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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Brennstoffzelle, insbesondere eine rohrförmige Brennstoffzelle mit einem verbesserten Leistungserzeugungsverhalten.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mit dem Ziel der Erhöhung der Leistungsdichte pro Flächeneinheit einer rohrförmigen Brennstoffzelle, die über einen bestimmten Wert hinaus geht, hat man rohrförmige Brennstoffzellen (die gegebenenfalls als „rohrförmige PEFCs” bezeichnet werden, wobei PEFC die dem Fachmann bekannte Abkürzung für Polyektrolytbrennstoffzelle (engl.: polyelectrolyte fuel cell) darstellt) zum Gegenstand ununterbrochener Forschungsarbeit gemacht. Typischerweise beinhaltet eine Einheits-Zelle einer rohrförmigen PEFC (die nachstehend gegebenenfalls als „rohrförmige Zelle” bezeichnet wird) eine Membranelektrodenanordnung (die nachstehend als „MEA” bezeichnet wird) mit einer Elektrolytmembran, die zu einer hohlen Form ausgebildet ist, und Katalysatorlagen, die auf den Innen- und Außenseiten der Elektrolytmembran angeordnet sind. In der Einheits-Zelle laufen elektrische Reaktionen ab, z. B., wenn ein Wasserstoffgas (das schlichtweg als „Wasserstoff” bezeichnet wird) der Innenseite der MEA (engl.: membrane electrolde assembly) zugeführt wird und ein Sauerstoffgas (das einfach als „Sauerstoff” bezeichnet wird) der Außenseite der MEA zugeführt wird, und die durch die elektrischen Reaktionen erzeugte Energie wird über Stromkollektoren gesammelt, die auf den Innen- bzw. Außenseiten der MEA angeordnet sind, und dann nach außen abgegeben. Es ist zu beachten, dass der Stromkollektor, der auf der Innenseite der MEA angeordnet ist, als „innerer Stromkollektor” bezeichnet wird, und der auf der Außenseite angeordnete Stromkollektor als „äußerer Stromkollektor” bezeichnet wird. Das heißt, dass in einer rohrförmigen PEFC eine Leistungserzeugung durch Zuführen eines Reaktionsgases (z. B. Wasserstoff) zur Innenseite der MEA und eines weiteren Reaktionsgases (z. B. Sauerstoff) zur Außenseite ausgeführt wird. In einer rohrförmigen PEFC werden daher die äußeren Oberflächen von zwei oder mehreren benachbarten Einheits-Zellen einem Reaktionsgas ausgesetzt, das einem gemeinsamen Raum zugeführt wird, und daher besteht im Gegensatz zu Flach-PEFCs keine Notwendigkeit, die Separatoren, die zudem als Gasabschirmeinrichtungen dienen, zwischen den Einheits-Zellen anzuordnen. Dementsprechend ist in Bezug auf die Abmessungen einer rohrförmigen PEFC eine kompakt Ausführung möglich.
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Als Beispiel für eine auf eine rohrförmige Brennstoffzelle bezogene Technologie beschreibt die Veröffentlichung
JP 2004-505417 A eine Brennstoffzelle, bei der alle Komponenten einer Mikrozelle verwendet werden, um eine Anordnung aus nur einer Faser bzw. Einzelfaseranordnung zu fertigen. Diese Struktur ermöglicht gemäß den einschlägigen Beschreibungen in dieser Druckschrift, dass eine Leistungserzeugung bei einer hohen Leistungsdichte ausgeführt werden kann und dass die Abmessungen des elektrochemischen Zellenblocks (d. h. der rohrförmigen Zellen) minimiert werden können.
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Weitere Brennstoffzellen werden beispielsweise in der
WO 03/041190 A2 oder der
US 2004/0023101 A1 offenbart.
