-
Technischer Bereich
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenmodul,
welches röhrenförmige Brennstoffzellen
umfasst, und eine Brennstoffzelle, welche das Brennstoffzellenmodul
umfasst. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Brennstoffzellenmodul,
welches röhrenförmige Brennstoffzellen
umfasst und dazu fähig
ist, eine Stromsammeleffizienz zu verbessern, und auf eine Brennstoffzelle,
welche das Brennstoffzellenmodul umfasst.
-
Verwandter Stand der Technik
-
In
einer herkömmlichen
Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
(hiernach als „PEFC" bezeichnet) wird
durch eine elektrochemische Reaktion erzeugte elektrische Energie,
die in einer Membran-Elektroden-Baugruppe (hiernach als „MEA" bezeichnet) hergestellt
wird, welche eine Plattenelektrolytmembran und jeweils auf beiden
Seiten der Elektrolytmembran angeordnete Elektroden (eine Kathode
und eine Anode) umfasst, zu einer Außenseite der PEFC über auf
beiden Seiten der MEA angeordneten Separatoren entnommen. Diese
PEFC kann in einem niedrigen Temperaturbereich betrieben werden
und wird im Allgemeinen bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C bis 100°C verwendet.
Darüber
hinaus wird aufgrund von hoher Energieumwandlungseffizienz von 30%
bis 40%, kurzer Anlaufzeit und kleiner Größe und gleichgewichtigem System
von der PEFC erwartet, als eine optimale Energiequelle für ein Batterieauto
oder eine tragbare Energieversorgung zu dienen.
-
Indessen
umfasst eine Brennstoffzelle einer herkömmlichen PEFC solche aufbauenden
Elemente wie eine Elektrolytmembran, eine Kathode und eine Anode,
welche jeweils eine Katalysatorschicht umfassen, und einen Separator,
und ihre theoretische elektromotorische Kraft ist 1,23 Volt. Eine
solche niedrige elektromotorische Kraft ist als Energiequelle eines
Batterieautos oder dergleichen unzureichend. Aufgrund dessen wird
normaler Weise eine Stapelbrennstoffzelle, welche durch Anordnen
von Endplatten oder dergleichen auf beiden Enden eines laminierten
Körpers
konfiguriert ist, in welchem Einheitszellen in Reihe in einer Laminationsrichtung
laminiert werden, als Energiequelle verwendet. Es ist jedoch bevorzugt,
eine Einheitszelle zu verkleinern und eine elektrische Energie erzeugende
Reaktionsfläche (Ausgangsdichte)
pro Einheitsfläche
zu erhöhen,
um die elektrische Energieerzeugungseffizienz der PEFC (hiernach
manchmal einfach als „Brennstoffzelle" bezeichnet) zu verbessern.
-
Um
die Ausgangsdichte der herkömmlichen Plattenbrennstoffzelle
(hiernach manchmal als „Platten-FC" bezeichnet) pro
Einheitsfläche
zu erhöhen und
die elektrische Energieerzeugungseffizienz davon zu verbessern,
ist es notwendig, die vorstehenden aufbauenden Elemente der Platten-FC
dünner zu
machen. Wenn jedoch die Dicke der aufbauenden Elemente der Platten-FC
gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Dicke festgesetzt wird,
können
Funktionen, Festigkeiten und dergleichen der entsprechenden aufbauenden
Elemente möglicher
Weise verringert werden. Aus diesem Grund ist es strukturell schwierig,
die Ausgangsdichte der wie vorstehend beschrieben konfigurierten
Brennstoffzelle pro Einheitsfläche
zu erhöhen,
so dass diese gleich oder höher
als eine gewisse Dichte ist.
-
Von
diesen Standpunkten aus wurden in jüngster Zeit Studien über eine
röhrenförmige Brennstoffzelle
(hiernach manchmal als „röhrenförmige FC" bezeichnet) durchgeführt. Eine
Einheitszelle der röhrenförmigen FC
umfasst eine hohlförmige
MEA (hiernach manchmal als „hohle
MEA" bezeichnet), die
eine hohle Elektrolytschicht und hohle Elektrodenschichten umfasst,
die jeweils im Inneren und außerhalb
der hohlen Elektrolytschicht angeordnet sind. Eine elektrochemische
Reaktion wird durch Zuführen
von Reaktionsgasen (ein auf Wasserstoff beruhendes Gas und ein auf
Sauerstoff beruhendes Gas) zu der Innenseite und Außenseite
der hohlen MEA jeweils hergestellt und durch die elektrochemische
Reaktion erzeugte elektrische Energie wird zur Außenseite über Stromkollektoren
entnommen, die auf der Innenseite und Außenseite der hohlen MEA angeordnet
sind. Die röhrenförmige FC
erleichtert nämlich
das Entnehmen der elektrischen Energie durch Zuführen eines der Reaktionsgase
(des auf Wasserstoff beruhenden Gases oder auf Sauerstoff beruhenden
Gases) zu der Innenseite der hohlen MEA, die in jeder röhrenförmigen FC-Zelle
enthalten ist, und des anderen Reaktionsgases (des auf Sauerstoff
beruhenden Gases oder auf Wasserstoff beruhenden Gases) zu der Außenseite
der hohlen MEA. Wie ersehen werden kann, ist es durch Zuführen eines
gleichen Reaktionsgases zur Außenseitenoberfläche von
zwei angrenzenden röhrenförmigen FC-Zellen
in der röhrenförmigen FC
möglich,
auf Separatoren zu verzichten, die ein Gas abschirmendes Leistungsverhalten
in der herkömmlichen
Platten-FC aufweisen. Demzufolge ermöglicht die röhrenförmige FC
effizient das Verkleinern der Einheitszellen.
-
Um
andererseits das Energieerzeugungs-Leistungsverhalten der röhrenförmigen FC weiter
zu verbessern, ist es bevorzugt, die Effizienz (Stromsammeleffizienz)
zum Entnehmen der elektrischen Energie zu der Außenseite zu verbessern, die in
jeder röhrenförmigen FC-Zelle
erzeugt wurde. Solche Verbesserung der Stromsammeleffizienz kann erreicht
werden durch solche Einrichtungen wie eine zum Kontaktieren eines Stromkollektors
mit einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen.
-
Verschiedene
Techniken, die zum Verbessern der Stromsammeleffizienz der röhrenförmigen FC
gedacht sind, wurden bislang offenbart. Zum Beispiel offenbart die
offen gelegte japanische Patentanmeldung (JP-A) Nr. 2004-288542
eine Technik, welche sich auf ein Brennstoffzellensystem bezieht,
das eine Zellenbaugruppe umfasst, welche durch Verbinden einer Mehrzahl
von röhrenförmigen FC-Zellen eine
an die andere über
Zellenverbindungs-Leiterelemente und ein Elektrodenverbindungs-Leiterelement verbunden
sind, die mit der Zellenanordnung verbunden sind. Mit der darin
offenbarten Technik wird die Verbindung zwischen den Zellenverbindungs-Leiterelementen
und dem Elektrodenverbindungs-Leiterelement, welche jeweils eine
Stromsammelfähigkeit umfassen,
aufrecht erhalten, so dass eine Brennstoffzelle mit einem stabilen
elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsverhalten bereitgestellt
werden kann. Darüber
hinaus offenbart JP-A Nr. 8-162142 eine Technik, die sich auf eine
Feststoff-PEFC bezieht, welche eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen
und eine Scheidewand umfassen. Mit der darin offenbarten Technik
kann eine Feststoff-PEFC mit einem verbesserten elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsverhalten
bereitgestellt werden.
