenumfangsfläche des Körpers des inneren Stromkollektors ein Kanal 7 ausgebildet, der nutförmig ist und in der Axialrichtung (Längsrichtung) der hohlförmigen Zelle verläuft, sodass die Innenumfangsfläche der hohlförmigen Zelle teilweise zum Kanal 7 innerhalb des Hohlraums hin freiliegt. Durch den Kanal 7 innerhalb des Hohlraums wird ein Wasserstoffgas zugeführt. Wenn der säulenförmige innere Stromkollektor 2 aus einem leitenden Material mit äußerst hoher Gasdurchlässigkeit besteht, ist ein solcher nutförmiger Kanal innerhalb des Hohlraums, der die Innenelektrode freilegt, nicht notwendig. Es kann ein geschlossener Gaskanal, der in der Axialrichtung durch den säulenförmigen inneren Stromkollektor hindurchgeht, vorgesehen sein oder aber auch nicht. Die Form des inneren (anodenseitigen) Stromkollektors muss nicht den Beschränkungen des oben genannten Ausführungsbeispiels unterliegen und kann säulenförmig, drahtförmig, stabförmig, linear oder rohrförmig sein, falls der innere (anodenseitige) Stromkollektor aus einem elektrisch leitenden Material wie einem federförmigen Metalldraht, einer Metallfolie, einem Lagenmaterial wie einer Metalllage, einer Kohlenstofflage oder dergleichen besteht.
Das Material, das für den inneren (anodenseitigen) oder äußeren (kathodenseitigen) Stromkollektor verwendet wird, entspricht vorzugsweise mindestens einer Metallart, die aus der aus Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In oder dergleichen bestehenden Gruppe gewählt ist, oder kann eine Legierung auf Basis dieser Metalle wie Edelstahl sein. Seine Oberfläche kann des Weiteren mit Au, Pt, einem leitenden Harz oder dergleichen beschichtet sein. Angesichts der hervorragenden Korrosionsbeständigkeit sind dabei Edelstahl oder Titan zu bevorzugen. Das Drahtmaß, die Webdichte, der Durchmesser des stabförmigen Stromkollektors oder dergleichen unterliegen keinen besonderen Beschränkungen.
Die Stromkollektoren können auf den Elektroden, falls nötig, mit einem leitenden Klebstoff wie einem Klebstoff auf Kohlenstoffbasis, einer Ag-Paste oder dergleichen befestigt werden.
– Stabförmiges Bauteil –
Die Form des stabförmigen Bauteils 10 des zweiten Ausführungsbeispiels muss keinen besonderen Beschränkungen unterliegen, sofern das stabförmige Bauteil, wie in 10 gezeigt ist, eine Stabform hat und die hohlförmige Zelle 11 tragen kann, während die Spiralform der Zelle 11 beibehalten wird. Insbesondere unter dem Gesichtspunkt, die hohlförmige Zelle stabil abzustützen, das auf die Dichtungsabschnitte aufgebrachte Gewicht so gering wie möglich zu halten und die Wärmeträger (Kühl- und Heizmittel) ruhig fließen zu lassen, wenn das stabförmige Bauteil, wie im Folgenden beschrieben wird, ein Wärmeaustauschbauteil ist, hat das stabförmige Bauteil 10 vorzugsweise eine lineare Form. Der Querschnitt des stabförmigen Bauteils 10 hat unter dem Gesichtspunkt, dass sich die hohlförmige Zelle leicht um das stabförmige Bauteil wickeln lässt, vorzugsweise die Form einer geschlossenen Linie, die sich wie ein Kreis, eine Ellipse oder dergleichen nach außen krümmt.