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Wie vorstehend beschrieben, entsteht in einer rohrförmigen PEFC Elektrizität unter Umsetzung von Wasserstoff mit Luft. Um zu verhindern, dass diese Gase miteinander vermischt werden, sind Abdichtungsbereiche an den Endbereichen einer jeweiligen rohrförmigen Zelle angeordnet. In einer rohrförmigen PEFC, wie sie in der Veröffentlichung
JP 2004-505417 A beschrieben ist, ist beispielsweise eine MEA
90 (hinsichtlich der Bezugszeichen siehe
3 dieser vorliegenden Anmeldung), die eine innere Katalysatorlage
92a, eine Elektrolytmembran
91 und eine äußere Katalysatorlage
92b beinhaltet, um einen inneren Stromkollektor
5 herum angeordnet, und ein äußerer Stromkollektor (nicht gezeigt) ist so angeordnet, dass er mit der äußeren Katalysatorlage
92b in Kontakt gelangt, und Abdichtungsbereiche
971,
972 sind jeweils an den Endbereichen
96 der MEA
90 angeordnet. In dieser rohrförmigen PEFC wird jedoch ein Reaktionsgas (Wasserstoff in
3) der Oberfläche und Endfläche eines jeweiligen Endbereichs der äußeren Katalysatorlage
92b zugeführt, und das andere Reaktionsgas (Sauerstoff in
3) wird der Oberfläche des mittleren Bereichs der äußeren Katalysatorlage
92b zugeführt. Wenn daher Wasserstoff und Sauerstoff unterschiedlichen Bereichen der äußeren Katalysatorlage
92b zugeführt werden, findet an einigen Bereichen der äußeren Katalysatorlage
92b eine Leistungserzeugung statt, und dies kann das Leistungserzeugungsverhalten der rohrförmigen PECF verringern, was problematisch ist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine rohrförmige Brennstoffzelle mit einem verbesserten Leistungserzeugungsverhalten zu schaffen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine rohrförmige Brennstoffzelle, die einen inneren Stromkollektor, eine Membranelektrodenanordnung (MEA) und Abdichtungsbereiche beinhaltet, die jeweils an axialen Endbereichen der MEA angeordnet sind, wobei die MEA eine innere Katalysatorlage beinhaltet, die auf dem inneren Stromkollektor angeordnet ist, eine Elektrolytmembran, die auf der inneren Katalysatorlage angeordnet ist, und eine äußere Katalysatorlage, die auf der Elektrolytmembran angeordnet ist. In dieser rohrförmigen Brennstoffzelle ist die axiale Länge der äußeren Katalysatorlage kürzer als die axiale Länge der Elektrolytmembran und die axiale Länge der inneren Katalysatorlage. Wenn die axialen Endflächen der inneren Katalysatorlage jeweils als axiale Endflächen A1, A2 bezeichnet werden, eine der axialen Endfläche A1 entsprechende axiale Endfläche der Elektrolytmembran die als axiale Endfläche B1 bezeichnet wird, der axialen Endfläche A2 entsprechende axiale Endfläche der Elektrolytmembran, die als axiale Endfläche B2 bezeichnet wird, eine den axialen Endflächen A1, B1 entsprechende axiale Endfläche der äußeren Katalysatorlage, die als eine axiale Endfläche C1 bezeichnet wird, und eine den axialen Endflächen A2, B2 entsprechende axiale Endfläche der äußeren Katalysatorlage, die als axiale Endfläche C2 bezeichnet wird, ist die axiale Endfläche C1 dem axialen Mittelpunkt der rohrförmigen Brennstoffzelle näher, als es die axialen Endflächen A1, B1 sind; ist die axiale Endfläche C2 dem axialen Mittelpunkt der rohrförmigen Brennstoffzelle näher, als es die axialen Endflächen A2, B2 sind; und ist einer der Abdichtungsbereiche zwischen der Stelle angeordnet, wo die axialen Endfläche A1, B1 positioniert sind und wo die axiale Endfläche C1 positioniert ist, und ist der andere Abdichtungsbereich zwischen der Stelle angeordnet, wo die axialen Endflächen A2, B2 positioniert sind; und wo die axiale Endfläche C2 positioniert ist. Mit dem Begriff „Endfläche” ist im Rahmen der Anmeldung „Stirnfläche” gemeint, wobei die Begriffe im Rahmen der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet werden.
