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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennstoffzelle und ein
Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle.
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STAND DER TECHNIK
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Im
Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Einheit, die elektrische
Energie aus Kraftstoff, Wasserstoff und Sauerstoff erzielt. Die
Brennstoffzelle ist als ein Energieversorgungssystem weit verbreitet, weil
die Brennstoffzelle eine ausgezeichnete Umweltverträglichkeit
aufweist und eine hohe Energieeffizienz erreichen kann. Die Brennstoffzelle
besitzt einen Generator für elektrische Energie, bei welchem
ein Elektrolyt zwischen Elektroden gehalten wird, mit Bezug auf
Patentdokument 1. Und die Brennstoffzelle besitzt einen Energiekollektor
zum Sammeln von elektrischer Energie, die in dem Generator für
elektrische Energie erzeugt wird.
Patentdokument 1:
Japanische Offenlegungsschrift Nr.
2004-146337 -
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN
SIND
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Beim
Aufbau ist ein Rahmen zum Verstärken des Generators für
elektrische Energie nötig, um eine Dicke des Generators
für elektrische Energie zu reduzieren. Es ist möglich,
dass die Elektroden miteinander elektrisch verbunden sind, wenn
der Rahmen leitend ist, der Rahmen mit beiden Elektroden in Kontakt
ist, und ein elektrisches Potential des Rahmens das gleiche ist,
wie das der Elektrode.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle
bereit zu stellen, die einen elektrischen Kurzschluss zwischen den
Elektroden verhindert, und ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle.
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EINRICHTUNGEN ZUM LÖSEN
DER PROBLEME
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Eine
Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Generator bzw. Erzeuger
für elektrische Energie, einen leitenden Rahmen, einen
Energiekollektor und ein isolierendes Element umfasst. Der Generator bzw.
Erzeuger für elektrische Energie umfasst einen Elektrolyten,
eine erste Elektrode, die auf einer Fläche des Elektrolyten
bereitgestellt ist, und eine zweite Elektrode, die auf der anderen
Fläche des Elektrolyten bereitgestellt ist. Der leitende
Rahmen besitzt ein elektrisches Potential, das im Wesentlichen das
gleiche ist, wie das der ersten Elektrode, und verstärkt den
Generator für elektrische Energie. Der Energiekollektor
ist auf der zweiten Elektrode auf der gegenüberliegenden
Seite des Elektrolyten bereitgestellt. Das isolierende Element ist
zwischen dem Energiekollektor und dem leitenden Rahmen bereitgestellt. Bei
der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung
wird verhindert, dass der Energiekollektor den leitenden Rahmen
kontaktiert, weil das isolierende Element zwischen dem Energiekollektor
und dem leitenden Rahmen bereitgestellt ist. Und der elektrische
Kurzschluss zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
wird verhindert. Es ist deshalb möglich, einen Verlust
einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung zu verhindern.
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Das
isolierende Element kann zwischen der zweiten Elektrode und dem
leitenden Rahmen bereitgestellt werden. In diesem Fall wird verhindert,
dass die zweite Elektrode und der Energiekollektor den leitenden
Rahmen kontaktieren. Deshalb wird verhindert, dass die erste Elektrode
mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist. Der leitende
Rahmen kann eine Vertiefung und eine Basis aufweisen. Der Generator
für elektrische Energie kann in der Vertiefung bereitgestellt
sein.
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Eine
Summe einer Dicke der Vertiefung und einer Dicke des Generators
für elektrische Energie kann kleiner sein als eine Dicke
der Basis. In diesem Fall ist eine obere Fläche der zweiten
Elektrode niedriger gelegen als eine obere Fläche der Basis.
Und das isolierende Element fixiert eine Seitenfläche eines
unteren Abschnitts des Energiekollektors. Ein Versatz des Energiekollektors
wird deshalb verhindert. Dementsprechend ist es möglich,
einen Kontakt zwischen dem Energiekollektor und dem Rahmen zu verhindern.
