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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle sowie einen
Brennstoffzellenstapel.
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Stand der
Technik
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Bei
einer bekannten Brennstoffzellenanordnung ist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit
einer Anode und einer Kathode, die über eine feste Elektrolytmembran
angeordnet sind, zwischen einem Paar Separatoren ausgebildet. Die
in der Patentschrift 1 offenbarte Technologie, welche auf eine derartige
Brennstoffzelle anwendbar ist, sieht einen Barcode vor, der mit
Informationen über die
Brennstoffzelle korreliert, wobei der Barcode an einer exponierten äußeren Ffläche des
Separators bereitgestellt ist. Diese Anordnung ermöglicht es, daß der Barcode
leicht gescannt bzw. ausgelesen oder abgefragt werden kann, ohne
daß ein
Zerlegen der Brennstoffzelle notwendig ist.
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- Patentschrift 1: Offenlegungsschrift der japanischen Anmeldung Nr. 2003-115319
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Technologie der Patentschrift 1 sieht den Barcode auf dem Separator
vor. Der Separator kann jedoch nicht die geeignete Stelle für den Barcode sein.
Beispielsweise zeigt der dünne
Separator Schwierigkeiten bei der Aufbringung des Barcodes. Ein
Separator von hoher Härte
zeigt wiederum Schwierigkeiten bei der Darstellung des Barcodes. Ein
Separator mit hohe, Widerstand gegenüber Tinte oder Klebstoff zeigt
Schwierigkeiten beim Drucken des Barcodes.
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Bei
einer Brennstoffzelle sowie einem Brennstoffzellenstapel besteht
das Bedürfnis,
ein Informationsspeicherelement ungeachtet der Dicke und des Materials
eines Separators leicht bereitzustellen, um Informationen bezüglich der
Brennstoffzelle zu speichern.
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Zumindest
ein Teil des vorstehenden Bedürfnisses
sowie anderer verwandter Bedürfnisse
wird durch eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel
mit den nachfolgend diskutierten Konfigurationen erreicht.
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf eine Brennstoffzelle gerichtet,
welche aufweist: ein Paar Separatoren;
eine zwischen den Separatoren
gelegene Einlagerung, die zwischen dem Paar Seperatoren eingefügt ist;
und
ein Informationsspeicherelement, das an der zwischen den
Separatoren gelegenen Einlagerung bereitgestellt ist und Informationen über die
Brennstoffzelle speichert.
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Bei
der Brennstoffzelle gemäß diesem
Aspekt der Erfindung ist das Informationsspeicherelement nicht am
Separator, sondern an der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung
vorgesehen. Diese Anordnung ermöglicht
es, daß das
Informationsspeicherelement leicht bereitgestellt werden kann, unabhängig von
der Dicke und dem Material der Separatoren.
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Die „Informationen über die
Brennstoffzelle" stellen
Informationen bezüglich
der Brennstoffzelle oder einer Komponente der Brennstoffzelle dar,
und enthalten beispielsweise die Ausgangsleistungskenngröße (output
characteristic), die Verwendungshistorie, Herstellungsinformationen
sowie Informationen über
das Zeitverlaufsverhalten der Brennstoffzelle und Informationen
bezüglich
der Herstellung (das Herstellungsdatum, die Losnummer sowie das
Material) einer jeden Komponente der Brennstoffzelle, beispielsweise
des Separators, der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung
sowie einer Membran-Elektroden-Anordnung. Die „Informationen über die
Brennstoff zelle" enthalten
einen Abfragecode, der mit diesen Informationsteilen korreliert.
Das „Informationsspeicherelement" kann ein Aufdruck
oder eine Markierung an einer exponierten Fläche der zwischen den Separatoren
gelegenen Einlagerung sein, ein Informationsspeichermedium, welches
auf die exponierte Fläche
der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung aufgebracht ist,
oder ein IC-Chip, der in die zwischen den Separatoren gelegenen
Einlagerung eingebettet ist.
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Bei
der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung weist die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung
vorzugsweise eine größere Dicke
als die der Separatoren auf. Bei einer Brennstoffzelle mit dünnen Separatoren
ermöglicht
die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung, welche derart
ausgebildet ist, daß sie
eine größere Dicke als
die der Separatoren aufweist, daß das Informationsspeicherelement
leicht bereitgestellt werden kann.
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Bei
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist es ferner vorzuziehen,
daß die
zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung eine höhere Flexibilität als diejenige
der Separatoren aufweist. Bei einer Brennstoffzelle mit Separatoren,
die eine geringe Flexibilität
und eine hohe Härte
aufweisen, ermöglicht
die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung, die derart ausgebildet
ist, daß sie
eine größere Flexibilität aufweist,
daß das
Informationsspeicherelement leicht durch Beschriften, Schneiden oder
andere geeignete Verarbeitungstechniken bereitgestellt werden kann.
Gemäß einem
Beispiel besteht der Separator aus einem Metall oder einer Kohlenstoffgrundplatte,
wobei die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung aus einem
Harzmaterial bzw. Kunststoff besteht.
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Gemäß einer
Anwendung der Brennstoffzelle der Erfindung ist das Informationsspeicherelement an
einer äußeren exponierten
Fläche
bzw. exponierten Außenfläche der
zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung bereitgestellt. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Anwendung hat die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung
ein Rahmenteil, das eine Membran-Elektroden-Anordnung enthält, und
die exponierte Fläche
umfasst zumindest eine Seitenfläche
des Rahmenteils. Die Brennstoff zelle dieser Ausführungsform weist dünne Separatoren
auf und verwendet das Rahmenteil der dickeren zwischen den Separatoren
gelegenen Einlagerung als Strukturmaterial. Diese Anordnung ermöglicht die
effektive Verwendung der Seitenfläche des Rahmenteils. Das Rahmenteil
kann einen großen
Anteil der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung belegen.