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In der Erfindung versteht man unter dem Begriff „axiale Endbereiche” der MEA die Endbereiche der MEA in der axialen Richtung der rohrförmigen Zelle, und die Beschreibung „eine axialer Endbereich, der einem anderen axialen Endbereich entspricht” bedeutet, dass die beiden axialen Endbereiche auf der gleichen Seite des axialen Mittelpunkts der MEA positioniert sind. In der Erfindung können die Abdichtungsbereiche beispielsweise aus einem wärmehärtbaren Harz (z. B. Epoxid) oder einem Zweikomponentenklebstoff gefertigt sein, der fest wird, indem zwei Komponenten miteinander vermischt werden (z. B. ein wärmebeständiger Klebstoff auf Epoxidbasis). Zudem beinhaltet die Beschreibung „einer der Abdichtungsbereiche ist zwischen der Stelle, wo die axialen Endflächen A1, B1 positioniert sind und wo die axiale Endfläche C1 positioniert ist, angeordnet (oder positioniert), und der andere der Abdichtungsbereiche ist zwischen der Stelle, wo die axialen Endflächen A2, B2 positioniert sind, und wo die axiale Endfläche C2 positioniert ist, angeordnet (oder positioniert)” eine Struktur, bei der sich zumindest entweder C1 oder C2 innerhalb des Abbildungsbereichs befindet, in anderen Worten, eine Struktur, wo zumindest einer der Abdichtungsbereiche so angeordnet ist, dass er C1 oder C2 abdeckt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine rohrförmige Brennstoffzelle, die einen inneren Stromkollektor, eine MEA und Abdichtungsbereiche beinhaltet, die jeweils an axialen Endbereichen der MEA angeordnet sind. Die MEA beinhaltet eine innere Katalysatorlage, die auf dem inneren Stromkollektor angeordnet ist, eine Elektrolytmembran, die auf der inneren Katalysatorlage angeordnet ist, und eine äußere Katalysatorlage, die auf der Elektrolytmembran angeordnet ist. Wenn die axialen Endflächen der inneren Katalysatorlage jeweils als axiale Endflächen X1, X2 bezeichnet werden, eine axiale Endfläche der Elektrolytmembran, die der axialen Endfläche Y1 entspricht, als eine axiale Endfläche Y1 bezeichnet wird, eine axiale Endfläche der Elektrolytmembran, die der axialen Endfläche X2 entspricht, als axiale Endfläche Y2 bezeichnet wird, eine axiale Endfläche der äußeren Katalysatorlage, die den axialen Endflächen X1, Y1 entspricht, als axiale Endfläche Z1 bezeichnet wird, und eine axiale Endfläche der äußeren Katalysatorlage, die den axialen Endflächen X2, Y2 entspricht, als eine axiale Endfläche Z2 bezeichnet wird, sind die axialen Endflächen X1, Y1 und Z1 innerhalb einem der Abdichtungsbereiche positioniert und die axialen Endflächen X2, Y2, Z2 innerhalb des anderen Abdichtungsbereichs positioniert und sind die axialen Endflächen X1, Y1 und Z1 im Wesentlichen zueinander ausgerichtet und die axialen Endflächen X2, Y2 und Z2 im Wesentlichen zueinander ausgerichtet.
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In der Erfindung kann der innere Stromkollektor aus Cu, Au oder Pt gefertigt sein.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sind die axiale Endfläche der äußeren Katalysatorlage und die axiale Endfläche der inneren Katalysatorlage auf den gegenüberliegenden Seiten des Abdichtungsbereichs in einer jeweiligen Seite der rohrförmigen Brennstoffzelle positioniert. Gemäß dieser Struktur besteht die Möglichkeit, selbiges Reaktionsgas den Oberflächen der Endbereiche und dem mittleren Bereich der äußeren Katalysatorlage zuzuführen, und somit eine unerwünschte Leistungserzeugung zu verhindern, die ansonsten an einigen Bereichen der äußeren Katalysatorlage auftreten könnte. Somit kann eine rohrförmige Brennstoffzelle mit einem verbesserten Leistungserzeugungsverhalten geschaffen werden.