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Die
erste Elektrode kann eine Anode sein. Die Anode kann aus einem wasserstoffdurchlässigen Metall
bestehen. Der Elektrolyt kann eine Protonenleitfähigkeit
aufweisen. In diesem Fall verstärkt der leitende Rahmen
die wasserstoffdurchlässige Membran und den Elektrolyten.
Es ist deshalb möglich, die Dicke der wasserstoffdurchlässigen
Membran und des Elektrolyten zu reduzieren. Und es ist möglich gemäß der
vorliegenden Erfindung Herstellungskosten der Brennstoffzelle zu
reduzieren.
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Ein
Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
Bereitstellen einer ersten Elektrode und eines Elektrolyten auf
einem leitenden Rahmen, Anordnen eines isolierenden Elements auf
einem Umfangsbereich einer oberen Fläche des Elektrolyten
und Bereitstellen einer zweiten Elektrode und eines Energiekollektors
auf dem Elektrolyten. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die erste Elektrode und der Elektrolyt auf dem leitenden
Rahmen bereitgestellt, das isolierende Element ist auf dem Umfangsbereich
der oberen Fläche des Elektrolyten angeordnet und die zweite
Elektrode und der Energiekollektor sind auf dem Elektrolyten bereitgestellt.
In diesem Fall verhindert das isolierende Element, dass der leitende
Rahmen den Energiekollektor und die zweite Elektrode kontaktiert.
Deshalb wird verhindert, dass die erste Elektrode mit der zweiten
Elektrode elektrisch verbunden ist. Dementsprechend kann ein Verlust
einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle verhindert werden. Und
es ist nicht notwendig, den leitenden Rahmen mit dem isolierenden
Element zu verbinden, weil das isolierende Element angeordnet wird,
nachdem die erste Elektrode und die zweite Elektrode bereitgestellt
sind. Es ist deshalb möglich, den Prozess zu verkürzen.
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Ein
anderes Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
Bereitstellen einer ersten Elektrode auf einem leitenden Rahmen,
Anordnen eines isolierenden Elements auf einem Umfangsbereich einer
oberen Fläche der ersten Elektrode und nacheinander Bereitstellen
eines Elektrolyten, einer zweiten Elektrode und eines Energiekollektors
auf der ersten Elektrode. Bei dem Herstellungsverfahren ist die
erste Elektrode auf dem leitenden Rahmen bereitgestellt. Das isolierende
Element ist auf dem Umfangsbereich der oberen Fläche der
ersten Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt, die zweite Elektrode
und der Energiekollektor sind nacheinander auf der ersten Elektrode
bereitgestellt. In diesem Fall verhindert das isolierende Element,
dass der leitende Rahmen den Elektrolyten, den Energiekollektor
und die zweite Elektrode kontaktiert. Es wird verhindert, dass die
erste Elektrode mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist.
Dementsprechend wird ein Verlust einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle
verhindert. Und es ist nicht notwendig, den leitenden Rahmen mit
dem isolierenden Element zu verbinden, weil das isolierende Element
angeordnet wird, nachdem die erste Elektrode und der Elektrolyt
bereitgestellt sind. Es ist deshalb möglich, den Prozess
zu verkürzen. Die erste Elektrode kann eine Anode sein.
Die Anode kann aus einem wasserstoffdurchlässigen Metall
bestehen. Der Elektrolyt kann eine Protonenleitfähigkeit
aufweisen.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird verhindert, dass der Energiekollektor
den leitenden Rahmen kontaktiert. Es wird deshalb verhindert, dass
die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden
ist. Dementsprechend wird ein Verlust einer Energieerzeugung der
Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung
verhindert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B stellen
eine Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar;
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2A bis 2F stellen
einen Prozessablauf eines Herstellungsverfahrens einer Brennstoffzelle
dar;
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3A und 3B stellen
ein anderes Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle dar;
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4 stellt
eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
dar; und
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5 stellt
eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
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BESTE ARTEN ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Eine
Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung
wird vorgenommen.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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1A und 1B stellen
eine Brennstoffzelle 100 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. 1A stellt
eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 100 dar. 1B stellt
eine Draufsicht eines isolierenden Elements 9 dar. In dem
ersten Ausführungsbeispiel wird eine Brennstoffzelle mit
einer wasserstoffdurchlässigen Membran als eine Brennstoffzelle verwendet.