-
Die
in JP-A Nr. 2004-288542 offenbarte Technik weist jedoch das folgende
Problem auf. Da die Zellenbaugruppe mit dem Elektrodenverbindungs-Leiterelement über die
Zellenverbindungs-Leiterelemente und die entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen
verbunden werden kann, wird der Verbindungswiderstand möglicher
Weise erhöht
und die Stromsammeleffizienz möglicherweise
verschlechtert. Ferner weist die in JP-A Nr. 8-162142 offenbarte Technik
das Problem auf, dass die Stromsammeleffizienz schwierig zu verbessern
ist.
-
Es
ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellenmodul,
welches eine röhrenförmige Brennstoffzelle
umfasst und dazu fähig ist,
die Stromsammeleffizienz zu verbessern, sowie eine Brennstoffzelle,
welche das Brennstoffzellenmodul umfasst, zur Verfügung zu
stellen.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Um
die Probleme zu lösen,
nimmt die vorliegende Erfindung die folgenden Maßnahmen vor. Gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird nämlich ein Brennstoffzellenmodul
bereitgestellt, welches umfasst: eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen,
die parallel angeordnet sind; und einen ersten Stromkollektor, wobei
die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
durch den ersten Stromkollektor in einer Richtung verwoben sind,
welche eine axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzelle in einer
ebenen Ansicht kreuzen.
-
Hier
bedeutet „parallel
angeordnet", dass axiale
Richtungen eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
parallel zueinander stehen, und dass die entsprechenden röhrenförmigen Brennstoffzellen
in einer Richtung nahezu im rechten Winkel zu der axialen Richtung
angeordnet sind. Wenn eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen parallel
angeordnet ist, kann eine geschichtete röhrenförmige Brennstoffzellen-Baugruppe
(hiernach ebenso als „FC-Zellenschicht" bezeichnet) gebildet
werden. Die Anzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
ist nicht auf eine spezielle Anzahl begrenzt, solange die Anzahl
zwei oder mehr ist, und eine geeignete Anzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
kann angesichts der Ausgangsdichte, der Produktivität und dergleichen
des Brennstoffzellenmoduls gebildet werden. Der „erste Stromkollektor" bedeutet einen kreuzend
gerichteten Stromkollektor, der Ladungen in der kreuzenden Richtung
der röhrenförmigen Brennstoffzellen
sammelt. Ferner bedeutet „verwoben
in einer Richtung, welche eine axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzelle
in einer ebenen Ansicht kreuzt",
dass eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
integral durch den ersten Stromkollektor durch Ausbreiten des ersten
Stromkollektors in der kreuzenden Richtung der parallel angeordneten röhrenförmigen Brennstoffzellen
befestigt werden kann.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Brennstoffzellenmodul
ferner einen zweiten Stromkollektor umfassen, der parallel zu der Mehrzahl
von röhrenförmigen Brennstoffzellen
angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen und
der zweite Stromkollektor durch den ersten Stromkollektor in der
Richtung, welche die axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzellen in
der ebenen Ansicht kreuzt, verwoben sein kann.
-
Hier
bedeutet „die
Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
und der zweite Stromkollektor sind durch den ersten Stromkollektor
in der Richtung, welche die axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzellen
in der ebenen Ansicht kreuzt, verwoben", dass der zweite Stromkollektor und
eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
integral durch den ersten Stromkollektor durch Ausbreiten des ersten
Stromkollektors in der kreuzenden Richtung des zweiten Stromkollektors
und der parallel angeordneten röhrenförmigen Brennstoffzelle
befestigt werden kann. Die Anzahl der zweiten Stromkollektoren,
die gemäß des ersten
Aspekts der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, ist nicht
auf eine spezifische begrenzt, und eine geeignete Anzahl von zweiten
Stromkollektoren kann angesichts der Stromsammeleffizienz, der Produktivität und dergleichen
gebildet werden. In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung
kann ein spezifisches Beispiel des zweiten Stromkollektors einen
axial gerichteten Stromkollektor einschließen.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung (einschließlich Modifikationen,
dies ist im Folgenden das Gleiche) kann der zweite Stromkollektor an
einem Ende einer Anordnung der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet
sein.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der zweite Stromkollektor
parallel zu und abwechselnd mit der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
angeordnet sein.
-
Hier
bedeutet „parallel
zu und abwechselnd angeordnet mit" eine Konfiguration, in welcher der zweite
Stromkollektor zwischen der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet
ist.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der erste Stromkollektor
gasdurchlässig sein.
-
Hier
bedeutet „gasdurchlässig", dass der erste
Stromkollektor so konfiguriert ist, dass er dazu fähig ist,
Gas in eine Richtung, zum Beispiel des Durchdringens des ersten
Stromkollektors (zum Beispiel eine Dickenrichtung der FC-Zellenschicht), durchdringen
zu lassen. Beispiele des gasdurchlässigen ersten Stromkollektors
können
einen ersten Stromkollektor einschließen, welcher durch ein leitfähiges poröses Element
gebildet wird.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann das Brennstoffzellenmodul
ferner einen dritten Stromkollektor in Kontakt mit dem ersten Stromkollektor
umfassen, und die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
und der zweite Stromkollektor, welche durch den ersten Stromkollektor und
den dritten Stromkollektor verwoben sind, können abwechselnd laminiert
werden.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann der dritte Stromkollektor
ein Rost oder eine flache Gitterplatte sein.
-
Hierin
bedeutet „Rost" eine Form mit einer Mehrzahl
von parallel zu einer Richtung gebildeten durchgehenden Löchern, und „Gitter" bedeutet eine Form
mit einer Mehrzahl von in zwei einander kreuzenden Richtungen gebildeten
durchgehenden Löchern.
Die „durchgehenden
Löcher" bedeuten Öffnungen,
die gebildet werden, um die Dickenrichtung des dritten Stromkollektors
zu durchdringen. In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist die Anzahl der durchgehenden Löcher, die gebildet werden können, nicht
auf eine spezifische begrenzt, und eine geeignete Anzahl von durchgehenden
Löchern
kann angesichts der Stromsammeleffizienz, der Produktivität des dritten
Stromkollektors und dergleichen gebildet werden. Daneben ist eine
Form der durchgehenden Löchern
nicht auf eine spezifische begrenzt, und durchgehende Löcher in
einer geeigneten Form wie ein quadratisches Loch, ein rechteckiges
Loch oder ein elliptisches Loch können angesichts der Stromsammeleffizienz,
der Produktivität
und dergleichen gebildet werden. Um die Stromsammeleffizienz zu
verbessern, ist es bevorzugt, dass der erste Stromkollektor, der
zweite Stromkollektor und der dritte Stromkollektor miteinander
integriert sind. Spezifische Beispiele der integrierten Konfiguration
können
eine Konfiguration einschließen,
in welcher die röhrenförmigen FC-Zellen,
der zweite Stromkollektor und der dritte Stromkollektor zusammen
durch den ersten Stromkollektor verbunden sind.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle
zur Verfügung
gestellt, welche das Brennstoffzellenmodul gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden
Erfindung umfasst.
-
EFFEKT DER ERFINDUNG
-
Gemäß des ersten
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
durch den ersten Stromkollektor verwoben. Aufgrund dessen ist es
möglich,
Strom in der kreuzenden Richtung über den ersten Stromkollektor effektiv
zu sammeln. Folglich ist es durch ein solches Konfigurieren möglich, ein
Brennstoffzellenmodul zur Verfügung
zu stellen, welches dazu fähig
ist, die Stromsammeleffizienz zu verbessern.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn der zweite Stromkollektor
und eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
durch den ersten Stromkollektor verwoben sind und der erste Stromkollektor
mit dem zweiten Stromkollektor kontaktiert, können Ladungen, die in der kreuzenden Richtung über den
ersten Stromkollektor gesammelt werden, in der axialen Richtung über den
zweiten Stromkollektor übertragen
werden. Folglich ist es durch ein solches Konfigurieren möglich, ein
Brennstoffzellenmodul zur Verfügung
zu stellen, welches dazu fähig
ist, die Stromsammeleffizienz zu verbessern.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn der zweite Stromkollektor
auf einem Ende eine Anordnung der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet
ist, ist es möglich, einen
Anstieg der Anzahl von aufbauenden Elementen des Brennstoffzellenmoduls
zu unterdrücken. Folglich
kann zusätzlich
zu einigen Vorteilen die Produktivität des Brennstoffzellenmoduls
in vorteilhafter Weise verbessert werden.