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Gemäß einer Auführungsform sind die axialen Endflächen der äußeren Katalysatorlage innerhalb der Abdichtungsbereiche positioniert. Gemäß dieser Struktur ist es zudem möglich, selbiges Reaktionsgas den Oberflächen der Endbereiche und dem mittleren Bereich der äußeren Katalysatorlage zuzuführen und somit eine unerwünschte Leistungserzeugung zu verhindern, die ansonsten an einigen Bereichen der äußeren Katalysatorlage auftreten könnte. Somit kann eine rohrförmige Brennstoffzelle mit einem verbesserten Leistungserzeugungsverhalten geschaffen werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei identische Bezugszeichen zur Darstellung ähnlicher Elemente verwendet werden:
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1 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Bereich einer rohrförmigen Brennstoffzelle gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
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2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Bereich einer rohrförmigen Brennstoffzelle gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
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3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion einer rohrförmigen Brennstoffzelle gemäß dem einschlägigen Stand der Technik darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt eine Beschreibung einer erfindungsgemäßen rohrförmigen Brennstoffzelle. Es ist zu beachten, dass die vertikale Richtung in den Zeichnungen einer „axialen Richtung” entspricht, der Mittelpunkt der rohrförmigen Zelle in der axialen Richtung als „axialer Mittelpunkt” bezeichnet wird und die Enden der rohrförmigen Zelle in der axialen Richtung als „axiale Enden” bezeichnet werden.
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1 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Bereich einer rohrförmigen Brennstoffzelle gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt. Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet eine rohrförmige Brennstoffzelle 10 einen inneren Stromkollektor 5, eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 6a und Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2. Die MEA 6a beinhaltet eine innere Katalysatorlage 2a, eine Elektrolytmembran 1 und eine äußere Katalysatorlage 2b. Die innere Katalysatorlage 2a ist auf dem inneren Stromkollektor 5 angeordnet, die Elektrolytmembran 1 ist auf der inneren Katalysatorlage 2a angeordnet, und die äußere Katalysatorlage 2b ist auf der Elektrolytmembran 1 angeordnet. Die Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 sind jeweils an den axialen Endbereichen der MEA 6a angeordnet. Im inneren Stromkollektor 5 sind Kanäle ausgebildet, durch die ein Reaktionsgas zwischen dem inneren Stromkollektor 5 und der inneren Katalysatorlage 2a diffundiert. Ein äußerer Stromkollektor ist auf der Oberfläche der äußeren Katalysatorlage 2b angeordnet. Es ist zu beachten, dass die Kanäle und der äußere Stromkollektor nicht in den Zeichnungen gezeigt sind.
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In der rohrförmigen Brennstoffzelle 10 ist die axiale Länge der äußeren Katalysatorlage 2b kürzer als die axialen Längen der inneren Katalysatorlage 2a und der Elektrolytmembran 1. Eine axiale Endfläche A1 der inneren Katalysatorlage 2a und eine axiale Endfläche B1 der Elektrolytmembran 1 sind näher an einem der axialen Enden der rohrförmigen Brennstoffzelle 10 angeordnet als der Abdichtungsbereich 7a1, und eine axiale Endfläche A2 der inneren Katalysatorlage 2a und eine axiale Endfläche B2 der Elektrolytmembran 1 sind näher an dem anderen axialen Ende der rohrförmigen Brennstoffzelle 10 angeordnet als der Abdichtungsbereich 7a2. Die axialen Endflächen C1, C2 der äußeren Katalysatorlage 2b sind näher am axialen Mittelpunkt der rohrförmigen Brennstoffzelle 10 angeordnet als die Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2. Wenn der rohrförmigen Brennstoffzelle Wasserstoff und Luft zugeführt werden, wird dem Raum zwischen den Abdichtungsbereichen 7a1, 7a2 Luft zugeführt und dem Raum, der sich darüber befindet und durch den Abdichtungsbereich 7a1 abgetrennt ist, und dem Raum, der sich darunter befindet und durch den Abdichtungsbereich 7a2 abgetrennt ist, Wasserstoff zugeführt, und somit wird der äußeren Katalysatorlage 2b nur Luft zugeführt, wodurch eine unerwünschte Leistungserzeugung verhindert werden kann, die ansonsten an einigen Bereichen der äußeren Katalysatorlage 2b auftreten könnte. Folglich wird das Leistungserzeugungsverhalten der rohrförmigen Brennstoffzelle 10 verbessert.