Die Brennstoffzelle mit einer wasserstoffdurchlässigen
Membran besitzt hier eine wasserstoffdurchlässige Membran.
Die wasserstoffdurchlässige Membran besteht aus einem Metall
mit einer Wasserstoffdurchlässigkeit. Die Brennstoffzelle
mit einer wasserstoffdurchlässigen Membran besitzt einen Aufbau,
bei welchem ein fester Elektrolyt mit einer Protonenleitfähigkeit
auf der wasserstoffdurchlässigen Membran angeordnet ist.
Wasserstoff, der einer Anode zugeführt wird, wird durch
eine Katalysatorreaktion in Protonen umgewandelt. Die Protonen werden
in dem Elektrolyten mit einer Protonenleitfähigkeit geleitet,
reagieren mit dem an der Kathode bereitgestellt Sauerstoff und werden
in Wasser umgewandelt. Somit wird elektrische Energie erzeugt. Eine Beschreibung
eines Aufbaus der Brennstoffzelle 100 wird vorgenommen.
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Wie
in 1A gezeigt, besitzt die Brennstoffzelle 100 Begrenzungen 1 und 8,
Energiekollektoren 2 und 7, einen Rahmen 3,
einen Generator für elektrische Energie 10 und
das isolierende Element 9. Der Generator für elektrische
Energie 10 besitzt eine wasserstoffdurchlässige
Membran 4, einen Elektrolyten 5 und eine Kathode 6.
Die Begrenzung 1 besteht aus einem leitenden Material,
wie etwa rostfreiem Stahl. Und ein erhöhter Abschnitt ist
an einem Umfangsbereich einer oberen Fläche der Begrenzung 1 geformt.
Der Energiekollektor 2 besteht zum Beispiel aus einem leitenden
Material, wie etwa einem SUS430 porösen Material, einem
Ni porösen Material, einem Pt beschichteten Al2O3 porösen Material oder einem Pt-Netz.
Der Energiekollektor 2 wird auf einem Mittelbereich der
Begrenzung 1 geschichtet.
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Der
Rahmen 3 besteht aus einem leitenden Material, wie etwa
rostfreiem Stahl und verstärkt die wasserstoffdurchlässige
Membran 4 und den Elektrolyten 5. Der Rahmen 3 wird
auf der Begrenzung 1 durch den erhöhten Abschnitt
der Begrenzung 1 und den Energiekollektor 2 geformt.
Der Rahmen 3 ist mit der Begrenzung 1 verbunden.
Eine Vertiefung ist an einem Mittelbereich einer oberen Fläche
des Rahmens 3 geformt. Die wasserstoffdurchlässige
Membran 4 und der Elektrolyt 5 werden in diese
Vertiefung eingesetzt. Die Vertiefung wird nachstehend als eine Vertiefung 31 bezeichnet.
Ein Teil des Rahmens 3 außer der Vertiefung 31 wird
als eine Basis 32 bezeichnet. Eine Vielzahl von Löchern
ist in der Vertiefung 31 geformt.
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Die
wasserstoffdurchlässige Membran 4 dient als eine
Anode, zu welcher Kraftstoffgas zugeführt wird, und besteht
aus einem wasserstoffdurchlässigen Metall. Ein Metall,
das die wasserstoffdurchlässige Membran 4 bildet,
ist etwa Palladium, Vanadium, Titan, Tantal oder Dergleichen. Ein
elektrisches Potential des Rahmens 3 ist im Wesentlichen
das gleiche, wie das der wasserstoffdurchlässigen Membran 4,
weil die wasserstoffdurchlässige Membran 4 auf
der Vertiefung 31 geformt ist. Mit "im Wesentlichen das
gleiche elektrische Potential" ist hier einen Fall gemeint, in dem
ein Kontaktwiderstand nicht berücksichtigt wird. Deshalb
ist das elektrische Potential des Rahmens 3 im Wesentlichen
das gleiche, wie das der wasserstoffdurchlässigen Membran 4,
auch wenn eine elektrische Differenz zwischen dem Rahmen 3 und
der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 aufgrund
des Kontaktwiderstands erzeugt wird. Der Elektrolyt 5 ist
auf der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 geschichtet.