-
In
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn der zweite Stromkollektor
und die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
parallel zu und abwechselnd miteinander angeordnet sind und durch
den ersten Stromkollektor verwoben werden, ist es möglich, die
Stromsammeleffizienz durch Verbessern der Effizienz zum Übertragen
von Ladungen in der axialen Richtung zu verbessern.
-
Darüber hinaus
kann in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn das Brennstoffzellenmodul
einen gasdurchlässigen
ersten Stromkollektor umfasst, die Gasdiffusionseigenschaft verbessert
werden.
-
Darüber hinaus
ist es in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn die
röhrenförmigen Brennstoffzellen
und der zweite Stromkollektor, die integral durch den ersten Stromkollektor
befestigt werden, und der dritte Stromkollektor abwechselnd laminiert
werden, möglich,
die Stromsammeleffizienz durch Sammeln von Strom über den
dritten Stromkollektor weiter zu verbessern.
-
Ferner
ist es in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn ein
durchgehendes Loch in dem dritten Stromkollektor gebildet wird,
möglich, Strom
in der kreuzenden Richtung über
den ersten Stromkollektor und einen Rahmen des durchgehenden Loches
zu sammeln und die Verbesserung der Stromsammeleffizienz in der
kreuzenden Richtung zu erleichtern.
-
Gemäß des zweiten
Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennstoffzelle ein
Brennstoffzellenmodul, welches dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz
zu verbessern. Folglich ist es möglich,
eine Brennstoffzelle zur Verfügung
zu stellen, welche dazu fähig
ist, das elektrische Energieerzeugungs-Leistungsverhalten durch
Verbessern des Stromsammel-Leistungsverhaltens zu verbessern.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch röhrenförmige Brennstoffzellen und
erste und zweite Stromkollektor zeigt, die in einem Brennstoffzellenmodul
gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
-
2 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch röhrenförmige Brennstoffzellen und
erste und zweite Stromkollektor zeigt, die in einem Brennstoffzellenmodul
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
-
3 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch eine Brennstoffzellen-Baugruppe
und einen dritten Stromkollektor zeigt, der in einem Brennstoffzellenmodul
gemäß einer
dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung enthalten ist.
-
4 ist
eine Vorderansicht, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration
des dritten Stromkollektors gemäß der dritten
Ausführungsform zeigt.
-
5 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch das Brennstoffzellenmodul
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, welches die Brennstoffzellen-Baugruppen gemäß der zweiten
Ausführungsform
umfasst.
-
6 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration
einer Brennstoffzelle zeigt, welche die Brennstoffzellenmodule gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst.
-
7 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration
einer Brennstoffzelle zeigt, welche die Brennstoffzellenmodule gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst.
-
8 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch eine herkömmliche
röhrenförmige FC-Zelle und
ein herkömmliches
Brennstoffzellenmodul zeigt, welches die röhrenförmigen FC-Zellen umfasst.
-
In
den beigefügten
Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 10 eine röhrenförmige Brennstoffzelle
(röhrenförmige FC-Zelle), 30 bezeichnet
einen dritten Stromkollektor, 31 bezeichnet ein durchgehendes Loch, 32 bezeichnet
einen dritten Stromkollektor, 33 bezeichnet ein durchgehendes
Loch, 35 bezeichnet einen ersten Stromkollektor, 40 bezeichnet
einen zweiten Stromkollektor, 41 bezeichnet einen zweiten Stromkollektor, 100 bezeichnet
ein Brennstoffzellenmodul und 1000 bezeichnet eine Brennstoffzelle.
-
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
-
Studien über eine
röhrenförmige FC
wurden angesichts zum Beispiel eines Steigerns ihrer Ausgangsdichte
pro Einheitsvolumen durchgeführt.
Um die Ausgangsdichte der röhrenförmigen FC
weiter zu erhöhen,
ist es bevorzugt, eine Packungsdichte der röhrenförmigen FC-Zellen, die in der
röhrenförmigen FC
enthalten sind, zu steigern. Selbst wenn andererseits die Packungsdichte
der röhrenförmigen FC-Zellen gesteigert
wird, ist es schwierig, die Ausgangsdichte der röhrenförmigen FC effizient zu steigern, wenn
die Effizienz zum Sammeln von Ladungen (Sammeln von Strömen), die
in den entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen erzeugt werden,
niedrig ist. Es ist folglich bevorzugt, eine röhrenförmige FC zur Verfügung zu
stellen, welche dazu fähig
ist, die Ausgangsdichte durch Verbessern der Stromsammeleffizienz
effizient zu steigern.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde von diesen Standpunkten aus gemacht.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenmodul
zur Verfügung
zu stellen, welches dazu fähig ist,
die Stromsammeleffizienz durch Konfigurieren zu verbessern, um eine
Mehrzahl von parallel angeordneten röhrenförmigen FC-Zellen und einen Stromkollektor in Kontakt
mit röhrenförmigen FC-Zellen
zu umfassen. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es,
eine Brennstoffzelle zur Verfügung
zu stellen, welche dazu fähig
ist, die Stromsammeleffizienz durch Konfigurieren zu verbessern,
um die Brennstoffzellenmodule zu umfassen.
-
Um
das Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, werden zunächst eine
röhrenförmige FC-Zelle, ein
die röhrenförmige FC-Zelle
umfassendes Brennstoffzellenmodul, und eine das Brennstoffzellenmodul
umfassende Brennstoffzelle zunächst
beschrieben.
-
8 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch eine herkömmliche
röhrenförmige FC-Zelle und
ein herkömmliches
Brennstoffzellenmodul zeigt, das die röhrenförmigen Brennstoffzellen umfasst.
Um zu helfen, eine interne Struktur der röhrenförmigen FC zu verstehen, zeigt 8 aufbauende
Elemente der röhrenförmigen FC
in geeigneter Weise in einer Schnittansicht.
-
Wie
in 8(A) gezeigt wird, umfasst eine herkömmliche
röhrenförmige FC-Zelle 10 eine
MEA 15, die eine hohle Elektrolytmembran 11 (zum
Beispiel eine auf Fluor beruhende Ionenaustauschharzmembran wie
Nafion, ein registriertes Warenzeichen von E. I. Du Pont de Nemours
and Company), eine hohle Anodenkatalysatorschicht 12 und
eine hohle Kathodenkatalysatorschicht 13, die jeweils auf
der Innenseite und der Außenseite
der Elektrolytmembran 11 angeordnet sind, einen Anodenstromkollektor 16, der
so angeordnet ist, dass eine äußere Umfangsoberfläche des
Anodenstromkollektors 16 mit einer inneren Umfangsoberfläche der
Anodenkatalysatorschicht 12 kontaktiert, und Kathodenstromkollektoren 17a und 17b,
die angeordnet sind, um mit einer äußeren Umfangsoberfläche der
hohlen Katalysatorschicht 13 zu kontaktieren, umfasst.
In der darin gezeigten röhrenförmigen FC-Zelle 10 sind
Reaktionsgasdurchgänge 16a, 16a,
..., in welchen ein auf Wasserstoff beruhendes Gas (hiernach als „Wasserstoff" bezeichnet), das
zu der Anodenkatalysatorschicht 12 zuzuführen ist,
fließt,
auf einer äußeren Umfangsoberfläche des
Anodenstromkollektors 16 (dessen Oberfläche mit der Anodenkatalysatorschicht 12 kontaktiert)
gebildet. Andererseits kann ein auf Sauerstoff beruhendes Gas (hiernach
als „Luft" bezeichnet) direkt
zu äußeren Umfangsoberflächen der
röhrenförmigen FC-Zellen 10 (Kathodenkatalysatorschicht 13)
durch Blasen der Luft gegen die äußeren Umfangsoberflächen von
der Außenseite
her zugeführt werden.