Als Material für das stabförmige Bauteil 10 kann ein Material verwendet werden, das Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit hat, damit es die Arbeitsumgebung einer Brennstoffzelle aushält. Es lassen sich zum Beispiel Gold, Platin, Titan, Edelstahl oder dergleichen nennen. Falls Titan oder Edelstahl eine zu schlechte Korrosionsbeständigkeit hat, ist es zum Beispiel vorzuziehen, dass die Oberfläche des aus diesem Material bestehenden Kühlrohrs mit einem Material guter Korrosionsbeständigkeit wie zum Beispiel Gold, Platin oder dergleichen beschichtet (überzogen) wird.
Wie in 11 gezeigt ist, können auf der Außenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils 10 jeweils in der Richtung, die sich mit der Axialrichtung des stabförmigen Bauteils kreuzt, und in der dazu parallelen Richtung Nute angeordnet werden, die als seitlicher Gaskanal 12 und axialer Gaskanal 13 dienen sollen. Entlang der Außenumfangsfläche der hohlförmigen Zelle 11 wird durch die Gaskanäle 12 und 13 Reaktionsgas zugeführt. Falls der seitliche Gaskanal 12 und der axiale Gaskanal 13 wie beschrieben auf der Außenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils 10 angeordnet sind, kann das Reaktionsgas effektiv entlang der Außenumfangsfläche der hohlförmigen Zelle 11 zugeführt werden und kann eine Verringerung des Stromerzeugungsleistung aufgrund einer unzureichenden Zufuhr des Reaktionsgases vermieden werden. Insbesondere in dem Fall, dass die hohlförmige Zelle 11 dicht um die Außenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils 10 gewickelt ist, nimmt die Wirkung, die durch das Anordnen des axialen Gaskanals 13 auf dem stabförmigen Bauteil 10 erzielt wird, zu.
Das stabförmige Bauteil 10 dieser Form ist in der zur Axialrichtung parallelen Richtung sowie in der die Axialrichtung kreuzenden Richtung mit Gaskanälen versehen. Deswegen wird zum Beispiel durch den Gaskanal 12 ein Wassertröpfchen, das infolge des Wasserdampfs an der sich gegenseitig berührenden hohlförmigen Zelle 11 und dem stabförmigen Bauteil 10 erzeugt wird, eingefangen und sammelt sich am axialen Gaskanal 13. Dann wird das am axialen Gaskanal 13 gesammelte Wassertröpfchen in der Axialrichtung bewegt und kann nach außen abgelassen werden.
Der Innendurchmesser, der Außendurchmesser, die Länge oder dergleichen des stabförmigen Bauteils 10 unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Der Außendurchmesser des stabförmigen Bauteils 10 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3 mm, besser 0,5 bis 1 mm, noch besser 0,5 bis 0,8 mm. Ein stabförmiges Bauteil 10 mit einem Außendurchmesser von weniger als 0,5 mm kann insbesondere in dem Fall, dass das stabförmige Bauteil, wie im Folgenden beschrieben wird, ein Wärmeaustauschbauteil ist, kein ausreichendes Innenloch bilden, das als Wärmeträgerkanal dienen soll. Dagegen hat ein stabförmiges Bauteil mit einem Außendurchmesser von mehr als 3 mm das Problem, dass die Größe des stabförmigen Bauteils zu groß wird.
Das Verfahren zur Herstellung des stabförmigen Bauteils 10 unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Es lässt sich zum Beispiel ein Extrusionsformverfahren nennen, bei dem ein geschmolzenes Material in eine Form des stabförmigen Bauteils 10 geschüttet wird und anschließend spritzgegossen wird oder dergleichen.
Das stabförmige Bauteil 10 ist vorzugsweise ein Wärmeaustauschbauteil (oder ein Kühlrohr), das die hohlförmige Zelle 11 kühlen/erwärmen soll. Die in Form einer Spirale vorliegende hohlförmige Zelle 11 befindet sich mit dem stabförmigen Bauteil 10 in Linearkontakt. Indem zwischen der hohlförmigen Zelle 11 und dem stabförmigen Bauteil 10 Wärme ausgetauscht wird, ist es möglich, die Anzahl der Bestandteile der Brennstoffzelle und ihre Größe zu verringern (die Brennstoffzelle zu verkleinern).