Der Elektrolyt 5 besteht zum Beispiel aus einem Protonenleiter,
wie etwa einem Protonenleiter einer Perovskit-Art (BaCeO3 oder Dergleichen), einem Festkörperleiter
von aciden Protonen (CsHSO4 oder Dergleichen).
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Das
isolierende Element 9 besteht aus Keramik, wie etwa Aluminiumoxid
oder Zirkoniumdioxid und ist auf einem Bereich von einem Umfangsbereich einer
oberen Fläche des Elektrolyten 5 zu einer oberen
Fläche der Basis 32 geformt. Deshalb besitzt das isolierende
Element 9 eine Form, so dass sie einen Umfangsbereich einer
oberen Fläche des Generators für elektrische Energie 10 umgibt,
wie in 1B gezeigt. Zum Beispiel besitzt
ein Teil des isolierenden Elements 9 auf der Basis 32 eine
Breite von ungefähr 0,5 mm und eine Dicke von 0,2 mm. Ein
Teil des isolierenden Elements 9 auf dem Elektrolyten 5 besitzt eine
Breite von 1,0 mm. Und die Kathode 6 besteht zum Beispiel
aus einem leitenden Material, wie etwa Lanthan-Cobalit, Lanthan-Manganat,
Silber, Platin, oder Kohlenstoff mit getragenem Platin, und ist
auf dem Elektrolyten 5 geschichtet.
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Der
Energiekollektor 7 besteht aus einem Material, das das
gleiche ist, wie das des Energiekollektors 2, und ist auf
der Kathode 6 geschichtet. Der Energiekollektor 7 besitzt
eine Dicke von ungefähr 0,5 mm bis 0,8 mm. Die Begrenzung 8 besteht
aus einem leitenden Material, wie etwa rostfreiem Stahl und ist
auf dem Energiekollektor 7 geschichtet. Ein erhöhter
Abschnitt ist an einem Umfangsbereich einer unteren Fläche
der Begrenzung 8 geformt. Die Begrenzung 8 ist
mit dem Rahmen 3 über den erhöhten Abschnitt
der Begrenzung 8 verbunden. Eine Verbindungsfläche
zwischen der Begrenzung 8 und dem Rahmen 3 wird
einer isolierenden Behandlung unterzogen. Deshalb ist die Begrenzung 8 von
dem Rahmen 3 elektrisch isoliert. Bei einer tatsächlichen Brennstoffzelle
ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen 100 gemäß dem
Ausführungsbeispiel geschichtet.
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Als
Nächstes wird eine Beschreibung eines Betriebs der Brennstoffzelle 100 vorgenommen.
Ein Kraftstoffgas mit Wasserstoff wird zu einem Gasdurchlass der
Begrenzung 1 zugeführt. Dieses Kraftstoffgas wird
der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 über
den Energiekollektor 2 und durch die Löcher der
Vertiefung 31 zugeführt. Einiger Wasserstoff in dem
Kraftstoffgas wird an der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 in
Protonen umgewandelt. Die Protonen werden in dem Elektrolyten 5 geleitet
und gelangen zu der Kathode 6.
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Andererseits
wird ein Oxidationsgas mit Sauerstoff zu einem Gasdurchlass der
Begrenzung 8 zugeführt. Dieses Oxidationsgas wird
zu der Kathode 6 über den Energiekollektor 7 zugeführt.