Jede der Anodenkatalysatorschicht 12 und der Kathodenkatalysatorschicht 13,
die in 8(A) gezeigt werden, enthält zum Beispiel
Platin oder dergleichen, das als ein Katalysator in der elektrochemischen
Reaktion wirkt, und eine Protonen leitfähige Materie wie ein auf Fluor
beruhendes Ionenaustauschharz.
-
Die
röhrenförmige FC-Zelle 10 ist
wie vorstehend angegeben konfiguriert. Aufgrund dessen, wenn die
auf diese Weise konfigurierten röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... angeordnet werden (siehe 8(B)),
kann Sauerstoff zu den Kathodenkatalysatorschichten 13, 13,
... der entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... durch Zuführen
von Luft von der Außenseite
her zugeführt
werden. Die röhrenförmigen FC-Zellen 10 können nämlich ohne die
Notwendigkeit des Bereitstellens von Separatoren, welche die röhrenförmigen FC-Zellen 10 voneinander
abschirmen, und einer Diffusionsschicht zum effektiven Zuführen von
Sauerstoff zu den Kathodenkatalysatorschichten 13 der entsprechenden
röhrenförmigen FC-Zellen 10 konfiguriert
sein. Die Anzahl an aufbauenden Elementen jeder Zelle kann dadurch verringert
werden. Gemäß der röhrenförmigen FC-Zelle 10 kann
folglich eine Einheitszelle effektiv verkleinert werden.
-
8(B) ist eine externe Ansicht, welche schematisch
ein Brennstoffzellenmodul zeigt, dass die Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen
und Kühlröhren zum
Kühlen
der röhrenförmigen FC-Zellen
umfasst. Wie in 8(B) gezeigt wird,
umfasst ein Brennstoffzellenmodul 900 eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... und eine Mehrzahl von Kühlröhren 90, 90,
.... Gasverteiler 98a und 98b, zu welchen Wasserstoff,
der zu den Reaktionsgasdurchgängen 16a, 16a,
... der röhrenförmigen FC-Zellen 10 zugeführt wird,
zuzuführen
ist, und Kühlwasserverteiler 99a und 99b,
zu welchen Wasser, das in die Kühlröhren zugeführt wird,
zuzuführen ist,
sind jeweils an beiden Enden des Brennstoffzellenmoduls 900 bereitgestellt.
Ferner ist ein Stromkollektor (nicht gezeigt), der Ladungen sammelt,
die in den entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... erzeugt wurden, bereitgestellt. Der Wasserstoff, welcher zu
dem Brennstoffzellenmodul 900 über einen der Gasverteiler
(zum Beispiel 98a) zugeführt wird, wird durch die Reaktionsgaskanäle 16a, 16a,
... der röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... durchgeleitet und für
die elektrochemische Reaktion in den röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... verwendet. Der Wasserstoff oder dergleichen, der nicht für die elektrochemische
Reaktion verwendet wird, wird über
den anderen Gasverteiler (zum Beispiel 98b) gesammelt.
In dem Brennstoffzellenmodul 900 ist ein Ende des Stromkollektors
mit den Anodenstromkollektoren 16, 16, ... der
röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... verbunden, und das andere Ende davon ist mit dem Kathodenstromkollektoren 17a und 17b der
röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... verbunden, wodurch der Stromkollektor Ladungen sammelt (Ströme sammelt),
die in einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... erzeugt werden.
-
Im
Hinblick auf zum Beispiel das Verbessern der Stromsammeleffizienz
werden die Kathodenkollektoren 17a und 17b auf
der äußeren Umfangsoberfläche jeder
röhrenförmigen FC-Zelle 10 (siehe 8(A)) bereitgestellt, der Kathodensammler 17a wirkt
als ein kreuzend gerichteter Stromkollektor und der Kathodenkollektor 17b wirkt
als ein axial gerichteter Stromkollektor in der herkömmlichen
röhrenförmigen FC-Zelle 10.
Mit der Konfiguration ist es jedoch notwendig, Vorgänge wie
einen Vorgang des Entnehmens der Ladungen, die in der kreuzenden Richtung
gesammelt werden, über
den axial gerichteten Stromkollektor 17b zu treffen. Als
ein Ergebnis wird ein Stromsammelweg zum Entnehmen der Ladungen
zur Außenseite
hin lang, was dazu neigt, die Stromsammeleffizienz aufgrund des
Widerstandes oder dergleichen des Stromkollektors zu verschlechtern.
In Anbetracht dessen stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellenmodul
zur Verfügung, welches
dazu fähig
ist, die Stromsammeleffizienz durch Kontaktieren einer Mehrzahl
von röhrenförmigen FC-Zellen
mit einem Stromkollektor zu verbessern, um dadurch die Stromsammeleffizienz
in der kreuzenden Richtung zu verbessern, und stellt eine Brennstoffzelle
bereit, welche das Brennstoffzellenmodul umfasst.
-
Bezug
nehmend auf die Zeichnungen werden ein Brennstoffzellenmodul und
eine Brennstoffzelle, welche das Brennstoffzellenmodul umfasst,
gemäß der vorliegenden
Erfindung nachstehend speziell beschrieben.
-
1 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen
und erste und zweite Stromkollektoren zeigt, die in einem Brennstoffzellenmodul
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthalten sind. In 1 werden
aufbauende Elemente ähnlich
in der Konfiguration zu jenen in 8 gezeigten mit
den gleichen Bezugszeichen wie jene bezeichnet, die verwendet wurden,
um die in 8 gezeigten entsprechenden aufbauenden
Elemente zu bezeichnen, und werden nicht entsprechend beschrieben.
In 1 zeigt ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein
Pfeil Y eine kreuzende Richtung an.
-
Wie
darin gezeigt wird, werden eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10A, 10A,
... und ein zweiter Stromkollektor 40 gemäß der ersten
Ausführungsform
parallel angeordnet, wodurch eine FC-Zellenschicht 21 gebildet
wird. Die FC-Zellenschicht 21 ist durch einen ersten Stromkollektor 35 in einer
faserförmigen
oder röhrenförmigen Form
oder dergleichen in der kreuzenden Richtung nahezu rechtwinklig
zu der axialen Richtung umwoben, wodurch eine Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gebildet wird.
-
Es
ist zu bemerken, dass jede der in 1 gezeigten
röhrenförmigen FC-Zellen 10A, 10A,
... den kreuzend gerichteten Stromkollektor 17a und den
axial gerichteten Stromkollektor 17b nicht umfasst (siehe 8).
In der Beschreibung der ersten Ausführungsform ist eine Länge des
ersten Stromkollektors 35, die notwendig ist, um von dem
zweiten Stromkollektor 40 zu einer röhrenförmigen FC-Zelle 10A auf
einem Ende über
eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC
Zellen 10A, 10A, ... zu reichen, L.