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Ferner ist in der rohrförmigen Brennstoffzelle 10, die wie oben konstruiert ist, der Abdichtungsbereich 7a1 zwischen der Stelle, wo die axiale Endfläche C1 der äußeren Katalysatorlage 2b positioniert ist, und wo die axialen Endflächen A1 der inneren Katalysatorlage 2a und die axiale Endfläche B1 der Elektrolytmembran 1 positioniert sind, angeordnet, und der Abdichtungsbereich 7a2 ist zwischen der Stelle, wo die axiale Endfläche C2 der äußeren Katalysatorlage 2b positioniert ist, und der Stelle, wo die axiale Endfläche A2 der inneren Katalysatorlage 2a und die axiale Endfläche B2 der Elektrolytmembran 1 positioniert sind, angeordnet. Wenn daher die Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 gebildet werden, wird verhindert, dass das Material der Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 zwischen die innere Katalysatorlage 2a und die Elektrolytmembran 1 und zwischen die Elektrolytmembran 1 und die äußeren Katalysatorlage 2b gelangt. Es ist zu beachten, dass das Material der Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 beispielsweise ein wärmehärtbares Harz (z. B. Epoxid) oder ein Zwei-Komponenten-Klebstoff sein kann, der fest wird, indem zwei Komponenten miteinander vermischt werden (z. B. ein wärmebeständiger Klebstoff auf Epoxidbasis). Weil das Material der Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 zwischen den vorgenannten Bereichen nicht vorhanden ist, tritt keine Störung beim Leiten der Protonen auf, und es ergibt sich somit eine Verbesserung des Leistungserzeugungsverhaltens der rohrförmigen Brennstoffzelle 10.
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Die rohrförmige Brennstoffzelle 10 wird beispielsweise mittels folgender Verfahren hergestellt. Zunächst wird der innere Stromkollektor 5 aus einem Material mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit hergestellt, bei dem es sich beispielsweise um Cu, Au oder Pt handelt. Es ist zu beachten, dass es bei der Verwendung von Cu zu bevorzugen ist, die Oberfläche des inneren Stromkollektors 5 mit einem Material mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit zu beschichten, wie z. B. Ti, um die Korrosionsbeständigkeit des inneren Stromkollektors 5 zu verbessern. Die innere Katalysatorlage 2a wird auf der Oberfläche des inneren Stromkollektors 5 ausgebildet, indem eine Katalysatortinte auf die Oberfläche des inneren Stromkollektors 5 aufgetragen wird und man sie dann trocknen lässt. Katalysatortinte wird beispielsweise dadurch erzeugt, dass ein Katalysator wie platinführende Kohlenstoffe einer Lösung hinzugefügt wird, die ein Ionenaustauschharz einschließlich Fluor enthält, das unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels verflüssigt worden ist. Nachdem die innere Katalysatorlage 2a auf diese Weise ausgebildet worden ist, wird die Elektrolytmembran 1 auf der Oberfläche der inneren Katalysatorlage 2a ausgebildet, indem beispielsweise ein Ionenaustauschharz, das Fluor oder dergleichen beinhaltet, das unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels verflüssigt worden ist, auf die Oberfläche der inneren Katalysatorlage 2a aufgetragen wird und man es dann trocknen lässt. Dieses Ionenaustauschharz wird nachstehend gegebenenfalls als „Elektrolytzusammensetzung” bezeichnet. Anschließend wird die äußere Katalysatorlage 2b auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 1 ausgebildet, indem beispielsweise die vorstehend angeführte Katalysatortinte auf die Oberfläche der Elektrolytmembran 1 aufgetragen wird. Diese Vorgänge werden derart ausgeführt, dass die axiale Endfläche C1 der äußeren Katalysatorlage 2b an einer anderen Position von der axialen Endfläche B1 der Elektrolytmembran 1 angeordnet ist, und dass die axiale Endfläche C2 der äußeren Katalysatorlage 2b an einer anderen Position von der axialen Endfläche B2 der Elektrolytmembran 1 angeordnet ist, und zwar aus Sicht der axialen Richtung. Wie in 1 gezeigt, ist insbesondere die äußere Katalysatorlage derart ausgebildet, dass die axialen Endflächen C1, C2 der äußeren Katalysatorlage 2b näher am axialen Mittelpunkt der rohrförmigen Brennstoffzelle positioniert als es jeweils die axialen Endflächen B1, B2 der Elektrolytmembran 1 sind. Dann wird der äußere Stromkollektor (nicht gezeigt), der aus dem gleichen Material wie der innere Stromkollektor 5 gefertigt ist, auf der äußeren Katalysatorlage 2b ausgebildet. Nachdem die rohrförmige Zelle auf diese Weise hergestellt worden ist, wird der Abdichtungsbereiche 7a1 zwischen der axialen Endfläche C1 der äußeren Katalysatorlage 2b und der axialen Endfläche B1 der Elektrolytmembran 1 ausgebildet, und der Abdichtungsbereich 7a2 wird zwischen der axialen Endfläche C2 der äußeren Katalysatorlage 2b und der axialen Endfläche B2 der Elektrolytmembran 1 ausgebildet. Die Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 werden beispielsweise durch Auftragen eines wärmehärtbaren Harzes (z. B. Epoxid), das sich bei Umgebungstemperatur in einem flüssigen Zustand befindet, oder eines Zweikomponenten-Klebstoffs (z. B. wärmebeständigen Klebstoff auf Epoxidbasis) ausgebildet, der fest wird, indem zwei Komponenten miteinander vermischt werden, und den man dann zur Verfestigung abkühlen lässt. Auf diese Weise kann die rohrförmige Brennstoffzelle 10 der ersten beispielhaften Ausführungsform hergestellt werden.