In diesem Fall ist die Dicke des Rahmenteils derart eingestellt,
um zufriedenstellende Gasflußraten
in einem Brenngas-Flußpfad
sowie einem Oxidationsgas-Flußpfad
sicherzustellen, welche generell zwischen den Separatoren ausgebildet sind.
Genauer gesagt ist die Dicke des Rahmenteils derart eingestellt,
um zufriedenstellende Gasflußraten
in den Flußpfaden
für eine
effiziente elektrochemische Reaktion eines Brenngases und eines
Oxidationsgases sicherzustellen. Zur Isolation zwischen dem Separatorenpaar
besteht das Rahmenteil vorzugsweise aus einem isolierenden Harzmaterial
bzw. Kunststoff.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorstehenden Anwendung, bei der das Informationsspeicherelement
an der exponierten Außenfläche der
zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung angebracht ist, hat
die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung ein Dichtungselement,
das entlang eines Außenumfangs
der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung angeordnet ist,
und die exponierte Fläche
umfasst zumindest eine Seitenfläche
des Dichtungselementes. Die Brennstoffzelle hat grundsätzlich den
Brenngasflußpfad
und den Oxidationsgasflußpfad,
die eine zufriedenstellende Gasdichtigkeit aufweisen müssen. Das
entlang des Außenumfangs
der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung angeordnete Dichtungselement
gewährleistet
effektiv die Gasdichtigkeit dieser Flußpfade. Diese Anordnung ermöglicht die
effektive Verwendung der Seitenflächen des Dichtungselements.
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Gemäß einer
anderen Anwendung der Brennstoffzelle der Erfindung ist das Informationsspeicherelement
in der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung eingebettet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Anwendung weist die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung ein
Rahmenteil auf, das eine Membran-Elektroden-Anordnung
hält, und
das Informationsspeicherelement ist in dem Rahmenteil eingebettet.
Die Brennstoffzelle dieser Ausführungsform
weist die dünnen Separato ren
auf und verwendet das Rahmenteil der dickeren zwischen den Separatoren
gelegenen Einlagerung als Strukturmaterial. Diese Anordnung ermöglicht die
effektive Verwendung des Rahmenteils. Bei einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
dieser Anwendung weist die zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung
ein Dichtungselement auf, welches entlang eines Außenumfangs
der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung angeordnet ist,
und das Informationsspeicherelement ist in dem Dichtungselement
eingelagert. Die Brennstoffzelle hat grundsätzlich den Brenngasflußpfad sowie
den Oxidationsgasflußpfad,
welche einer ausreichenden Gasdichtigkeit bedürfen. Das entlang des Außenumfangs
der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung angeordnete Dichtelement
gewährleistet
effektiv die Gasdichtigkeit dieser Flußpfade. Diese Anordnung ermöglicht die
effektive Verwendung der Seitenfläche des Dichtungselementes.
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Bei
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen,
daß das
Informationsspeicherelement Informationen derart speichert, daß diese
von einem Menschen sichtbar wahrgenommen werden können, oder
derart, daß die
Informationen auf jedem optischen, magnetischen, elektrischen oder
mechanischen Weg scanbar bzw. auslesbar oder abrufbar sind. Die
vom Menschen sichtbar wahrnehmbaren Informationen können Informationen
sein, welche durch Buchstaben, Zeichen, Zahlen, Grafiken und Symbole
ausgedrückt
werden. Die optisch scanbaren Informationen können Information sein, welche
als Barcode gespeichert werden. Die magnetisch scanbaren Informationen
können
Informationen sein, welche auf einem magnetischen Band gespeichert
sind. Die elektrisch scanbaren Information können Informationen sein, welche
auf einem IC-Chip gespeichert sind. Die mechanisch scanbaren Informationen
können
Informationen sein, welche als ein Codemuster von konkaven und konvexen Linien
gespeichert sind. Das Informationsspeicherelement kann nur einmal
beschreibbar oder wiederholt beschreibbar sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Brennstoffzelle der Erfindung besteht das Separatorenpaar aus dünnen Metallplatten.
Diese Anordnung verringert auf wünschenswerte
Weise die Gesamtlänge
einer Aneinanderreihung mehrerer Brennstoff zellen in Stapelrichtung
und ermöglicht
die gewünschte
Größenreduktion,
während
der Widerstand zwischen angrenzenden Brennstoffzellen verringert wird
und die Leistungserzeugungseffizienz erhöht bzw. verbessert wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt ist die Erfindung ferner auf einen Brennstoffzellenstapel
gerichtet, der durch Auf- bzw. Aneinanderschichten mehrerer Brennstoffzellen
ausgebildet wird,
wobei die mehreren Brennstoffzellen zumindest
eine Brennstoffzelle mit den vorstehend dargestellten Kennzeichen
haben.
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Bei
zumindest einer Brennstoffzelle, welche im Brennstoffzellenstapel
der vorliegenden Erfindung enthalten ist, ist das Informationsspeicherelement
an der exponierten Außenfläche der
zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung bereitgestellt, welche
eine größere Dicke
als die der Separatoren aufweist. Diese Anordnung ermöglicht,
daß Informationen über die
Brennstoffzelle leicht vom Informationsspeicherelement im geschichteten
Stapel mit mehreren Brennstoffzellen gescannt werden können.
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Bei
einer bevorzugten Anwendung des Brennstoffzellenstapels der Erfindung
enthalten die mehreren Brennstoffzellen zwei aneinander angrenzende
Brennstoffzellen, welche die vorstehenden Kennzeichen aufweisen.