-
In
der ersten Ausführungsform
erreicht der erste Stromkollektor 35, der zum Beispiel
an einer Oberseitenoberfläche
des zweiten Stromkollektors 40 beginnt, die auf einem Ende
der FC-Zellenschicht 21 angeordnet ist und durch eine Unterseitenoberfläche der
röhrenförmigen FC-Zelle 10A angrenzend
zu dem zweiten Stromkollektor 40 durchläuft, die röhrenförmige FC-Zelle 10A,
die auf dem Ende angeordnet ist, durch wiederholtes Durchlaufen
durch die Oberseitenoberfläche
der röhrenförmigen FC-Zelle 10A,
die nahe zu der vorhergehenden röhrenförmigen FC-Zelle 10A angeordnet
ist und abwechselnd durch die Unterseitenoberfläche und die Oberseitenoberfläche durchläuft. Der
erste Stromkollektor 35, welcher die röhrenförmige FC-Zelle 10A auf
dem Ende erreicht, erreicht den zweiten Stromkollektor 40 über die äußere Umfangsoberfläche der
röhrenförmigen FC-Zelle 10A mit
dem gleichen Zug wie vorstehend angegeben. Danach wird der gleiche
Zug wiederholt durchgeführt,
wodurch die Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gebildet wird.
Folglich kontaktiert gemäß der ersten
Ausführungsform
der erste Stromkollektor 35 mit äußeren Umfangsoberflächen der entsprechenden
röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ...,
so dass der erste Stromkollektor 35 die Funktion des herkömmlichen
kreuzend gerichteten Stromkollektors annehmen kann. Darüber hinaus
kann der zweite Stromkollektor 40, der parallel zu einer
Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a,
... angeordnet ist, die Funktion des herkömmlichen axial gerichteten
Stromkollektors annehmen. Der erste Stromkollektor 35 kontaktiert
mit de zweiten Stromkollektor 40, der als axial gerichteter
Stromkollektor wirkt, bei etwa 2L Längenabständen. Folglich können durch
ein solches Konfigurieren die Ladungen, die in den röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a,
... erzeugt werden, leicht in dem zweiten Stromkollektor 40 über den
ersten Stromkollektor 35 gesammelt werden. Es ist nämlich gemäß der ersten
Ausführungsform
möglich,
durch Anwenden des kreuzend gerichteten Stromkollektors 35 in
Kontakt mit dem axial gerichteten Stromkollektor bei etwa 2L Längenabständen und
des axial gerichteten Stromkollektors 40 eine Länge eines
Stromsammelweges verglichen mit der herkömmlichen Technik zu verringern.
Es ist dadurch möglich,
Polarisation, die von einem spezifischen Widerstand des Stromkollektors
herrührt,
zu verringern und die Stromsammeleffizienz der Brennstoffzellen-Baugruppe 71 zu
verbessern. Durch Konfigurieren des Brennstoffzellenmoduls, dass
es die auf diese Weise konfigurierte Brennstoffzellen-Baugruppe 71 umfasst,
ist es möglich,
die Stromsammeleffizienz des Brennstoffzellenmoduls zu verbessern.
-
Darüber hinaus
werden in der ersten Ausführungsform
eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a,
... und der zweite Stromkollektor 40, welche die FC-Zellenschicht 21 aufbauen,
alle zusammen durch den ersten Stromkollektor 35 verwoben.
Aufgrund dessen kann, verglichen mit dem herkömmlichen Brennstoffzellenmodul,
welches das Ausführen
eines Schritts zum Anordnen des kreuzend gerichteten Stromkollektors
auf den äußeren Umfangsoberflächen der
entsprechenden röhrenförmigen FC- Zellen 10a, 10a,
... benötigt,
die Produktivität
des Brennstoffzellenmoduls verbessert werden.
-
2 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen
und erste und zweite Stromkollektoren zeigt, die in einem Brennstoffzellenmodul
gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst sind. In 2 werden
aufbauende Elemente ähnlich
in der Konfiguration zu jenen in 1 gezeigten
durch die gleichen Bezugszeichen wie jene benannt, die verwendet
wurden, um die entsprechenden in 1 gezeigten
aufbauenden Elemente zu bezeichnen, und werden nicht weiter beschrieben.
In 2 zeigt ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein Pfeil
Y eine kreuzende Richtung an.
-
Wie
darin gezeigt wird, ist eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a,
... und eine Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren 41, 41,
... parallel und abwechselnd angeordnet, wodurch eine FC-Zellenschicht 22 gebildet
wird. Ähnlich
zu der Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gemäß der ersten Ausführungsform
wird die FC-Zellenschicht 22 durch den ersten Stromkollektor 35 in
der kreuzenden Richtung verwoben, wodurch eine Brennstoffzellen-Baugruppe 72 gebildet
wird.
-
In
der zweiten Ausführungsform
werden eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a,
... an eine Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren 41, 41,
... abwechselnd angeordnet. Aufgrund dessen kann die Stromsammeleffizienz
in der axialen Richtung verglichen mit der Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gemäß der ersten
Ausführungsform
verbessert werden. Demzufolge kann mit der in 2 gezeigten Konfiguration
die Stromsammeleffizienz des Brennstoffzellenmoduls ähnlich zu
der in 1 gezeigten Konfiguration verbessert werden. Ähnlich zu
der ersten Ausführungsform
wird die Brennstoffzellen-Baugruppe 72 gemäß der zweiten
Ausführungsform
gebildet, indem die röhrenförmigen Brennstoffzellen 10a, 10a,
... und die zweiten Stromkollektoren 41, 41, ...,
welche die FC-Zellenschicht 22 aufbauen,
alle zusammen mit dem ersten Stromkollektor 35 verwoben werden.
Folglich ist es möglich,
bereitzustellen, dass verglichen mit dem herkömmlichen Brennstoffzellenmodul
die Produktivität
des auf diese Weise konfigurierten Brennstoffzellenmoduls verbessert
werden kann.
-
In
der ersten Ausführungsform
und in der zweiten Ausführungsform
wurde die Konfiguration, in welcher die röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a,
... und die zweiten Stromkollektoren 40 (oder Stromkollektoren 41, 41,
...) durch den ersten Stromkollektor 35 in der kreuzenden
Richtung nahezu rechtwinklig zu der axialen Richtung verwoben wurden,
beschrieben. Eine Verwebrichtung des ersten Stromkollektors 35 gemäß der ersten
und zweiten Ausführungsform ist
nicht auf die kreuzende Richtung beschränkt, sondern kann jede andere
Richtung annehmen, solange die Richtung die axiale Richtung kreuzt.
-
Darüber hinaus
ist ein Material, das den ersten und zweiten Stromkollektor gemäß der ersten und
zweiten Ausführungsform
aufbauen kann, nicht auf ein spezifisches begrenzt, solange das
Material eine hohe Leitfähigkeit
aufweist. Nichts desto Trotz ist angesichts der Verbesserung des
Stromsammel-Leistungsverhaltens das Material bevorzugt ein in der
Laminationsrichtung der FC-Zellenschicht
gasdurchlässiges
Material oder dergleichen. Spezifische Beispiele des Materials schließen nicht
nur rostfreien Stahl, Ti, Pt, Au, TiC, TiSi2,
SiO2, B2O3, Nd2O, und TiB2, sondern auch auf Kohlenstoff beruhende
Materialien ein.
-
3 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch eine Brennstoffzellen-Baugruppe
und einen dritten Stromkollektor zeigt, der in dem Brennstoffzellenmodul
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthalten ist. 3(A) ist eine
externe Ansicht, welche schematisch einen Teil einer Mehrzahl von
Brennstoffzellen-Baugruppen und eine Mehrzahl von dritten Stromkollektoren
zeigt, die in dem Brennstoffzellenmodul gemäß der dritten Ausführungsform
enthalten sind. 3(B) ist eine Vorderansicht,
welche schematisch den dritten Stromkollektor gemäß der dritten
Ausführungsform zeigt,
und 3(C) ist eine schematische teilweise Querschnittsansicht,
welche entlang einem in 3(A) gezeigten
Pfeil aufgenommen wurde. In 3(A) werden
der erste Stromkollektor und der zweite Stromkollektor, die in jeder
der Brennstoffzellen-Baugruppen enthalten sind, nicht gezeigt. In 3(C) wird der zweite Stromkollektor in
jeder der Brennstoffzellen-Baugruppen nicht gezeigt. Es wird jedoch
angenommen, dass jede Brennstoffzellen-Baugruppe natürlich diese Stromkollektor
umfasst. In 3 werden aufbauende Elemente ähnlich in
der Konfiguration zu jenen, die in 1 und/oder 8 gezeigt
sind, durch die gleichen Bezugszeichen wie jene bezeichnet, die
verwendet werden, um die entsprechenden aufbauenden Elemente, die
in 1 und/oder 3 gezeigt
werden, zu bezeichnen, und werden nicht in geeigneter Weise beschrieben.