Die Protonen reagieren mit Sauerstoff in dem Oxidationsgas, das zu
der Kathode 6 zugeführt wird. Wasser und elektrische
Energie werden somit erzeugt. Die erzeugte elektrische Energie wird über
die Energiekollektoren 2 und 7 und die Begrenzungen 1 und 8 gesammelt.
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In
dem Ausführungsbeispiel wird verhindert, dass die Kathode 6 und
der Energiekollektor 7 mit dem Rahmen 3 elektrisch
verbunden sind, weil das isolierende Element 9 zwischen
der Kathode 6 und dem Rahmen 3 und zwischen dem
Energiekollektor 7 und dem Rahmen 3 bereitgestellt
ist. Deshalb wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen der wasserstoffdurchlässigen
Membran 4 und der Kathode 6 verhindert. Und es
wird verhindert, dass der Energiekollektor 7 den Rahmen 3 kontaktiert,
auch wenn sich der Energiekollektor 7 bewegt, weil das
isolierende Element 9 sich zu der oberen Fläche
der Basis 32 erstreckt. Es ist deshalb möglich,
einen Verlust einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle 100 zu
verhindert. Weiterhin wird verhindert, dass die Kathode 6 mit
dem Rahmen 3 elektrisch verbunden ist, auch wenn die Kathode 6 und
der Energiekollektor 7 auf dem Gesamtbereich der oberen
Fläche des Elektrolyten 5 geformt sind. Es ist
deshalb möglich, eine Energieerzeugungseffizienz ohne einen
elektrischen Kurzschluss zwischen der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 und
der Kathode 6 auf ein Maximum zu vergrößern.
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Es
ist möglich, den elektrischen Kurzschluss zu verhindern,
wenn eine isolierende Schicht auf dem Rahmen 3 bereitgestellt
ist. In diesem Fall kann jedoch ein Problem wie etwa eine Trennung
an dem Rahmen 3 erzeugt werden. In dem Ausführungsbeispiel
ist es möglich, den elektrischen Kurzschluss mit einem
einfachen Aufbau zu verhindert, bei welchem das isolierende Element 9 auf
dem Elektrolyten 5 bereitgestellt ist. Deshalb wird keine
Trennung an dem Rahmen 3 erzeugt. Das isolierende Element 9 kann auf
einem Bereich von einem Umfangsbereich einer oberen Fläche
der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 zu einer
oberen Fläche der Basis 32 bereitgestellt sein.
In diesem Fall kann der Elektrolyt 5 nicht als ein isolierendes
Element agieren. Und es ist möglich, einen Kontakt zwischen
der Kathode 6 und dem Rahmen 3 und zwischen dem
Energiekollektor 7 und dem Rahmen 3 zu verhindert.
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Das
isolierende Element 9 kann auf einem Bereich von dem Umfangsbereich
einer oberen Fläche der wasserstoffdurchlässigen
Membran 4 oder dem Elektrolyten 5 zu einem Gesamtbereich
auf der Basis 32 bereitgestellt sein. In diesem Fall ist
es möglich, den elektrischen Kurzschluss zwischen der Kathode 6 und
dem Rahmen 3 und zwischen dem Energiekollektor 7 und
dem Rahmen 3 zu verhindern. Das isolierende Element 9 kann
jede Form besitzen, wenn das isolierende Element 9 zwischen
der Kathode 6 und dem Rahmen 3 und zwischen dem
Energiekollektor 7 und dem Rahmen 3 bereitgestellt
ist. Das isolierende Element 9 kann jede Form gemäß der Form
des Generators für elektrische Energie 10 besitzen,
obwohl das isolierende Element 9 in dem Ausführungsbeispiel
eine Rechteckrahmenform besitzt.