Die jeweiligen Informationsspeicherelemente der zwei benachbarten
bzw. angrenzenden Brennstoffzellen werden zumindest von den Separatoren
der beiden benachbarten Brennstoffzellen getrennt. Diese Anordnung
verhindert effektiv, daß eines
der Informationsspeicherelemente der zwei angrenzenden Brennstoffzellen
beim Scannen des anderen Informationsspeicherelements interagiert
bzw. stört.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung, welche schematisch die Anordnung
eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Brennstoffzelle
als eine Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels in zerlegtem
Zustand;
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3(a) und 3(b) zeigen
eine Draufsicht sowie eine Ansicht von unten, die einen ersten Separator
darstellen, der in der Brennstoffzelle enthalten ist;
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4(a) und 4(b) zeigen
eine Draufsicht sowie eine Ansicht von unten, die einen zweiten
Separator darstellen, der in der Brennstoffzelle enthalten ist;
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5 zeigt
eine Schnittdarstellung, die eine Anordnung einer anderen Brennstoffzelle
gemäß einem
modifizierten Beispiel zeigt;
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6 zeigt
eine perspektivische Darstellung, welche die Anordnung einer weiteren
Brennstoffzelle gemäß einem
anderen modifizierten Beispiel zeigt; und
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7 zeigt
eine perspektivische Darstellung, die eine Anordnung einer anderen
Brennstoffzelle gemäß einem
weiteren modifizierten Beispiel zeigt.
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Beste Art
und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Um
die Merkmale, Eigenschaften und Funktionen der Erfindung im Detail
zu erklären,
werden nachfolgend einige Arten zur Ausführung der Erfindung unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erklärt. 1 zeigt
eine perspektivische Darstellung, die schematisch die Anordnung
eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt. 2 ist eine perspektivische Darstellung,
welche die Anordnung einer Brennstoffzelle 20 als eine
Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels 10 in zerlegtem
Zustand zeigt. 3 zeigt den Aufbau eines ersten
Separators 30, welcher in der Brennstoffzelle 20 enthalten
ist. 4 zeigt den Aufbau eines zweiten Separators 70,
welcher in der Brennstoffzelle 20 enthalten ist.
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Der
Brennstoffzellenstapel 10 ist aus einer Schichtenfolge
mehrerer Brennstoffzellen 20 gebildet. Wasserstoff als
Brenngas wird von einem (nicht dargestellten) Wasserstofftank in
ein Wasserstoffzufuhrverteilerrohr M1 geliefert, fließt durch
die entsprechenden Brennstoffzellen 20 und wird aus einem Wasserstoffabgassammelrohr
M2 entladen. Die Luft (welche Sauerstoff als Oxidationsgas enthält), die durch
einen (nicht dargestellten) Luftkompressor komprimiert wird, wird
in ein Luftzufuhrverteilerrohr M3 eingespeist, fließt durch
die entsprechenden Brennstoffzellen 20 und wird von einem
Luftabgassammelrohr M4 ausgestoßen.
Kühlwasser
wird von einem (nicht dargestellten) Kühlwassertank mittels einer
(nicht dargestellten) Kühlwasser-Zirkulationspumpe
in ein Kühlwasserzufuhrverteilerrohr
M5 eingebracht, strömt
durch die entsprechenden Brennstoffzellen 20 und fließt aus einem
Kühlwasserauslaßsammelrohr
M6 ab. Nach der Wärmeerholung wird
das Kühlwasser
mittels der Kühlwasser-Zirkulationspumpe
in das Kühlwasserzufuhrverteilerrohr
M5 rezirkuliert. Die entsprechenden Brennstoffzellen 20 erzeugen
elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff
und Sauerstoff, welche dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt werden
und durch die entsprechenden Brennstoffzellen 20 fließen.
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Der
Brennstoffzellenstapel 10 wird durch sequentielles Anordnen
von Leistungskollektoren 11 und 12, Isolierplatten 13 und 14 sowie
Endplatten 15 und 16 an beiden Enden der Schichtfolge
der mehreren Brennstoffzellen 20 vervollständigt, wie
in 1 dargestellt. Die Leistungskollektoren 11 und 12 bestehen
aus einem gasundurchlässigen
leitfähigen Material,
wie beispielsweise einer dichten Kohlenstoff- oder Kupferplatte.
Die Isolationsplatten 13 und 14 bestehen aus einem
Isoliermaterial, wie beispielsweise Gummi oder Harz bzw. Kunststoff.
Die Endplatten 15 und 16 bestehen aus einem festen
metallischen Material, wie beispielsweise Stahl. Die Leistungskollektoren 11 und 12 haben
jeweils Ausgangsanschlüsse 17 und 18.
Einer der Ausgangsanschlüsse 17 und 18 ist
mit einer positiven Elektrode verbunden, während der andere der Ausgangsanschlüsse 17 und 18 mit
einer negativen Elektrode verbunden ist. Die Endplatten 15 und 16 halten
den Brennstoffzellenstapel 10 unter Anwendung eines Drucks
in Stapelrichtung mittels einer (nicht dargestellten) Druckvorrichtung.
Während
die Endplatte 16 keine Durchgangsöffnung aufweist, hat die Endplatte 15 sechs
Durchgangsöffnungen,
welche Öffnungen
darstellen, die die entsprechenden Rohre M1 bis M6 verbinden.
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Wie
in 2 dargestellt, enthält die Brennstoffzelle 20 einen
ersten Separator 30, einen ersten Harzrahmen 40,
eine MEA 50, einen zweiten Harzrahmen 60 sowie
einen zweiten Separator 70, die in dieser Reihenfolge angeordnet
sind.