In 3 zeigt ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein
Pfeil Y eine kreuzende Richtung an.
-
Wie
in 3(A) gezeigt wird, wird eine Brennstoffzellen-Baugruppe 70 gemäß der dritten Ausführungsform
durch abwechselndes Laminieren von Brennstoffzellen-Baugruppen 71, 71 und
rostförmigen
dritten Stromkollektoren 30, 30 gebildet. Jeder der
dritten Stromkollektoren 30, 30 umfasst eine Mehrzahl
von durchgehenden Löchern 31, 31,
..., die zu Schlitzen gebildet sind (siehe 3(B)).
Wie in 3(B) gezeigt wird, werden die
durchgehenden Löcher 31, 31,
..., die in jedem der dritten Stromkollektoren 30 gebildet
sind, jeweils über
Rahmen 31a, 31a ... in der kreuzenden Richtung gebildet.
Wie in 3(C) gezeigt wird, kontaktiert
jeder der dritten Stromkollektoren 30, 30 gemäß der dritten
Ausführungsform
die ersten Stromkollektoren 35, 35, ..., die auf
den äußeren Umfangsoberflächen der
entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10,
... angeordnet sind. Aufgrund dessen können Ladungen, die über die
ersten Stromkollektoren 35, 35, ... gesammelt
wurden, zur Außenseite über die
dritten Stromkollektor 30, 30 entnommen werden.
Demzufolge kann durch Konfigurieren des Brennstoffzellenmoduls,
dass es die 3 gezeigten Brennstoffzellen-Baugruppen 70 einschließt, die
Stromsammeleffizienz des Brennstoffzellenmoduls verbessert werden.
Wie in 3(A) und 3(B) gezeigt
wird, umfasst der dritte Stromkollektor 30 eine Lasche 30A,
die in einem axial mittleren Abschnitt des dritten Stromkollektors 30 angeordnet
ist, so dass sie zum Beispiel dazu fähig ist, die gesammelten Ladungen
leicht zur Außenseite
hin zu entnehmen.
-
Darüber hinaus
kann die darin gezeigte Brennstoffzellen-Baugruppe 70 leicht
hergestellt werden, weil sie durch abwechselndes Laminieren der Brennstoffzellen-Baugruppen 71, 71 und
der dritten Stromkollektoren 30, 30 gebildet wird.
-
In
der dritten Ausführungsform
wurde die Konfiguration beschrieben, in welcher die Lasche 30A in
dem axial mittleren Abschnitt des dritten Stromkollektors 30 angeordnet
ist. Eine Position jedoch, an welcher die Schlaufe 30a vorgesehen
werden kann, ist nicht auf eine spezifische Position begrenzt. Darüber hinaus
wurde der rostförmige
dritte Stromkollektor 30 beschrieben, in welchem die schlitzförmigen durchgängigen Löcher gebildet
sind. Eine Form des dritten Stromkollektors 30 ist jedoch nicht
auf die Rostform begrenzt. Zum Beispiel können die durchgehenden Löcher in
Gittern gebildet sein. 4 zeigt schematisch einen dritten
Stromkollektor einschließlich
durchgehenden Gitterlöchern.
-
4 ist
eine Vorderansicht, die schematisch ein Beispiel der Konfiguration
des dritten Stromkollektors zeigt. Wie darin gezeigt wird, umfasst
ein dritter Stromkollektor 32 eine Mehrzahl von durchgehenden
Gitterlöchern 33, 33,
.... Die durchgehenden Löcher 33, 33,
... werden jeweils über
Rahmen 33a, 33a, ... in der kreuzenden Richtung
und Rahmen 33b, 33b, ... in der axialen Richtung
gebildet. Durch ein solches Konfigurieren des dritten Stromkollektors 32 kann
der dritte Stromkollektor 32 ebenso die Funktion des Sammelns
von Ladungen in der axialen Richtung annehmen. Es wird dadurch möglich, die Stromsammeleffizienz
weiter zu verbessern.
-
In
der dritten Ausführungsform
wurde die Konfiguration beschrieben, in welcher die durchgehenden
Löcher,
die über
die Rahmen in der kreuzenden Richtung nahezu rechtwinklig zu der
axialen Richtung gebildet wurden, in dem dritten Stromkollektor
vorgesehen sind. Die Konfiguration des dritten Stromkollektors ist
jedoch nicht auf das vorstehend angegebene begrenzt. Es reicht aus,
dass die durchgehenden Löcher über die
Rahmen in einer Richtung gebildet sind, welche die axiale Richtung
kreuzt. Nichts desto Trotz ist es bevorzugt, dass der dritte Stromkollektor
die Rahmen in der kreuzenden Richtung nahezu rechtwinklig zu der
axialen Richtung mit einem Blick auf das effiziente Verbessern der
Stromsammeleffizienz in der kreuzenden Richtung umfasst. Darüber hinaus
wurde in der dritten Ausführungsform
der dritte Stromkollektor beschrieben, welcher die durchgehenden
Löcher
umfasst. Die dritten Stromkollektoren jedoch, die abwechselnd mit
den Brennstoffzellen-Baugruppen laminiert sind, umfassen nicht notwendiger
Weise durchgehende Löcher. Selbst
wenn die dritten Stromkollektoren die durchgehenden Löcher nicht
einschließen,
können
die dritten Kollektoren mit einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC's in der Richtung kontaktieren, welche
die axiale Richtung kreuzt. Aufgrund dessen kann, verglichen mit
der herkömmlichen
Technik, die Stromsammeleffizienz in der kreuzenden Richtung verbessert
werden.
-
Darüber hinaus
ist ein aufbauendes Material des dritten Stromkollektors gemäß der dritten
Ausführungsform
nicht auf ein spezifisches Material begrenzt, solange das Material
eine hohe Leitfähigkeit aufweist.
Nichts desto Trotz ist im Hinblick auf das Verbessern des Stromsammel-Leistungsverhalten das
Material bevorzugt ein in der Laminationsrichtung der FC-Zellenschicht
gasdurchlässiges
Material oder dergleichen. Spezifische Beispiele des Materials schließen nicht
nur rostfreien Stahl, Ti, Pt, Au, TiC, TiSi2,
SiO2, B2O3, Nd2O und TiB2, sondern auch auf Kohlenstoff beruhende
Materialien ein.
-
5 ist
eine externe Ansicht, welche schematisch ein Brennstoffzellenmodul
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, das die Brennstoffzellen-Baugruppe 72 gemäß der zweiten
Ausführungsform
umfasst. In 5 werden aufbauende Elemente ähnlich in
der Konfiguration zu jenen in 2 gezeigten
durch die gleichen Bezugszeichen wie jene bezeichnet, die verwendet
werden, um die in 2 gezeigten entsprechenden aufbauenden
Elemente zu bezeichnen, und werden nicht genauer beschrieben. In 5 zeigt
ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein Pfeil Y eine kreuzende
Richtung an. In 5 sind die aufbauenden Elemente
des Brennstoffzellenmoduls weggeschnitten oder in geeigneter Weise weggelassen,
damit es möglich
wird, eine interne Struktur des Brennstoffzellenmoduls leichter
zu verstehen. In der folgenden Beschreibung wird die röhrenförmige FC-Zelle 10A häufig einfach
als „Zelle 10A" bezeichnet.