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Vorzugsweise
besitzt die Basis 32 eine Dicke von mehr als eine Summe
der Dicke der Vertiefung 31 und der Dicke des Generators
für elektrische Energie 10. Das heißt
vorzugsweise ist eine obere Fläche der Kathode 6 niedriger
gelegen als die der Basis 32. In diesem Fall fixiert das
isolierende Element 9 eine Seitenfläche des unteren
Abschnitts des Energiekollektors 7. Ein Versatz des Energiekollektors 7 wird
deshalb verhindert. Als ein Ergebnis ist es möglich, den
Kontakt zwischen dem Energiekollektor 7 und dem Rahmen 3 zu
verhindern. Und es ist möglich, die Dicke der wasserstoffdurchlässigen
Membran 4 und des Elektrolyten 5 zu verringern,
weil der Rahmen 3 die wasserstoffdurchlässige
Membran 4 und den Elektrolyten 5 verstärkt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist es
deshalb möglich, Kosten einer Herstellung der Brennstoffzelle 100 zu
verringern.
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Als
Nächstes wird eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens
der Brennstoffzelle 100 vorgenommen. 2A bis 2F stellen
einen Prozessablauf des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzelle 100 dar.
Wie in 2A gezeigt, ist die wasserstoffdurchlässige
Membran 4 auf der Vertiefung 31 des Rahmens 3 bereitgestellt.
Als Nächstes, wie in 2B gezeigt,
ist der Energiekollektor 2 auf der Begrenzung 1 bereitgestellt
und die Begrenzung 1 ist mit dem Rahmen 3 verbunden.
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Dann,
wie in 2C gezeigt, wird der Elektrolyt 5 auf
der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 geformt.
Als nächstes wie in 2D gezeigt,
wird das im Voraus geformte isolierende Element 9 in die Vertiefung 31 eingesetzt.
Das heißt, das isolierende Element 9 ist auf dem
Umfangsbereich der oberen Fläche des Elektrolyten 5 angeordnet.
Dann, wie in 2E gezeigt, werden die Kathode 6 und
der Energiekollektor 7 auf dem Elektrolyten 5 bereitgestellt. Als
Nächstes, wie in 2F gezeigt,
wird die Begrenzung 8 auf dem Rahmen 3 und dem
Energiekollektor 7 bereitgestellt und der Rahmen 3 wird
mit der Begrenzung 8 verbunden. Mit dem vorstehenden Prozess
kann die Brennstoffzelle 100 hergestellt werden.
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Bei
dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle 100 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel ist es möglich, den elektrischen
Kurzschluss durch einfaches Einsetzen des im Voraus geformten isolierenden
Elements in die Vertiefung 31 des Rahmens 3 zu verhindert.
Es ist nicht nötig, den Rahmen 3 mit dem isolierenden
Element 9 zu verbinden, weil das isolierende Element 9 in
die Vertiefung 31 eingesetzt wird, nachdem die wasserstoffdurchlässige
Membran 4 und der Elektrolyt 5 in der Vertiefung 31 bereitgestellt sind.
Es ist deshalb möglich, den Prozess zu verkürzen.
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Es
wird verhindert, dass ein Problem wie etwa eine defekte Verbindung
zwischen einem Metall und Keramik erzeugt werden, weil es nicht
nötig ist, den Rahmen 3 mit dem isolierenden Element 9 zu verbinden.
Die Verbindungsstärke kann reduziert werden, auch wenn
der Rahmen 3 mit dem isolierenden Element 9 verbunden
wird. Deshalb besitzt die vorliegende Erfindung einen Kostenvorteil.
Das isolierende Element 9 kann in der Vertiefung 31 vor
dem Ausbilden des Elektrolyten 5 eingesetzt werden. In diesem
Fall, wie in 3A und 3B gezeigt,
ist es möglich, den Kontakt zwischen der Kathode 6 und dem
Rahmen 3 effektiver zu verhindern. In dem ersten Ausführungsbeispiel
entspricht die wasserstoffdurchlässige Membran 4 der
ersten Elektrode; die Kathode 6 entspricht der zweiten
Elektrode; und der Rahmen 3 entspricht dem leitenden Rahmen.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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Als
Nächstes wird eine Beschreibung einer Brennstoffzelle 100a gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgenommen. 4 stellt
eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 100a dar.