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Die
MEA 50 ist eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche eine
Anode 52 sowie eine Kathode 53 umfasst, die über eine
feste Elektrolytmembran 51 angeordnet sind. Die feste Elektrolytmembran 51 ist
eine Protonen leitende Ionen-Austauschmembran aus einem festen Polymermaterial, beispielweise
Fluoresin (z.B. eine Nafion-Membran, welche
von duPont hergestellt wird), und zeigt eine günstige Protonenleitfähigkeit
in nassem Zustand. Die feste Elektrolytmembran 51 hat Katalysator-Elektrodenschichten,
welche an deren entgegengesetzten zwei Flächen durch Aufbringung von
Platin oder einer Platinlegierung ausgebildet sind, sowie Gasdiffusions-Elektrodenschichten,
die außerhalb
der entsprechenden Katalysator-Elektrodenschichten ausgebildet sind.
Die Gasdiffusion-Elektrodenschichten bestehen aus einer Karbonverkleidung
aus Karbonfasergarnen. Ein Satz der Katalysator-Elektrodenschicht
und der Gasdiffusions-Elektrodenschicht, die auf einer Seite der
festen Elektrolytmembran 51 bereitgestellt sind, bilden
die Anode 52. Der andere Satz der Katalysator-Elektrodenschicht
und der Gasdiffusions-Elektrodenschicht, welche an der anderen Seite
der festen Elektrolytmembran 51 bereitgestellt sind, bilden
die Kathode 53.
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Der
erste Separator 30 ist ein dünnes Metallplattenelement mit
einer Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm, und wird beispielsweise
durch Beschichten einer dünnen
rostfreien Grundplatte mit einem leitfähigen Film erhalten, der eine
höhere
Korrosionsresistenz als die Grundplatte hat. Eine Aussparung bzw.
Vertiefung 31 ist auf einer oberen Fläche des ersten Separators 30 oder
einer Ebene, welche der Anode 52 der MEA 50 gegenüberliegt,
ausgebildet (siehe 3(a)). Die Aussparung 31 hat
einen Wasserstoff-Flußpfad 33,
um den Durchfluß von Wasserstoff
zu ermöglichen.
Der erste Separator 30 hat eine flache untere Fläche (siehe 3(b)). Der erste Separator 30 hat
Gasflußöff nungen 30a bis 30d,
die an seinen vier Ecken ausgebildet sind, sowie Kühlwasserflußöffnungen 30e und 30f.
Die Gasflußöffnungen 30a und 30b sind
innerhalb der Aussparung bzw. Vertiefung 31 ausgebildet,
während
die Gasflußöffnungen 30c und 30d außerhalb
der Vertiefung 31 angeordnet sind.
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Der
erste Harzrahmen bzw. Kunststoffrahmen 40 ist ein dickes
Isolierplattenelement aus einem wärmehärtenden Kunststoff (beispielsweise
einem Phenolharz) und ist einige Male bis hin zum mehreren Zehnfachen
so dick wie der erste Separator 30. Die Dicke des ersten
Harzrahmens 40 ist derart eingestellt, um eine zufriedenstellende
Gasflußrate
im Wasserstoff-Flußpfad 33 sicherzustellen,
der durch den ersten Separator 30 und den ersten Harzrahmen 40 ausgebildet
wird, zur effizienten elektrochemischen Reaktion des Wasserstoffs
mit Sauerstoff. Der erste Harzrahmen 40 ist zwischen der
Anode 52, der MEA 50 und dem ersten Separator 30 angeordnet und
hat eine MEA-Befestigungsöffnung 41 zur
Aufnahme der MEA 50 darin, Gasflußöffnungen 40a bis 40d,
welche den Gasflußöffnungen 30a bis 30d entsprechen,
sowie Kühlwasserflußöffnungen 40e und 40f,
welche den Kühlwasserflußöffnungen 30e und 30f entsprechen.
Die MEA-Befestigungsöffnung 41 hat
eine Stufe, welche entlang ihres Umfangs ausgebildet ist. Der Umfang
der MEA 50, der in der MEA-Befestigungsöffnung 41 aufgenommen
ist, wird an der Stufe der MEA-Befestigungsöffnung 41 mittels eines
Klebstoffs angebracht. Der erste Harzrahmen 40 und der
Separator 30 sind mittels einer Dichtungsschicht S1 aneinander
gebunden (siehe die vergrößerte Darstellung
im Kreis von 1), mit Ausnahme der Aussparung 31,
der entsprechenden Gas- und Kühlwasserflußöffnungen 30a bis 30f und 40a bis 40f sowie
der MEA-Befestigungsöffnung 41.
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Wie
der erste Harzrahmen 40 ist der zweite Harzrahmen 60 ein
dickes Isolierplattenelement aus wärmehärtendem Harz (z.B. dem Phenolharz)
und ist einige Male bis hin zum mehreren Zehnfachen so dick wie
der erste Separator 30 auf. Die Dicke des zweiten Harzrahmens 60 ist
derart eingestellt, um eine zufriedenstellende Gasflußrate in
einem Luftflußpfad 73 sicherzustellen,
der zwischen dem zweiten Separator 70 und dem zweiten Harzrahmen 60 bereitgestellt
ist, zur effizienten elektrochemischen Reaktion des Wasserstoffs
mit Sauerstoff. Der zweite Harzrahmen 60 ist zwischen der
Kathode 53 der MEA 50 und dem zweiten Separator 70 bereitgestellt und
weist eine MEA-Befestigungsöffnung 61 zur
Aufnahme der MEA 50 darin auf, Gasflußöffnungen 60a bis 60d,
welche den Gasflußöffnungen 30a bis 30d entsprechen,
sowie Kühlwasserflußöffnungen 60e und 60f,
welche den Kühlwasserflußöffnungen 30e und 30f entsprechen.
Die MEA-Befestigungsöffnung 61 weist
eine Stufe auf, die entlang ihres Umfangs ausgebildet ist. Der Umfang
der MEA 50, der in der MEA-Befestigungsöffnung 61 aufgenommen
wird, wird an der Stufe der MEA-Befestigungsöffnung 61 mittels
des Klebstoffs angebracht. Die ersten und zweiten Harzrahmen 40 und 60 sind
dickwandig ausgebildet, um als strukturelle Materialien zu dienen, um
der Brennstoffzelle 20 eine ausreichende Stärke zu geben,
und bestehen aus einem Isoliermaterial, um einen Kurzschluß zwischen
dem ersten Separator 30 und dem zweiten Separator 70 zu
verhindern.