-
Wie
in 5 gezeigt wird, umfasst ein Brennstoffzellenmodul 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72,
..., welche jeweils so konfiguriert sind, dass sie die Zellen 10A, 10A,
... den ersten Stromkollektor 35 und die zweiten Stromkollektoren 41, 41,
... einschließen.
Darüber
hinaus wird ein Gasverteilungskanal 60, in welchem die
Luft, die zu den äußeren Umfangsoberflächen (Kathoden)
der entsprechenden Zellen 10A, 10A, ... zugeführt wird,
zu fließen
hat, nahezu vollständig über Abdichtungselemente 80, 80 und
ein Abdichtungsmaterial 81 von Anodenverteilern 61 und 62 geteilt,
in welchen Wasserstoff, der zu hohlen Abschnitten (Anoden) der entsprechenden
Zellen 10A, 10A, ... zugeführt wird, zu fließen hat.
Obwohl in 5 nicht gezeigt, ist das Abdichtungsmaterial 81 ebenso
auf dem Anodenverteiler 62 in der gleichen Art und Weise
wie das in 5 gezeigte Abdichtungsmaterial 81 bereitgestellt.
In dem darin gezeigten Brennstoffzellenmodul 100 werden
Ladungen, die in Kathodenkatalysatorschichten der entsprechenden
Zellen 10A, 10A, ... erzeugt werden, über den
ersten Stromkollektor 35 und die zweiten Stromkollektoren 41 gesammelt.
Ferner werden die auf diese Weise gesammelten Ladungen zur Außenseite über einen
Kathodenstromkollektor 53, der mit dem zweiten Stromkollektoren 41, 41,
... und einer Kathodenausgangseinheit 54 verbunden ist,
die mit den Kathodenstromkollektor 53 verbunden ist, entnommen.
Ferner werden Ladungen, die in Anodenkatalysatorschichten der entsprechenden
Zellen 10A, 10A, ... erzeugt werden, in einem
Anodenstromkollektor 51 über Anodenstromkollektor (nicht
gezeigt) gesammelt, welche in den entsprechenden Zellen 10A, 10A ...
bereitgestellt sind, und zur Außenseite über eine
Anodenausgangseinheit 52, welche mit dem Anodenstromkollektor 51 verbunden
ist, entnommen.
-
Wie
verstanden werden kann, umfasst das Brennstoffzellenmodul 100 gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72,
..., die wie vorstehend angegeben konfiguriert sind. Aufgrund dessen
kann durch Verbessern der Stromsammeleffizienzen der Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72,
... die Stromsammeleffizienz des Brennstoffzellenmoduls 100 verbessert
werden.
-
Der
Zweckmäßigkeit
halber wurde das Brennstoffzellenmodul 100 beschrieben,
welches so konfiguriert ist, dass es die Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72,
... der zweiten Ausführungsform
umfasst. Die Konfiguration des Brennstoffzellenmoduls gemäß der vorliegenden
Erfindung ist jedoch nicht auf das zuvor beschriebene begrenzt.
Das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden
Erfindung kann so konfiguriert sein, dass es die Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gemäß der ersten
Ausführungsform
oder die Brennstoffzellen-Baugruppen 70 gemäß der dritten
Ausführungsform
umfasst. Wenn das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung
die Brennstoffzellen-Baugruppen 70 gemäß der dritten Ausführungsform
umfasst, kann das Brennstoffzellenmodul zum Beispiel so konfiguriert sein,
dass die Lasche 30A jedes der dritten Stromkollektoren,
die in jeder der Brennstoffzellen-Baugruppen 70 enthalten
sind, mit dem Kathodenstromkollektor 53 verbunden ist.
Wenn das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung
die Brennstoffzellen-Baugruppen 71 gemäß der ersten Ausführungsform
umfasst, kann das Brennstoffzellenmodul zum Beispiel so konfiguriert
sein, dass der zweite Stromkollektor 40 mit dem Kathodenstromkollektor 53 verbunden
ist.
-
Andererseits
erzeugen die Zellen 10A Wärme, während das Brennstoffzellenmodul 100 betrieben
wird. Wenn Nafion zum Beispiel als Elektrolytmembran der Zelle 10A verwendet
wird, ist es notwendig eine Temperatur der Zelle 10A bei
etwa 80°C bis
100°C zu
halten, so dass das Nafion eine gute Protonen leitende Eigenschaft
zeigt. Es ist folglich notwendig, die Zellen 10A durch
geeignete Einrichtungen zu kühlen.
Daneben ist es im Hinblick auf zum Beispiel das Erleichtern der
Handhabung der Brennstoffzelle, welche das Brennstoffzellenmodul
umfasst, bevorzugt, die Zellen 10A effektiv zu kühlen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen der Zellen 10A nicht
auf ein spezifisches begrenzt. Spezifische Beispiele des Kühlverfahrens schließen Wasserkühlung und
Luftkühlung
ein. Wenn die Zellen 10A der Wasserkühlung unterzogen werden, ist
eine Art und Weise der Wasserkühlung
nicht auf eine spezifische begrenzt. Es ist jedoch bevorzugt, dass
das Brennstoffzellenmodul Kühlröhren mit einem
gewissen Verhältnis
(zum Beispiel das gesamte Zahlenverhältnis der Kühlröhren zu den Zellen 10A von
1 bis 3) umfasst im Hinblick auf zum Beispiel effektives Kühlen der
Zellen 10A ohne Verwendung einer großformatigen Anlage. Durch ein
solches Konfigurieren des Brennstoffzellenmoduls können, wenn Wasser
durch die Kühlröhren zirkuliert
wird, die Zellen 10A, die in den Brennstoffzellenmodulen
enthalten sind, effektiv gekühlt
werden. In 5 werden aufbauende Elemente
zum Zirkulieren des Kühlwassers
nicht gezeigt.
-
6 und 7 sind
externe Ansichten, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration einer
Brennstoffzelle zeigen, welche das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst. 7 ist eine Rückansicht der in 6 gezeigten
Brennstoffzelle, und Gitterelemente, die jeweils auf den Seitenoberflächen bereitgestellt
sind, werden in 7 nicht gezeigt, so dass es
möglich
ist, eine interne Struktur der Brennstoffzelle leicht zu verstehen. Bezug
nehmend auf 6 und 7 wird das Brennstoffzellenmodul
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
-
Wie
in den 6 und 7 gezeigt wird, ist eine Brennstoffzelle 1000 gemäß der vorliegenden Erfindung
konfiguriert durch Enthalten einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 100, 100,
... in einem äußerem Behälter 600.
Ein Reaktionsgas-(zum Beispiel Wasserstoff)Einführungsanschluss 500,
ein Reaktionsgas-Ausgabeanschluss 510 und ein Kühlwasseranschluss 520 werden
auf einer oberen Oberfläche
des äußeren Behälters 600 bereitgestellt.
Gitterelemente 550 werden auf einem Paar von Seitenoberflächen des äußeren Behälters 600 jeweils
bereitgestellt. Wenn ein Gas, das zu dem Reaktionsgas-Einführungsanschluss 500 zugeführt wird,
Wasserstoff ist, wird die Luft zu der Brennstoffzelle 1000 in
einer Richtung des Durchdringens der Gitterelemente 500 zugeführt. Die
Luft, die zu einem der in 6 gezeigten
Gitterelemente 550 zugeführt wurde, wird von einem Gitterelement
(in 7 nicht gezeigt) ausgegeben, so dass es auf der
hinteren Oberfläche
des äußeren Behälters 600 bereitgestellt
wird. Eine Temperatur jedes der Brennstoffzellenmodule 100, 100,
..., die Wärme
erzeugen, wenn die auf diese Weise konfigurierte Brennstoffzelle 1000 betrieben
wird, wird durch ein Verfahren von zum Beispiel Zirkulieren von
Wasser, das von dem Kühlwasseranschluss 520 zugeführt und
ausgegeben wird, durch Kühlröhren, die
in den entsprechenden Brennstoffzellenmodulen 100, 100,
... enthalten sind, gesteuert.