Wie in 10 gezeigt ist, ist das Wärmeaustauschbauteil (Kühlrohr) 10 ein Bauteil, das im Inneren einen Wärmeträgerkanal 14 hat. Wenn durch das Wärmeaustauschbauteil 10 ein Kühlmittel geht, fungiert das Wärmeaustauschbauteil 10 als ein Kühlrohr, das die hohlförmige Zelle kühlt. Wenn dagegen ein Heizmittel durch das Wärmeaustauschbauteil 10 geht, fungiert das Wärmeaustauschbauteil 10 als ein Heizrohr, das die hohlförmige Zelle erhitzt.
Sofern das Wärmeaustauschbauteil der Erfindung hohlförmig ist und mit dem Wärmeträgerkanal 14 versehen ist, unterliegt seine Form keinen besonderen Beschränkungen. Unter dem Gesichtspunkt eines ruhigen Flusses des Wärmeträgers (Kühl- oder Heizmittel) liegt das Wärmeaustauschbauteil 14 jedoch vorzugsweise in einer linearen Form vor. Der Quer schnitt des Wärmeaustauschbauteils 14 hat vorzugsweise die Form einer geschlossenen Kurve, die sich wie ein Kreis, eine Ellipse oder dergleichen nach außen krümmt, damit sich die hohlförmige Zelle leicht um das stabförmige Bauteil wickeln lässt. Neben dem Wärmeaustauschbauteil 10 mit dem einzelnen Wärmeträgerkanal 14 im Inneren kann es auch Ausführungsbeispiele wie ein Wärmeaustauschbauteil mit einer Vielzahl von Wärmeträgerkanälen im Inneren, eine Kombination von Wärmeaustauschbauteilen, deren Wände eine Einheit bilden, usw. geben.
Für das Material des Wärmeaustauschbauteils kann ein Material verwendet werden, wie es üblicherweise für ein Wärmeaustauschbauteil verwendet wird, das Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit hat, damit es die Arbeitsumgebung einer Brennstoffzelle aushält. Es lassen sich zum Beispiel Gold, Platin, Titan, Edelstahl oder dergleichen nennen. Wenn Titan oder Edelstahl eine zu schlechte Korrosionsbeständigkeit hat, ist es zum Beispiel vorzuziehen, dass die Oberfläche des aus dem obigen Material hergestellten Kühlrohrs mit einem Material hervorragender Korrosionsbeständigkeit wie zum Beispiel Gold, Platin oder dergleichen beschichtet (überzogen) wird.
Durch den Wärmeträgerkanal 14 fließt ein Wärmeträger wie Wasser oder dergleichen. Indem die hohlförmige Zelle 11 so um das Wärmeaustauschbauteil 10 herum angeordnet wird, dass sich die Außenumfangsfläche der hohlförmigen Zelle 11 spiralförmig mit der linearen Außenumfangsfläche des Wärmeaustauschbauteils 10 in Kontakt befindet, wird die Kontaktlänge erhöht, sodass die hohlförmige Zelle 11 bei fließendem Wärmeträger effizient gekühlt werden kann.
Die Form des Wärmeträgerkanals 14 ist nicht beschränkt, sofern der Wärmeträgerkanal 14 eine hohle Form hat.
Allerdings hat der Wärmeträgerkanal 14 vorzugsweise eine lineare Form, damit der Wärmeträger ruhig fließen kann. Der Querschnitt des Wärmeträgerkanals 14 kann zum Beispiel in Form einer geschlossenen Linie, die wie ein Kreis, eine Ellipse oder dergleichen nach außen gekrümmt ist, oder als ein Rechteck vorliegen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der Wärmeträger, der innerhalb des Wärmeaustauschbauteils der Erfindung fließt, muss nicht auf Wasser beschränkt sein, sondern kann auch eine Flüssigkeit wie Ethylenglykol oder dergleichen, ein Gas oder ein anderer Wärmeträger sein.
