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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)
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 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 einer
japanischen Übersetzung einer PCT-Anmeldung
2004-505417 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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Wie
vorstehend beschrieben, wird in einer rohrförmigen PEFC
Elektrizität unter Verwendung von Wasserstoff und Luft
erzeugt. 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 der japanischen Übersetzung
der PCT-Anmeldung
2004-505417 beschrieben
ist, ist beispielsweise unter Bezugnahme auf
3 eine MEA
96,
die eine innere Katalysatorlage
92, 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 der MEA
96 angeordnet. In dieser
rohrförmigen PEFC wird jedoch eine 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 ein 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 axiale
Endfläche der Elektrolytmembran, die der axialen Endfläche
A1 entspricht, als axiale Endfläche B1 bezeichnet wird,
eine axiale Endfläche der Elektrolytmembran, die der axialen
Endfläche A2 entspricht, als axiale Endfläche
B2 bezeichnet wird, eine axiale Endfläche der äußeren
Katalysatorlage, die den axialen Endflächen A1, B1 entspricht,
als eine axiale Endfläche C1 bezeichnet wird, und eine axiale
Endfläche der äußeren Katalysatorlage,
die den axialen Endflächen A2, B2 entspricht, 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, wo die axialen Endfläche A1, B1 positioniert sind,
und wo die axiale Endfläche C1 positioniert ist, angeordnet, und
ist der andere Abdichtungsbereich zwischen der Stelle, wo die axialen
Endflächen A2, B2 positioniert sind, und wo die axiale
Endfläche C2 positioniert ist, angeordnet.
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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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Ein
zweiter Aspekt 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
dem ersten und zweiten Aspekt 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 dem
zweiten Aspekt der Erfindung 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 Membranelektrodenan ordnung (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 als
die Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 angeordnet. Wenn
der rohrförmigen Brennstoffzelle Wasserstoff und Luft zugeführt
werden, wird dem Raum zwischen den Abdichtungsbereichen 7a1, 7a2 Luft
zugeführt und Wasserstoff dem Raum zugeführt,
der sich darüber befindet und durch den Abdichtungsbereich 7a1 abgetrennt
ist, und dem Raum zugeführt, der sich darunter befindet
und durch den Abdichtungsbereich 7a2 abgetrennt ist, und
somit wird der externen Katalysatorlage 2b nur Luft zugeführt,
wodurch eine unerwünschte Leistungserzeugung verhindert
werden kann, die ansonsten an einigen Bereichen der externen 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). Das heißt, weil das Material der Abdichtungsbereiche 7a1, 7a2 zwischen
den vorgenannten Bereichen nicht vorhanden ist, kann keine Störung
beim Leiten der Protonen auftreten, 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.
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Katalysatortinte
wird beispielsweise dadurch erzeugt, dass ein Katalysator wie platinführende Kohlenstoffe
einer Lösung hinzugefügt wird, die ein Ionenaustauschharz
einschließlich Fluor oder dergleichen 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 sind 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 V1 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 V2 der
Elektrolytmembran 1 und eine axiale Endfläche
Z2 der äußeren Katalysatorlage 2b' zueinander
ausgerichtet. Die axialen Endflächen X1, V1, 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, das 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, 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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Obgleich
die Erfindung unter Bezugnahme auf deren bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung
nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen und Konstruktionen
beschränkt. Die Erfindung soll ganz im Gegenteil verschiedene
Modifizierungen und entsprechenden 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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Zusammenfassung
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Eine
rohrförmige Brennstoffzelle (10) beinhaltet einen
inneren Stromkollektor (5), eine Membranelektrodenanordnung
(6a) und Abdichtungsbereiche (7a1, 7a2),
die jeweils an den axialen Endbereichen der Membranelektrodenanordnung
angeordnet sind. Die Membranelektrodenanordnung beinhaltet eine
innere Katalysatorlage (2a), die auf dem inneren Stromkollektor
angeordnet ist, eine Elektrolytmembran (1), die auf der
inneren Katalysatorlage angeordnet ist, und eine äußeren
Katalysatorlage (2b), die auf der Elektrolytmembran angeordnet
ist. Die axiale Länge der äußeren Katalysatorlage
ist kürzer als die axialen Längen der Elektrolytmembran
und der äußeren Katalysatorlage. Die axiale Endfläche
der äußeren Katalysatorlage und die axiale Endfläche
der inneren Katalysatorlage sind auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Abdichtungsbereichs an einer jeweiligen Seite der rohrförmigen
Brennstoffzelle positioniert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-505417 [0003, 0004]