-
Wie
verstanden werden kann, umfasst die Brennstoffzelle 1000 gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 100, 100,
.... Aufgrund dessen kann durch Verbessern der Stromsammeleffizienzen
der entsprechenden Brennstoffzellenmodule 100 die Stromsammeleffizienz
der Brennstoffzelle 1000 verbessert werden.
-
Materialien
zum Bilden der aufbauenden Elemente des Brennstoffzellenmoduls und
der röhrenförmigen FC-Zelle,
welche in der Brennstoffzelle eingeschlossen ist, und Konfigurationen
davon werden nachstehend beschrieben.
-
In
der röhrenförmigen FC-Zelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind Materialien zum Bilden der Elektrolytmembran, der
Anodenkatalysatorschicht, der Kathodenkatalysatorschicht, des Anodenstromkollektors
und des Kathodenstromkollektors nicht auf spezifische begrenzt,
solange diese elektrische Energie durch die elektrochemische Reaktion
erzeugen können.
-
Spezifische
Beispiele des Materials zum Bilden der Elektrolytmembran der röhrenförmigen FC-Zelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung (hiernach als „Elektrolytmaterial" bezeichnet) können die auf
Fluor beruhenden Ionenaustauschharzmembran, eine organische Elektrolytkomponente
wie ein Kohlenwasserstoffharz, welches durch ein Amidharz typisiert
wird, und eine anorganische Elektrolytkomponente, die hauptsächlich Siliziumoxid
oder dergleichen enthält,
einschließen.
Zum leichten Bilden der Elektrolytmembran ist es insbesondere bevorzugt, dass
das Elektrolytmaterial die anorganische Elektrolytkomponente ist,
die hauptsächlich
Siliziumoxid enthält.
Wenn die anorganische Elektrolytkomponente als Elektrolytmaterial
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, können
spezielle Beispiele der Elektrolytkomponente eine röhrenförmige Elektrolytmembran,
die durch Bilden eines porösen
Glases in eine Röhre,
Reformieren der Innenoberfläche von
Nanoporen und Aufprägen
einer Protonen leitenden Eigenschaft auf die Röhre erhalten werden kann und
eine röhrenförmige mit
Phosphatglas versehene Membran einschließen.
-
Das
Material der Anodenkatalysatorschicht und der Kathodenkatalysatorschicht
(hiernach einfach als „Katalysatorschichten" bezeichnet) gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nicht auf ein spezifisches begrenzt, solange das Material
eine Materie enthält,
die als ein Katalysator für
eine elektrochemische Reaktion wirkt (zum Beispiel Platin geträgerter Kohlenstoff,
in welchem Platinteilchen durch Kohlenstoffteilchen getragen werden,
hiernach „Katalysatormaterie") enthält. Zum
Beispiel kann das Material der Katalysatorschicht die Katalysatormaterie
und einen Protonen leitende Materie enthalten, welche die Ausnutzungseffizienz
der Katalysatormaterie verbessert. Spezifische Beispiele der Protonen
leitenden Materie, die in den Katalysatorschichten gemäß der vorliegenden
Erfindung enthalten sein kann, kann die vorstehenden Perfluorkohlenstoffsulfonatpolymere
einschließen.
Darüber
hinaus könne
spezifische Beispiele der Katalysatormaterie gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Materie einschließen,
in welcher eine Katalysatorkomponente durch ein leitfähiges Material
wie ein Kohlenstoffmaterial, zum Beispiel kohlenstoffartige Teilchen
oder kohlenstoffartige Fasern, getragen wird.
-
Mit
der Brennstoffzelle, welche die röhrenförmige FC-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst,
kann eine Elektrodenfläche
pro Einheitsvolumen größer als
die der flachen FC gemacht werden. Folglich ist es möglich, selbst
wenn eine Katalysatorkomponente eine kleinere katalytische Aktivität als Platin,
welches in geeigneter Weise als Katalysatorkomponente der flachen
FC verwendet wird, verwendet wird, eine Brennstoffzelle mit einer
hohen Ausgangsdichte pro Einheitsvolumen zu erhalten. Aufgrund dessen
ist die Katalysatorkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht auf eine spezifische begrenzt, solange die Komponente eine
katalytische Aktivität
in einer Wasserstoffoxidationsreaktion an einer Anode und einer
Sauerstoffreduktionsreaktion an einer Kathode aufweist. Spezifische
Beispiele des Katalysators können
ein einzelnes Metall wie Pt, Ru, Ir, Rh, Pd, Os, W, Pb, Fe, Cr,
Co, Ni, Mn, V, Mo, Ga und Al und eine Legierung schließen, die eines
dieser Metallelemente enthält.
Um die Ausgangsdichte pro Einheitsvolumen zu verbessern, ist es
bevorzugt, Platin und/oder eine Platinlegierung als Katalysatorkomponente
zu verwenden.
-
Darüber hinaus
ist die Form des Anodenstromkollektors gemäß der vorliegenden Erfindung nicht
auf eine spezifische begrenzt. Spezifische Beispiele der Form des
Anodenstromkollektors können eine
Federform, eine Form, in welcher viele durchgehende Löcher, die
eine Wandfläche
eines Rohres durchdringen, in der Wandoberfläche davon gebildet sind, eine
Form, in welcher die Wandoberfläche
des Rohres eine Maschenoberfläche
ist, und eine Form, in welcher eine Mehrzahl von linearen Leitern
in einer axialen Richtung einer äußeren Umfangsoberfläche einer
hohlen MEA angeordnet ist, einschließen. Um die Stromsammeleffizienz
zu verbessern, ist der Anodenstromkollektor bevorzugt ein Federstromkollektor.
-
Der
Zweckmäßigkeit
halber wurde die röhrenförmige FC-Zelle, die keine
Diffusionsschicht umfasst, beschrieben. Die Konfiguration der röhrenförmigen FC
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor beschriebene begrenzt.
Die röhrenförmig FC
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Diffusionsschicht zwischen der MEA und dem Stromkollektor
einschließen.
-
Darüber hinaus
wurde die Konfiguration beschrieben, in welcher Wasserstoff zur
Innenseite der röhrenförmigen FC-Zelle und die Luft
zur Außenseite davon
zugeführt
wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration
begrenzt. Die Luft (auf Sauerstoff beruhendes Gas) und der Wasserstoff
(auf Wasserstoff beruhendes Gas) können jeweils zu der Innenseite
und der Außenseite
der röhrenförmigen FC-Zelle
zugeführt
werden.
-
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
-
Wie
soweit angegeben wurde, werden das Brennstoffzellenmodul und die
Brennstoffzelle, welche die Brennstoffzellenmodule gemäß der vorliegenden
Erfindung einschließt,
geeignet als eine Energiequelle eines Batterieautos oder einer tragbaren Energiezufuhr
angewendet.
-
Zusammenfassung
-
Ein
röhrenförmiges Brennstoffzellenmodul, welches
eine röhrenförmige Brennstoffzelle
umfasst, die dazu fähig
ist, die Stromsammeleffizienz zu verbessern, und eine Brennstoffzelle,
welche das Brennstoffzellenmodul umfasst, werden zur Verfügung gestellt.
Ein Brennstoffzellenmodul (100) schließt eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen
(10A, 10A, ...), die parallel angeordnet sind,
und einen ersten Stromkollektor (35) ein, wobei die röhrenförmigen Brennstoffzellen
(10A, 10A, ...) durch den ersten Stromkollektor
(35) in einer Richtung verwoben sind, die eine axiale Richtung
der röhrenförmigen Brennstoffzellen
(10A, 10A, ...) in einer ebenen Ansicht kreuzt.