Da sich die in Form einer Spirale ausgebildete hohlförmige Zelle 11 in Linearkontakt mit dem stabförmigen Bauteil 10 befindet, fungiert das stabförmige Bauteil 10 außerdem als ein Stromkollektor. Indem das stabförmige Bauteil 10 elektrischen Strom von der hohlförmigen Zelle 11 sammelt, können die Anzahl der Bestandteile der Brennstoffzelle und ihre Größe verringert (die Brennstoffzelle verkleinert) werden. Falls das stabförmige Bauteil als Stromkollektor fungieren soll, kann für das stabförmige Bauteil das Material des Stromkollektors verwendet werden, das in der Beschreibung der hohlförmigen Zelle erläutert wurde.
Darüber hinaus ist es mit dem stabförmigen Bauteil 10, das dem Wärmeaustauschbauteil entspricht und außerdem als Stromkollektor fungiert, möglich, das Modul weiter zu verkleinern. Wenn das stabförmige Bauteil als Wärmeaustauschbauteil und Stromkollektor fungieren soll, liegt das stabförmige Bauteil in Form des oben beschriebenen Wärmeaustauschbauteils vor und wird sein Material passend so gewählt, dass es Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit hat, damit es die Arbeitsumgebung einer Brennstoffzelle aushält und gute elektrische Leitfähigkeit hat. Beispiele für Materialien mit guter Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit sind Gold, Platin, Kupfer usw. Kupfer hat eine zu schlechte Korrosionsbeständigkeit, als dass es die Arbeitsumgebung einer Brennstoffzelle aushalten kann. Wenn Kupfer verwendet wird, muss die gesamte Oberfläche des aus Kupfer bestehenden stabförmigen Bauteils 10 mit einem Material guter Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit wie zum Beispiel einem Edelmetall wie Gold, Platin oder dergleichen beschichtet (überzogen) werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Als Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des stabförmigen Bauteils 10 kann neben dem Beschichtungsverfahren zum Beispiel ein Verfahren verwendet werden, bei dem auf dem Wärmeaustauschbauteil 10 ein Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit angeordnet wird. In dem Wärmeaustauschbauteil 10 kann zum Beispiel ein drahtförmiges Stabmaterial aus einem hochgradig leitfähigen Material eingebettet werden, das Wärmeaustauschbauteil 10 kann einen mehrlagigen Aufbau haben, dessen Kern der Achse der hohlen Form entspricht, wobei die Lagen des Wärmeaustauschbauteils 10 in der Mitte aus hochgradig leitfähigen Materialien bestehen, oder dergleichen.
Falls das stabförmige Bauteil 10 als Wärmeaustauschbauteil und Stromkollektor fungieren soll, kann auf der Innenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils 10, falls nötig, eine Isolierschicht angeordnet werden, um einen elektrischen Leckstrom in den im Wärmeträgerkanal fließenden Wärmeträger zu verhindern. Das Verfahren zum Anordnen der Isolierschicht unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Es lässt sich zum Beispiel ein Verfahren nennen, bei dem die Innenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils mit einem Material beschichtet wird, das ein gutes elektrisches Isoliervermögen, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit hat, beispielsweise mit einem Fluorharz wie Polytetrafluorethylenharz (PTFE), einem Tetrafluorethylen-Perfluor(alkoxyvinylether)-Copolymerharz (PFA) oder dergleichen, ein Verfahren, bei dem in engem Kontakt mit der Innenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils ein rohrförmiges Bauteil mit gutem elektrischem Isoliervermögen, guter Wärmeleitfähigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit wie zum Beispiel ein Rohr aus Silikongummi, ein Rohr aus Silikongummi mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen wird, oder dergleichen.