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Wie
der erste Separator 30 besteht auch der zweite Separator 70 aus
einem dünnen
Metallplattenelement, beispielsweise einer nickelbeschichteten rostfreien
dünnen
Platte. Eine Aussparung bzw. Vertiefung 71 ist auf einer
unteren Seite des zweiten Separators 70 oder einer Ebene,
die der Kathode 53 der MEA 50 gegenüberliegt,
ausgebildet (siehe 4(b)). Die Aussparung 71 weist
Luftflußpfade 73 auf,
um den Durchfluß von
Luft zu ermöglichen.
Ein gewundener Kühlwasserflußpfad 77 ist
in einer oberen Fläche
des zweiten Separators 70 ausgebildet (siehe 4(a)). Der zweite Separator 70 hat
Gasflußöffnungen 70a bis 70d,
die an seinen vier Ecken ausgebildet sind. Die Gasflußöffnungen 70c und 70d sind
innerhalb der Aussparung 71 angeordnet, während die
Gasflußöffnungen 70a und 70b außerhalb der
Aussparung 71 angeordnet sind. Eine Kühlwasserflußöffnung 70e ist an
einem Ende des Kühlwasserflußpfades 77 bereitgestellt,
während
eine Kühwasserflußöffnung 70f am
anderen Ende des Kühlwasserflußpfades 77 bereitgestellt
ist. Der zweite Harzrahmen 60 und der zweite Separator 70 sind
mittels einer Dichtungsschicht S2 aneinander gebunden (siehe die
vergrößerte Darstellung
im Kreis von 1), mit Ausnahme der Aussparung 71,
den entsprechenden Gas- und Kühlwasserflußöffnungen 60a bis 60f und 70a bis 70f und
der MEA-Befestigungsöffnung 61.
Der zweite Separator 70 in einer Brennstoffzelle 20 ist
zudem mit dem ersten Separator 30 einer benachbarten Brennstoffzelle 20 über eine
Dichtungs schicht S4 verbunden (siehe die vergrößerte Darstellung im Kreis
von 1), mit Ausnahme des Kühlwasserflußpfades 77 und der
entsprechenden Gas- und Kühlwasserflußöffnungen 30a bis 30f und 70a bis 70f.
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Das
Wasserstoffzufuhrverteilerrohr M1 ist ein zylindrischer hohler Raum,
der durch Verbinden der Gasflußöffnung 30a des
ersten Separators, der Gasflußöffnung 40a des
ersten Harzrahmens 40, der Gasflußöffnung 60a des zweiten
Harzrahmens 60 und der Gasflußöffnung 70a des zweiten
Separators 70 in Schichtrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 ausgebildet
wird. Das Wasserstoffabgassammelrohr M2 ist ein zylindrischer hohler
Raum, der durch Verbinden der Gasflußöffnung 30b des ersten
Separators 30, der Gasflußöffnung 40b des ersten
Harzrahmens 40, der Gasflußöffnung 60b des zweiten
Harzrahmens 60 und der Gasflußöffnung 70b des zweiten Separators 70 in
Schichtrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 gebildet
wird. Wasserstoff wird in das Wasserstoffzufuhrverteilerrohr M1
eingebracht, strömt
durch die in den jeweiligen Brennstoffzellen 20 ausgebildeten
Wasserstoff-Flußpfade 33 und
wird vom Wasserstoffabgassammelrohr M2 entladen. Dichtungsschichten
aus Klebstoff (nicht dargestellt) sind um die jeweiligen Öffnungen
ausgebildet, um die Gasdichtigkeit der jeweiligen Sammelrohre M1
und M2 zu erhalten und ein Austreten von Wasserstoff zu verhindern.
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Das
Luftzufuhrverteilerrohr M3 ist ein zylindrischer hohler Raum, der
durch Verbinden der Gasflußöffnung 30c des
ersten Separators 30, der Gasflußöffnung 40c des ersten
Harzrahmens 40c der Gasflußöffnung 60c des zweiten
Harzrahmens 60 und der Gasflußöffnung 70c des zweiten
Separators 70 in Schichtrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 ausgebildet
wird. Das Luftabgassammelrohrrohr M4 ist ein zylindrischer hohler
Raum, der durch Verbinden der Gasflußöffnung 30d des ersten
Separators 30, der Gasflußöffnung 40d des ersten
Harzrahmens 40, der Gasflußöffnung 60d des zweiten
Harzrahmens 50 und der Gasflußöffnung 70d des zweiten Separators 70 in
Schichtrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 ausgebildet
wird. Luft wird in das Luftzufuhrverteilerrohr M3 eingebracht, strömt durch
die Luftflußpfade 73,
welche in den entsprechenden Brennstoffzellen 20 ausgebildet
sind, und wird durch das Luftabgassammelrohr M4 ausgestoßen. Dichtungsschichten
aus Klebstoff (nicht dargestellt) sind um die entsprechenden Öffnungen
bereitgestellt, um die Luftdichtigkeit der entsprechenden Sammelrohre M3
und M4 zu erhalten und ein Austreten von Luft zu verhindern.
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Das
Kühlwasserzufuhrverteilerrohr
M5 ist ein zylindrischer hohler Raum, der durch Verbinden der Kühlwasserflußöffnung 30e des
ersten Separators, der Kühlwasserflußöffnung 40e des
ersten Harzrahmens 40, der Kühlwasserflußöffnung 60e des zweiten
Harzrahmens 60 sowie der Kühlwasserflußöffnung 70e des zweiten
Separators 70 in Schichtrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 ausgebildet wird.