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2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Bereich für eine rohrförmige Brennstoffzelle 20 gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt. In 2 werden zur Benennung der Bereiche und Komponenten mit Konstruktionen, die mit jenen aus 1 identisch sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet, und auf eine Beschreibung derselben wird daher verzichtet.
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Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet eine rohrförmige Brennstoffzelle 20 einen inneren Stromkollektor 5, eine MEA 6b und Abdichtungsbereiche 7b1, 7b2. Die MEA 6b beinhaltet eine innere Katalysatorlage 2a, eine Elektrolytmembran 1 und eine äußere Katalysatorlage 2b'. Die innere Katalysatorlage 2a ist auf dem inneren Stromkollektor 5 angeordnet, die Elektrolytmembran 1 ist auf der inneren Katalysatorlage 2a angeordnet und die äußere Katalysatorlage 2b' ist auf der Elektrolytmembran 1 angeordnet. Die Abdichtungsbereiche 7b1, 7b2 sind jeweils an den axialen Endbereichen der MEA 6b angeordnet. Im inneren Stromkollektor 5 sind Kanäle ausgebildet, durch die ein Reaktionsgas zwischen dem inneren Stromkollektor 5 und der inneren Katalysatorlage 2a diffundiert. Ein äußerer Stromkollektor ist auf der Oberfläche der äußeren Katalysatorlage 2b' angeordnet. Es ist zu beachten, dass die Kanäle und der äußere Stromkollektor in den Zeichnungen nicht gezeigt sind. Die Dicke eines jeweiligen Abdichtungsbereichs 7b1, 7b2 ist größer als die der Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 in der ersten beispielhaften Ausführungsform. Die Abdichtungsbereiche 7b1, 7b2 sind beispielweise aus einem wärmehärtbaren Harz (z. B. Epoxid) oder aus einem Zwei-Komponenten-Klebstoff (z. B. ein wärmebeständiger Klebstoff auf Epoxidbasis) gefertigt, der härtet, indem die beiden Komponenten miteinander vermischt werden.
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Auf einer Seite in der rohrförmigen Brennstoffzelle 20 sind eine axiale Endfläche X1 der inneren Katalysatorlage 2a, eine axiale Endfläche Y1 der Elektrolytmembran 1 und eine axiale Endfläche Z1 der äußeren Katalysatorlage 2b' zueinander ausgerichtet, und auf der anderen Seite sind eine axiale Endfläche X2 der inneren Katalysatorlage 2a, eine axiale Endfläche Y2 der Elektrolytmembran 1 und eine axiale Endfläche Z2 der äußeren Katalysatorlage 2b' zueinander ausgerichtet. Die axialen Endflächen X1, Y1, Z1 sind innerhalb des Abdichtungsbereichs 7b1 angeordnet, und die axialen Endflächen X2, V2, Z2 sind innerhalb des Abdichtungsbereichs 7b2 angeordnet. Wenn der rohrförmigen Brennstoffzelle 20 Wasserstoff und Luft zugeführt werden, wird dem Raum zwischen den Abdichtungsbereichen 7b1, 7b2 Luft zugeführt und dem Raum, der darüber angeordnet ist und der durch den Abdichtungsbereich 7b1 abgetrennt ist, und dem Raum, der darunter angeordnet ist und der durch den Abdichtungsbereich 7b2 abgetrennt ist, wird Wasserstoff zugeführt, und somit wird der externen Katalysatorlage 2b' nur Luft zugeführt, wodurch eine unerwünschte Leistungserzeugung verhindert wird, die ansonsten an einigen Bereichen der externen Katalysatorlage 2b' auftreten könnte. Folglich wird das Leistungserzeugungsverhalten der rohrförmigen Brennstoffzelle 20 verbessert.