– Brennstoffzelle hohler Bauart des zweiten Ausführungsbeispiels –
12 ist eine Außenansicht, die schematisch ein Modul 100 zeigt, das einer Gruppe hohlförmiger Zellen mit mehreren eine Einheit bildender Bauteile entspricht, einschließlich der hohlförmigen Zelle 11 des zweiten Ausführungsbeispiels und des stabförmigen Bauteils 10, das als Wärmeaustauschbauteil und Stromkollektor fungiert. An beiden Enden des Moduls 100 sind Gasverteiler 98a und 98b, um Wasserstoffgas in die Hohlräume der hohlförmigen Zellen 11, 11 ... einzuführen, und Kaltwasserverteiler 99a und 99b vorgesehen, um einen Wärmeträger in die stabförmigen Bauteile 10, 10 ... einzuführen. Des Weiteren gibt es (nicht gezeigte) Stromkollektorbauteile, um die an jeder hohlförmigen Zelle 11, 11 ... erzeugte elektrische Ladung zu sammeln. Für die elektrochemische Reaktion wird Wasserstoff verwendet, der dem Modul 100 über den Gasverteiler auf der Einlassseite (zum Beispiel 98a) zugeführt wird und der durch die Kanäle 14, 14 ... im Hohlraum jeder hohlförmigen Zelle 11, 11 ... geht. Der Wasserstoff oder dergleichen, der nicht für die elektrochemische Reaktion genutzt wird, wird über den Gasverteiler auf der Auslassseite (zum Beispiel 98b) gesammelt. Außerdem ist in dem Modul 100 eines der Stromkollektorbauteile elektrisch mit den inneren (anodenseitigen) Stromkollektoren 3, 3 ... der hohlförmigen Zellen 11, 11 ... verbunden, während das andere elektrisch mit den stabförmigen Bauteilen 10, 10 ... verbunden ist, die auch als Stromkollektor fungieren. Dadurch wird die an den hohlförmigen Zellen 11; 11 ... erzeugte elektrische Ladung gesammelt.
Wie in 13 und 14 gezeigt ist, nimmt eine Kassette 600 eine Vielzahl der Module 100 auf, die in Serie oder parallel verbunden sind, sodass sich eine Brennstoffzelle hohler Bauart 601 (nachstehend einfach als Brennstoffzelle bezeichnet) ergibt. 14 zeigt die Rückseite der in 13 gezeigten Brennstoffzelle, wobei das Gitterbauteil, das sich gewöhnlich auf der Seitenfläche der Brennstoffzelle befindet, in 14 fehlt, um den Innenaufbau der Brennstoffzelle klarzustellen.
Auf der Deckfläche der Kassette 600 sind ein Reaktionsgaseinlass 500 (für beispielsweise Sauerstoff), ein Reaktionsgasauslass 510 und ein Kühlwassereinlass/auslass 520 vorgesehen. An den beiden Seitenflächen der Kassette 600, die sich gegenüberliegen, ist ein Gitterbauteil 550 vorgesehen. Falls das in den Reaktionsgaseinlass 500 einzuführende Gas Wasserstoff ist, wird der Brennstoffzelle 601 in der Richtung durch das Gitterbauteil 550 hindurch Luft zugeführt. In 13 wird die durch das Gitterbauteil 550 zugeführte Luft von der anderen Gitterbauteilseite abgegeben, wobei auf der Rückseite der Kassette 600 das andere Gitterbauteil vorgesehen ist (nicht in 14 gezeigt). Wenn die Brennstoffzelle 601 dieses Ausführungsbeispiels in Betrieb ist, erzeugt das Modul 100 Wärme. Die Temperatur wird durch ein Verfahren gesteuert, bei dem zum Beispiel Wasser, das dem Kühlwassereinlass/auslass 520 zugeführt bzw. von ihm abgegeben wird, erlaubt wird, durch die in dem Modul 100 vorgesehenen Kühlrohre zu fließen, oder dergleichen.
Wie oben erläutert wurde, ist die Brennstoffzelle 601 des zweiten Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl der oben beschriebenen Module 100 versehen. Indem die Länge jeder hohlförmigen Zelle der Module 100 erhöht wird und die Anzahl der Dichtungsabschnitte pro Zellenvolumen verringert wird, kann eine Beschädigung der Dichtungsabschnitte der Brennstoffzelle 601 vermieden werden.