Das Kühlwasserentladesammelrohr
M6 ist ein zylindrischer hohler Raum, der durch Verbinden der Kühlwasserflußöffnung 30f des
ersten Separators 30, der Kühlwasserflußöffnung 40f des ersten
Harzrahmens 40, der Kühlwasserflußöffnung 60f des zweiten
Harzrahmens 60 und der Kühlwasserflußöffnung 70f des zweiten
Separators 70 in Schichtrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 ausgebildet
ist. Kühlwasser
wird in das Kühlwasserzufuhrverteilerrohr
M5 eingebracht, strömt
durch die Kühlwasserflußpfade 77,
die in den entsprechenden Brennstoffzellen 20 ausgebildet
sind, und strömt
durch das Kühlwasserentladesammelrohr
M6 aus. Dichtungsschichten aus Klebstoff (nicht dargestellt) sind
um die jeweiligen Öffnungen
bereitgestellt, um die Flüssigkeitsdichtigkeit
der entsprechenden Rohre M5 und M6 zu erhalten und ein Austreten
von Kühlwasser
zu verhindern.
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Ferner
ist eine zwischen den Separatoren gelegene Einlagerung 80 der
Schichtstruktur zwischen dem ersten Separator 30 und dem
zweiten Separator 70 vorgesehen, wie in der vergrößerten Darstellung
im Kreis von 1 dargestellt. Die zwischen den
Separatoren gelegene Einlagerung 80 hat eine Dicke von
mehreren Millimetern und umfaßt
den ersten und zweiten Harzrahmen 40 und 60, zwischen denen
die MEA 50 gehalten ist, die Dichtungsschicht S1, welche
zwischen dem ersten Separator 30 und dem ersten Harzrahmen 40 angeordnet
ist, die Dichtungsschicht S2, welche zwischen dem zweiten Separator 70 und
dem zweiten Harzrahmen 60 angeordnet ist, sowie eine Dichtungsschicht
S3, welche zwischen dem ersten Harzrahmen 40 und dem zweiten
Harzrahmen 60 angeordnet ist. Ein optisch lesbarer Barcode 24 wird
durch Laserbestrahlung bzw. -beschriftung in einem Informationsspeichergebiet 22 über dem
ersten Harzrahmen 40, der Dichtungsschicht S3 und dem zweiten
Harzrahmen 60 an einer exponierten Außenfläche der zwischen den Separatoren
gelegenen Einlagerung 80 ausgebildet. Der Barcode 24 wird
nach dem Zusammenbau der Brennstoffzelle 20 geschrieben.
Eine Codenummer eines jeden Barcodes 24 korreliert mit
Brennstoffzellenspezifischen Informationen, die auf einer Festplatte
eines (nicht dargestellten) Computers gespeichert sind. In Reaktion
auf die Eingabe des Barcodes 24 in den Computer durch ein
(nicht dargestelltes) Barcode-Lesegerät wird die Brennstoffzellen-spezifische Information,
welche mit der Codenummer des eingegebenen Barcodes 24 korreliert,
erhalten und auf einem Display des (nicht dargestellten) Computers dargestellt.
Typische Beispiele der Brennstoffzellen-spezifischen Informationen
enthalten das Herstellungsdatum der Brennstoffzelle 20,
die entsprechenden Preßform-Maschinen,
welche zur Herstellung des ersten Separators 30 und des
zweiten Separators 70 in der Brennstoffzelle 20 verwendet
wurden, die entsprechenden Daten der Herstellung und die entsprechenden
Losnummern der ersten und der zweiten Separatoren 30 und 70,
die entsprechenden Daten der Herstellung und die entsprechenden
Losnummern der ersten und zweiten Harzrahmen 40 und 60 sowie
die Daten der Herstellung und die Losnummer der MEA 50.
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Bei
der Anordnung der Brennstoffzelle 20 dieser Ausführungsform
ist der Barcode 24 auf die exponierte Außenfläche bzw.
der äußeren exponierten
Fläche
der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung 80 geschrieben,
welche die größere Dicke
und höhere
Flexibilität
aufweist als der erste Separator 30 und der zweite Separator 70.
Der Barcode 24 wird dadurch leicht bereitgestellt und leicht
ausgelesen, unabhängig
von der Dicke und dem Material des ersten Separators 30 und
des zweiten Separators 70. Die Brennstoffzelle 20 dieser
Ausführungsform
hat dünnwandige
erste und zweite Separatoren 30 und 70 und verwendet
dickwandige erste und zweite Harzrahmen 40 und 60 in
der zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung 80 als
Strukturmaterialien. Diese Anordnung ermöglicht die effektive Verwendung
der Seitenflächen
der jeweiligen Harzrahmen 40 und 60 als Informationsspeichergebiet 22.
Die ersten und zweiten Separatoren 30 und 70 sind
dünne Metallplattenelemente.
Diese Anordnung verringert in wünschenswerter
Weise die Gesamtlänge
des Brennstoffzellenstapels 10 in Schichtrich tung und erreicht
die bevorzugte Größenreduktion,
während
der Widerstand zwischen den benachbarten Brennstoffzellen 20 verringert
wird, und erhöht die
Leistungserzeugungseffizienz. Der niedrige Metallgehalt mit der
niedrigen spezifischen Wärme (Wärmekapazität bzw. -leitfähigkeit)
verhindert effektiv eine abrupte Abnahme der Temperatur der Brennstoffzellen 20 nach
einem Anhalten des Brennstoffzellenstapels 10 selbst in
kalter Umgebung, und benötigt
keine großen
Mengen an Energie zum Aufwärmen
bei einem Neustart des Brennstoffzellenstapels 10. Zwei
Barcodes 24, welche jeweils an zwei angrenzenden Brennstoffzellen 20 im
Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt sind, sind durch
zumindest den zweiten Separator 70 in einer Brennstoffzelle 20 und
den ersten Separator 30 in der angrenzenden Brennstoffzelle 20 getrennt.