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Die rohrförmige Brennstoffzelle 20 wird beispielsweise mittels der nachstehenden Verfahren hergestellt. Zunächst wird der innere Stromkollektor 5 aus einem Material mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit und einer Korrosionsbeständigkeit erzeugt, bei dem es sich beispielsweise um Cu, Au oder Pt handelt. Es ist zu beachten, dass es bei der Verwendung von Cu zu bevorzugen ist, die Oberfläche des inneren Stromkollektors 5 mit einem Material mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit, wie z. B. Ti, zu beschichten, um die Korrosionsbeständigkeit des inneren Stromkollektors 5 zu verbessern. Dann werden die Katalysatortinte zum Ausbilden der inneren Katalysatorlage, die Elektrolytzusammensetzung und die Katalysatortinte zum Ausbilden der äußeren Katalysatorlage, die allesamt durch Erwärmen verflüssigt worden sind, jeweils auf die Oberfläche des inneren Stromkollektors 5 extrudiert, um die MEA 6b auszubilden. Nachdem die MEA 6b ausgebildet worden ist, werden die Abdichtungsbereiche 7b1, 7b2 ausgebildet, indem ein wärmehärtbares Harz (z. B. Epoxid), das sich bei Umgebungstemperatur in einem flüssigen Zustand befindet, oder ein Zwei-Komponenten-Klebstoff (z. B. wärmebeständiger Klebstoff auf Epoxidbasis) aufgetragen wird, der fest wird, indem zwei Komponenten miteinander vermischt werden, und den man dann zur Verfestigung auskühlen lässt. Das wärmehärtbare Harz oder der Zweikomponenten-Klebstoff werden auf solchen Positionen aufgetragen, wo die resultierenden Abdichtungsbereiche 7b1, 7b2 die jeweiligen axialen Endflächen der MEA 6b bedecken. Auf diese Weise kann die rohrförmige Brennstoffzelle 20 gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform hergestellt werden. Gemäß der rohrförmigen Brennstoffzelle 20 der zweiten beispielhaften Ausführungsform können die rohrförmigen Brennstoffzellen durch ein einfaches Fertigungsverfahren hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass als ein Beispiel für das Verfahren zum Extrudieren der Katalysatortinte zum Ausbilden der inneren Katalysatorlage, der Elektrolytzusammensetzung und der Katalysatortinte zum Ausbilden der äußeren Katalysatorlage eine Schmelzextrusion angewendet werden kann, die typischerweise zur Herstellung von elektrischen Drähten oder dergleichen angewendet wird.
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In den vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung wird der Oberfläche der äußeren Katalysatorlage Luft zugeführt, und der inneren Katalysatorlage über die axialen Endbereiche der rohrförmigen Zelle Wasserstoff zugeführt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann alternativ beispielsweise auf eine rohrförmige Brennstoffzelle angewendet werden, bei der der Oberfläche der Katalysatorlage Wasserstoff zugeführt wird und der inneren Katalysatorlage Luft zugeführt wird.
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Die Erfindung soll ganz im Gegenteil verschiedene Modifizierungen und entsprechende Anordnungen abdecken. Obgleich die verschiedenen Elemente der bevorzugten Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, die beispielhaften Charakter aufweisen, befinden sich darüber hinaus andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr oder weniger Elemente oder nur ein einziges Element beinhalten, ebenfalls im Schutzbereich der Erfindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrolytmembran
- 2a
- innere Katalysatorlage
- 2b, 2b'
- äußere Katalysatorlage
- 5
- Stromkollektor
- 6a, 6b
- Membranelektrodenanordnung
- 7a1, 7a2
- Abdichtungsbereiche
- 10, 20
- Brennstoffzelle
- A1, A2, X1, X2
- axiale Endflächen der inneren Katalysatorlage
- B1, B2, Y1, Y2
- Endflächen der Elektrolytmembran
- C1, C2, Z1, Z2
- axiale Endflächen der äußeren Katalysatorlage