In der Brennstoffzelle 100a ist anstelle des isolierenden
Elements 9 ein isolierendes Element 9a bereitgestellt.
Bezüglich anderer Punkte besitzt die Brennstoffzelle 100a einen
gleichen Aufbau wie die Brennstoffzelle 100. Die gleichen
Komponenten wie die in dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigten
besitzen die gleichen Bezugszeichen, um eine doppelte Erklärung
zu vermeiden. Das isolierende Element 9a besteht aus einem isolierenden
Material, wie etwa Keramik, und ist auf einem Bereich von dem Umfangsbereich
der oberen Fläche des Elektrolyten 5 zu einer
Position über der Basis 32 bereitgestellt. Deshalb
besitzt das isolierende Element 9a eine Form, die den Umfangsbereich der
oberen Fläche des Elektrolyten 5 umgibt. Das isolierende
Element 9a besitzt zum Beispiel eine Dicke von ungefähr
1,0 mm.
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In
dem Ausführungsbeispiel wird verhindert, dass die wasserstoffdurchlässige
Membran 4 mit der Kathode 6 elektrisch verbunden
ist, weil das isolierende Element 9a zwischen der Kathode 6 und
dem Rahmen 3 und zwischen dem Energiekollektor 7 und dem
Rahmen 3 bereitgestellt ist. Und das isolierende Element 9a fixiert
den Energiekollektor 7, weil das isolierende Element 9a sich
bis über die obere Fläche der Basis 32 erstreckt.
Es ist deshalb möglich, den Kontakt zwischen dem Energiekollektor 7 und
dem Rahmen 3 zu verhindern. Es ist deshalb möglich,
einen Verlust einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle 100a zu
verhindert. Es ist nicht notwendig, das isolierende Element 9a wie
in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels auf der oberen
Fläche der Basis 32 zu formen.
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Das
isolierende Element 9a kann auf einem Bereich von dem Umfangsbereich
der wasserstoffdurchlässigen Membran 4 zu der
Position über der Basis 32 bereitgestellt werden.
In diesem Fall ist es möglich, den elektrischen Kurzschluss
zwischen der Kathode 6 und dem Rahmen 3 und zwischen
dem Energiekollektor 7 und dem Rahmen 3 zu verhindern. Vorzugsweise
besitzt die Basis 32 eine Dicke von mehr als der Summe
der Dicke der Vertiefung 31 und der Dicke des Generators
für elektrische Energie 10, ähnlich wie
in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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Als
Nächstes wird eine Beschreibung einer Brennstoffzelle 100b gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
vorgenommen. In dem Ausführungsbeispiel wird eine Brennstoffzelle
eines festen Oxids als eine Brennstoffzelle verwendet. 5 stellt
eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 100b dar.
In der Brennstoffzelle 100b ist anstelle der wasserstoffdurchlässigen
Membran 4 eine Anode 4a bereitgestellt; anstelle
des Elektrolyten 5 ist ein Elektrolyt 5a bereitgestellt;
und anstelle der Kathode 6 ist eine Kathode 6a bereitgestellt.
Bezüglich anderer Punkte besitzt die Brennstoffzelle 100b den
gleichen Aufbau, wie die in 1A und 1B gezeigte
Brennstoffzelle 100. Die gleichen Komponenten, wie die
in dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigten besitzen die gleichen
Bezugszeichen, um eine doppelte Erklärung zu vermeiden.
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Die
Anode 4a ist eine Elektrode, die zum Beispiel aus Nickelcermet
besteht. Der Elektrolyt 5a ist ein Elektrolyt, das aus
einem Protonen-leitenden Material wie etwa LaGaO3-basierenden
Oxid besteht. Die Kathode 6a ist eine Elektrode die zum
Beispiel aus La0,6Sr0,5CoO3 besteht.