Diese Anordnung verhindert effektiv, daß ein Barcode 24 beim
Scan des benachbarten Barcodes 24 stört.
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Die
vorstehend diskutierte Ausführungsform ist
in jeglicher Hinsicht als illustrativ und nicht beschränkend zu
verstehen. Zahlreiche Modifikationen, Veränderungen und Abwandlungen
können
ausgeführt
werden, ohne vom Umfang oder Geist der Haupteigenschaften der vorliegenden
Erfindung abzuweichen. Der Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung
werden vielmehr durch die angehängten Ansprüche als
durch die vorstehende Beschreibung aufgezeigt.
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Beispielsweise
kann die Brennstoffzellen-spezifische Information, welche mit der
Codenummer eines jeden Barcodes 24 korreliert, zusätzlich Wartungsinformationen über die
Wartung oder Reparatur der Brennstoffzelle 20 enthalten,
sofern vorhanden. Die Informationsstücke können nur einmal beschreibbar
oder mehrfach beschreibbar sein.
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Die
Brennstoffzelle 20 der Ausführungsform verwendet einen
optisch lesbaren Barcode 24. Die Codenummer des Barcodes 24 kann
als Buchstabenkette ausgedrückt
werden, um eine Wahrnehmung durch den Menschen zu ermöglichen,
kann als konkav-konvexes
Codemuster dargestellt werden, um eine mechanische Erfassung zu
ermöglichen, kann
in einem Magnetband gespeichert werden, um einen magnetischen Scan
zu ermöglichen,
oder kann in einem IC-Chip gespeichert werden, um eine elektrische
Er fassung zu ermöglichen.
Der Barcode 24 kann, anstelle der Laserbeschriftung dieser
Ausführungsform,
als Aufkleber ausgebildet sein oder mittels Tinte aufgedruckt werden.
Im Falle des Druckens des Barcodes 24 ist es vorzuziehen,
daß der
Barcode 24 in einer unterscheidungsfähigen Farbe aufgedruckt wird,
zur leichteren Unterscheidung von der Farbe der zwischen den Separatoren
gelegenen Einlagerung 80.
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Bei
der Brennstoffzelle 20 dieser Ausführungsform korreliert die Brennstoffzellen-spezifische Information
mit der Codenummer des Barcodes 24. Eine mögliche Modifikation
kann den Barcode 24 mit einem zweidimensionalen Barcode,
einem Magnetband, einem IC-Chip oder einem anderen äquivalenten
Speichermedium ersetzen und die Brennstoffzellen-spezifischen Informationen
direkt in das Speichermedium speichern. Das Speichermedium kann derart
ausgebildet sein, daß es
einmal beschreibbar oder mehrfach beschreibbar ist.
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Gemäß der Anordnung
der Brennstoffzelle 20 dieser Ausführungsform sind die Dichtungsschichten
S1, S2 und S3 ausgebildet, um Spalten zwischen den benachbarten
Elementen auszufüllen. Gemäß einer
modifizierten Anordnung der Brennstoffzelle 20, die in
einer Schnittdarstellung von 5 gezeigt
ist, ist ein Dichtungselement 26 bereitgestellt, um eine
Außenumfangsfläche der
zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung 80 abzudecken.
Ein Teil einer Seitenfläche
des Dichtungselements 26 ist für den Informationsspeicherbereich 22 eingestellt.
Das Dichtungselement 26, welches die Außenumfangsfläche der
zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung 80 abdeckt,
erhält
effektiv die Gasdichtigkeit und Luftdichtigkeit der Wasserstoff-Flußpfade und
Luftflußpfade,
welche in den entsprechenden Brennstoffzellen 20 ausgebildet
sind. Die Seitenfläche
des Dichtungselements 26 wird effektiv als Informationsspeicherfläche 22 verwendet. Das
Dichtungselement 26 kann auch die Außenumfangsfläche der
ersten und zweiten Separatoren 30 und 70 abdecken,
zusätzlich
zur Außenumfangsfläche der
zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung 80.
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Bei
der Anordnung der Brennstoffzelle 20 der Ausführungsform
sind Barcodes 24 für
alle Brennstoffzellen 20 vorgesehen, welche im Brennstoffzellenstapel 10 enthalten sind.
Gemäß einer
möglichen Modifikation
kann der Barcode 24 nur für eine Brennstoffzelle 20 bereitgestellt
sein, und Brennstoffzellenstapel-spezifische Informationen (beispielsweise
die Ausgangsleistung) über
den Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellen-spezifische Informationen über die
entsprechenden Brennstoffzellen 20 des Brennstoffzellenstapels 10 speichern.
Gemäß einer anderen
möglichen
Modifikation sind die in dem Brennstoffzellenstapel 10 enthaltenen
Brennstoffzellen 20 in mehrere Gruppen unterteilt. Der
Barcode 24 kann für
lediglich eine Brennstoffzelle 20 in jeder Gruppe vorgesehen
sein, und Brennstoffzellen-gruppenspezifische Informationen (beispielsweise
die Ausgangsleistung) einer jeden Gruppe der Brennstoffzellen 20 sowie
Brennstoffzellen-spezifische Information einer jeden Brennstoffzelle 20,
die in der Gruppe enthalten ist, speichern.
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Bei
der Anordnung der Brennstoffzelle 20 der Ausführungsform
ist die Informationsspeicherfläche bzw.
das Informationsspeichergebiet 22 an den Seitenflächen der
ersten und zweiten Harzrahmen 40 und 60 ausgebildet.