Die Erfindung wurde oben ausführlich anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert: dem ersten Ausführungsbeispiel, in dem das stabförmige Bauteil kein wesentliches Element ist, und dem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem das stabförmige Bauteil ein wesentliches Element ist. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Die oben genannten Ausführungsbeispiele dienen allein der Veranschaulichung. Ausführungsbeispiele mit im Wesentlichen dem gleichen Aufbau wie dem der in den Ansprüchen offenbarten technischen Idee und mit ähnlicher Wirkung fallen ebenfalls unter den Schutzumfang der Erfindung.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben wurde, haben die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit für die Brennstoffzelle hohler Bauart und die diese verwendende Brennstoffzelle hohler Bauart eine hohe Reaktionsfläche pro Volumeneinheit für die Stromerzeugung, sie lassen sich leicht verkleinern und sind besonders geeignet, um als tragbare oder mobile Batterien (Stromversorger) verwendet zu werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle vorgesehen, die dazu imstande ist, die Leistungsdichte pro Volumeneinheit zu verbessern, wobei die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für die Brennstoffzelle eine hohle Festelektrolytmembran, eine auf der Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete äußere Elektrodenschicht und eine auf der Innenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete innere Elektrodenschicht umfasst, und die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit in Form einer Spirale ausgebildet ist.

Claims

Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die eine Festelektrolytmembran mit hohler Form, eine auf der Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete äußere Elektrodenschicht und eine auf der Innenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildete innere Elektrodenschicht umfasst, wobei die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle in Form einer Spirale ausgebildet ist.
Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle einen auf der Außenumfangsfläche der äußeren Elektrodenschicht angeordneten äußeren Stromkollektor und einen auf der Innenumfangsschicht der inneren Elektrodenschicht angeordneten inneren Stromkollektor hat.
Hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die hohlförmige Festelektrolytmembran eine rohrförmige Festelektrolytmembran ist.
Brennstoffzelle hohler Bauart mit einer hohlförmigen Zelle, die eine hohlförmige Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle verwendet, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert ist.
Brennstoffzelle hohler Bauart nach Anspruch 4, wobei die Brennstoffzelle hohler Bauart außerdem ein stabförmiges Bauteil enthält und die hohlförmige Zelle spiralförmig gewunden um die Außenseite des stabförmigen Bauteils herum angeordnet ist.
Brennstoffzelle hohler Bauart nach Anspruch 5, wobei die Kontaktlänge der hohlförmigen Zelle und des stabförmigen Bauteils 1,5 bis 10mal länger als die Gesamtlänge des stabförmigen Bauteils ist.
Brennstoffzelle hohler Bauart nach Anspruch 5 oder 6, wobei das stabförmige Bauteil ein Wärmeaustauschbauteil ist, um die Temperatur der hohlförmigen Zelle steuern zu können.
Brennstoffzelle hohler Bauart nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das stabförmige Bauteil elektrische Leitfähigkeit hat und als ein Stromkollektor einer äußeren Elektrodenschicht fungiert, die auf der Außenumfangsfläche der Festelektrolytmembran ausgebildet ist.
Brennstoffzelle hohler Bauart nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das stabförmige Bauteil das Wärmeaustauschbauteil ist und als der Stromkollektor fungiert.
Brennstoffzelle hohler Bauart nach Anspruch 9, wobei innerhalb des Wärmeaustauschbauteils ein Wärmeträger fließt und zumindest ein Teil der Innenfläche des Wärmeaustauschbauteils, die den Wärmeträger berührt, aus einem Material mit elektrischem Isoliervermögen besteht.
Brennstoffzelle hohler Bauart nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei auf der Außenumfangsfläche des stabförmigen Bauteils ein Gaskanal ausgebildet ist.