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In
dem Ausführungsbeispiel wird verhindert, dass die Anode 4a mit
der Kathode 6a elektrisch verbunden ist, weil das isolierende
Element 9 zwischen der Kathode 6a und dem Rahmen 3 und
zwischen dem Energiekollektor 7 und dem Rahmen 3 bereitgestellt
ist. Es ist deshalb möglich, einen Verlust einer Energieerzeugung
der Brennstoffzelle 100b zu verhindert. Das isolierende
Element 9 kann auf einem Bereich von einem Umfangsbereich
einer oberen Fläche der Kathode 4a zu der Position über
der Basis 32 bereitgestellt werden. Vorzugsweise besitzt
die Basis 32 eine Dicke von mehr als die Summe der Dicke
der Vertiefung 31 und der Dicke des Generators für
elektrische Energie 10, ähnlich wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In
dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel ist
der Generator für elektrische Energie in der Vertiefung
des Rahmens bereitgestellt. Es ist jedoch nicht auf diesen Aufbau
begrenzt. Zum Beispiel kann der Generator für elektrische
Energie auf einem ebenen Rahmen bereitgestellt sein. In diesem Fall wird
der Effekt der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn das isolierende
Element derart geformt ist, dass es den Generator für elektrische
Energie auf dem Rahmen umgibt. Das isolierende Element 9a gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel kann auf das erste Ausführungsbeispiel
und das dritte Ausführungsbeispiel angewendet werden. Das
isolierende Element 9 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel kann auf das zweite Ausführungsbeispiel
angewendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf andere Brennstoffzellen mit einem
leitenden Rahmen, der einen Elektrolyten verstärkt, angewendet
werden, obwohl die Brennstoffzelle mit einer wasserstoffdurchlässigen
Membran und die Brennstoffzelle mit festem Oxid als eine Brennstoffzelle
in den vorstehenden Ausführungsbeispielen verwendet werden.
Zum Beispiel ist es nicht möglich, ein Polymerelement als Rahmen
in einer Brennstoffzelle zu verwenden, der in einem mittleren Temperaturbereich
von mehr als 300 Grad C arbeitet. In diesem Fall ist die vorliegende
Erfindung besonders effektiv, weil Metall, wie etwa rostfreier Stahl,
als der Rahmen verwendet wird.
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In
dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht die Anode 4a der
ersten Elektrode; und die Kathode 6a entspricht der zweiten
Elektrode.
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Das
elektrische Potential des Rahmens kann im Wesentlichen das gleiche
sein, wie das der Kathode, und das isolierende Element kann den
Rahmen von dem Energiekollektor auf der wasserstoffdurchlässigen
Membran isolieren, obwohl das elektrische Potential des Rahmens
im Wesentlichen das gleiche ist, wie das der wasserstoffdurchlässigen
Membran und das isolierende Element den Rahmen von dem Energiekollektor
auf der Kathode in den vorstehenden Ausführungsbeispielen
isoliert.
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ZUSMEMENFASSUNG
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Eine
Brennstoffzelle 100 umfasst einen Generator für
elektrische Energie 10, der einen Elektrolyten 5,
eine erste Elektrode 4, die auf einer Fläche des
Elektrolyten 5 bereitgestellt ist, und eine zweite Elektrode 6,
die auf einer anderen Fläche des Elektrolyten 5 bereitgestellt
ist, einen leitenden Rahmen 3, der ein elektrisches Potential
besitzt, das im Wesentlichen das gleiche ist, wie das der ersten
Elektrode 4, und den Generator für elektrische
Energie 10 verstärkt, einen Energiekollektor 7,
der auf der zweiten Elektrode 6 auf der gegenüberliegenden
Seite des Elektrolyten 5 bereitgestellt ist, und ein isolierendes
Element 9, das zwischen dem Energiekollektor 7 und
dem leitenden Rahmen 3 bereitgestellt ist, aufweist. In
der Brennstoffzelle 100 wird verhindert, dass der Energiekollektor 7 den
leitenden Rahmen 3 kontaktiert. Deshalb wird ein elektrischer
Kurzschluss zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 6 verhindert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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