Gemäß einer
modifizierten Ausführung,
welche in 6 dargestellt ist, ist ein Informationsspeichergebiet 122 auf
einer Fläche
eines Vorsprungs 62 ausgebildet, der von der Seitenfläche des
zweiten Harzrahmens 60 hervorragt. Ein zweidimensionaler
Code 124, der Brennstoffzellen-spezifische Informationen
speichert, ist in diesem Informationsspeichergebiet 122 bereitgestellt.
Da der Vorsprung 62 von den Enden der ersten und zweiten
Separatoren 30 und 70 hervorragt, ist der zweidimensionale
Code 124 nach außen
hin exponiert, um in Stapelrichtung leicht erkennbar zu sein. Bei
einem weiteren modifizierten Beispiel, das in 7 dargestellt ist,
hat der zweite Separator 70 einen Ausschnitt an einem seiner
vier Ecken, um eine Kante der Fläche des
zweiten Harzrahmens 60 zu exponieren. Ein Informationsspeichergebiet 222 ist
an dieser exponierten Kantenfläche
angeordnet, und ein zweidimensionaler Code 224, ähnlich dem
zweidimensionalen Code 124, ist in diesem Informationsspeichergebiet 222 bereitgestellt.
Diese Anordnung verursacht ebenfalls, daß der zweidimensionale Code 224 nach außen exponiert
und in Schichtrichtung leicht lesbar ist. Bei dem modifizierten
Beispiel von 7 zeigt der zweite Separator 70 den
Ausschnitt 72 an einer seiner vier Ecken. Dies ist jedoch
nicht notwendig. Ein Ausschnitt kann durch eine nach innen gerichtete Aussparung
einer Seite zwischen zwei Ecken des zweiten Separators 70 ausgebildet
sein, um einen Teil der Fläche
des zweiten Harzrahmens 60 zu exponieren. Ein Informationsspeichergebiet
ist an dieser exponierten Fläche
angeordnet. Die Anordnung mit der Kante oder dem Seitenausschnitt
erzielt, verglichen mit der Harzrahmen-Vorsprungsanordnung aus 6,
in wünschenswerter
Weise eine Verringerung der Gesamtgröße des Brennstoffzellenstapels. Der
zweidimensionale Code 124 oder 224 kann durch
Ausbilden von konvexen und konkaven Linien bzw. Flächen an
der Fläche
des Informationsspeichergebiets 122 oder 222 ausgebildet
sein, kann direkt auf das Informationsspeichergebiet 122 oder 222 gedruckt
sein, oder kann als gedruckter Aufkleber auf das Informationsspeichergebiet 122 oder 222 aufgebracht
sein.
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Gemäß der Anordnung
der Brennstoffzelle 20 der Ausführungsform ist der Barcode 24 an
einer exponierten Außenfläche der
zwischen den Separatoren gelegenen Einlagerung 80 bereitgestellt.
Gemäß einer
modifizierten Anordnung ist ein IC-Tag (IC-Chip) mit einer gespeicherten
Codenummer, welche äquivalent
zur Codenummer des Barcodes 24 ist, im ersten Harzrahmen 40 oder
im zweiten Harzrahmen 60 in der zwischen den Separatoren
gelegenen Einlagerung 80 ausgebildet. Die Codenummer wird
aus dem eingebetteten IC-Tag mittels eines Lesegeräts ausgelesen
und in einen Computer eingegeben. Brennstoffzellen-spezifische Informationen entsprechend
der Codenummer werden dann erhalten und auf dem Display dargestellt.
Das IC-Tag kann anstelle der Harzrahmen 40 oder 60 in
einer der Dichtungsschichten S1 bis S3 eingebettet sein. Die ersten
und zweiten Separatoren 30 und 70 bestehen aus
einem Metallmaterial mit einem hohen elektromagnetischen Schild
bzw. hoher elektromagnetischer Abschirmung und können dadurch gewisse Schwierigkeiten
bei der drahtlosen Kommunikation des eingebetteten IC-Chips verursachen.
Die ersten und zweiten Harzrahmen 40 und 60 sowie
die Dichtungsschichten S1 bis S3 bestehen andererseits aus den Harz-
und Gummimaterialien mit einer niedrigen elektromagnetischen Abschirmung
und bereiten keine Schwierigkeiten bei der drahtlosen Kommunikation
des eingebetteten IC-Chips.
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-117241 ,
welche am 14. April 2005 eingereicht wurde, deren Inhalte werden
hierin unter Bezugnahme aufgenommen.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
Technologie der Erfindung ist vorzugsweise für Fahrzeuge, elektronische
Vorrichtungen, Haushaltsgeräte
und -anlagen sowie für
Kraftwerksausrüstung
und -anlagen, welche mit Brennstoffzellen ausgestattet sind, anwendbar.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzelle
und Brennstoffzellenstapel
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Ein
Brennstoffzellenstapel 10 wird durch Schichten bzw. Aneinanderreihen
mehrerer Brennstoffzellen 20 ausgebildet. Eine jede Zelle 20 hat
einen ersten Separator 30, einen ersten Harzrahmen 40,
einen zweiten Harzrahmen 60 sowie einen zweiten Separater 70,
die in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Eine Membran-Elektroden-Anordnung
oder MEA wird zwischen den beiden Harzrahmen 40 und 60 gehalten.
Eine geschichtete Anordnung der beiden Harzrahmen 40 und 60 sowie
von Dichtungsschichten S1 bis S3 bildet eine zwischen den Separatoren
gelegene Einlagerung 80. Bei der Brennstoffzelle 20 ist
ein Barcode 24 an einer exponierten Außenfläche der zwischen den Separatoren
gelegenen Einlagerung 80, die eine größere Dicke die jeweiligen Separatoren 30 und 70 aufweist,
vorgesehen. Diese Anordnung ermöglicht
es, dass der Barcode 24 leicht bereitgestellt und gescannt
bzw. ausgelesen werden kann, unabhängig von der Dicke und den
Materialien der jeweiligen Separatoren 30 und 70.