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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Isolierabschnitt und einem Zellenstapel, in dem eine Vielzahl von Zellen gestapelt ist.
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Technischer Hintergrund
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Bisher weist jede Einheitszelle einer üblichen Brennstoffzelle eine Struktur auf, bei der auf beiden Seiten einer (im Folgenden einfach als „MEA“ bezeichneten) Membran/Elektroden-Anordnung mit einer Elektrolytmembran, einer Anodenelektrode, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, und einer Kathodenelektrode, die auf deren anderer Oberfläche angeordnet ist, Separatoren vorgesehen sind. Darüber hinaus ist in der Brennstoffzelle eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt, um einen Zellenstapel zu erhalten, und an beiden Enden des Zellenstapels, in der Zellstapelrichtung gesehen, sind Stromsammlerplatten (Anschlussplatten), Isolatoren, Druckplatten, Endplatten und dergleichen angeordnet.
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Tatsache ist, dass in einer solchen Brennstoffzelle die Temperatur der Einheitszellen, die an den Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind (im Folgenden als „Endzellen“ bezeichnet), niedriger ist als die der anderen Einheitszellen des Zellenstapels. Der Grund dafür ist, dass Endzellen durch die Wärmeabgabe von den Anschlussplatten, den Isolatoren, den Druckplatten, den Endplatten und dergleichen beeinflusst werden, und dass die Temperatur eines Kühlmittels einer End-Kühlmittelleitung sinkt. Genauer ist bekannt, dass in der Endzelle, die am Ende des Zellenstapels auf der insgesamt negativen Seite angeordnet ist, die Temperatur auf einer Anodenseite niedriger wird als auf einer Kathodenseite. Dieser Temperaturabfall könnte eine Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung bewirken.
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Vor einigen Jahren wurde eine weitere Brennstoffzelle eingeführt, bei der eine Isolierschicht (eine Dummy- bzw. Leerzelle) auf der, in der Zellstapelrichtung eines Zellenstapels gesehen, äußeren Seite einer Anschlussplatte angeordnet ist, um eine Wärmeabgabe von einer Endzelle zu unterdrücken und um eine Stromsammeleffizienz zu erhöhen (siehe z.B.
JP 2006-332 006 A ).
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Darüber hinaus wurde noch eine weitere Brennstoffzelle eingeführt, die eine Dummy-Zelle aufweist, die, in einer Zellstapelrichtung eines Zellenstapels gesehen, an mindestens einem von dessen Enden entsprechend einer Leistungserzeugerzelle angeordnet ist, und in mindestens der Dummy-Zelle oder zwischen den Dummy-Zellen ist ein Isolierraumabschnitt ausgebildet, wodurch die Dummy-Zelle selbst als Isolierschicht wirkt (siehe z.B. die
JP 2006-147 502 A oder die
JP 2007-250 338 A ).
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Offenbarung der Erfindung
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Probleme, die der Erfindung zugrunde liegen
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Jedoch wurden in der Brennstoffzelle, die den Brennstoffzellenstapel aufweist, der mit der Isolierschicht (der isolierenden Dummy-Zelle) ausgestattet ist, wie in der
JP 2006-332 006 A beschrieben, die physikalischen Eigenschaften (z.B. eine Wärmeleitfähigkeit usw.) eines Isoliermaterials, aus dem die Isolierschicht besteht, nicht untersucht. Darüber hinaus besteht in dem in der
JP 2006-147 502 A beschriebenen Brennstoffzellenstapel das Ende des Brennstoffzellenstapels aus der Dummy-Zelle, die den Isolierraumabschnitt (eine Luftkammer) aufweist, aber außer Luft wird kein anderes Isoliermaterial beschrieben, und auch in dieser herkömmlichen Technik wurden die physikalischen Eigenschaften (z.B. die Wärmeleitfähigkeit usw.) des Isoliermaterials nicht untersucht. Daher ist es schwierig, das Isoliermaterial auszuwählen, das optimale physikalische Eigenschaften aufweist, um Isoliereigenschaften zu ergeben, die in der Brennstoffzelle benötigt werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde vor diesem Hintergrund entwickelt, und ihr Ziel ist die Schaffung einer Brennstoffzelle, in der ein Isolierabschnitt angeordnet ist, der mit einem Isoliermaterial versehen ist, mit dem die Wärmediffusion der Innen- und der Außenseite der Brennstoffzelle unterdrückt werden kann, um die Ungleichmäßigkeit einer Temperaturverteilung in einer Zellenebene zu korrigieren und um die auf einen Temperaturabfall zurückgehende Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung zu unterdrücken. Darüber hinaus werden die physikalischen Eigenschaften des Isoliermaterials spezifiziert, mit denen geeignete Isoliereigenschaften, die in der Brennstoffzelle benötigt werden, erhalten werden können, und das Verhalten bei der Inbetriebnahme bzw. das Startverhalten wird verbessert.
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Mittel zur Lösung des Problems
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Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen, die einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Vielzahl von Leistungserzeugerzellen gestapelt sind, und Anschlussplatten aufweist, die, in der Zellstapelrichtung des Zellenstapels gesehen, an dessen beiden Seiten angeordnet sind, wobei Isolatoren in Zellstapelrichtung an äußeren Seiten der Anschlussplatten angeordnet sind und Endplatten in Zellstapelrichtung betrachtet an äußeren Seiten der Isolatoren angeordnet sind. Die Leistungserzeugerzellen tragen zur Leistungserzeugung bei, und die Brennstoffzelle hat ferner Endzellen, die nicht zur Leistungserzeugung beitragen und auf beiden Seiten des Zellenstapels angrenzend an die Anschlussplatten angeordnet sind. Die Leistungserzeugerzellen sind zwischen den auf beiden Seiten des Zellenstapels angeordneten Endzellen angeordnet, und Isolierabschnitte, die jeweils ein Isoliermaterial und Halteplatten aufweisen, sind in den Endzellen ausgebildet. Jede der Halteplatten weist einen konkaven Vertiefungsabschnitt auf, in dem das Isoliermaterial aufgenommen ist, so dass das Isoliermaterial, in der Zellstapelrichtung gesehen, von beiden Seiten des Isoliermaterials zwischen den Halteplatten gehalten ist, wobei das Isoliermaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/mK oder weniger und eine Porosität von 70 % oder mehr aufweist.
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Die solchermaßen aufgebaute Brennstoffzelle weist den Isolierabschnitt auf, in dem, in der Zellstapelrichtung gesehen, beide Seiten des Isoliermaterials von den Halteplatten gehalten werden, wodurch die Wärmediffusion der Innen- und der Außenseite der Brennstoffzelle unterdrückt werden kann, um die Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in der Zellenebene zu korrigieren und um die auf einen Temperaturabfall zurückgehende Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung zu unterdrücken. Da das Isoliermaterial physikalische Eigenschaften aufweist wie die Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/mK oder weniger und die Porosität von 70 % oder mehr, können die geeigneten Isoliereigenschaften, die in der Brennstoffzelle benötigt werden, erhalten werden, und das Startverhalten der Brennstoffzelle kann verbessert werden.
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Falls die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials 0,1 W/mK überschreitet, ist es schwierig, die geeigneten Isoliereigenschaften zu erhalten, die in der Brennstoffzelle benötigt werden. Falls die Porosität des Isoliermaterials unter 70 % liegt, kommt es darüber hinaus leicht zu Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit.
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Als eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung können die Endzellen auf den in Zellenstapelrichtung gesehen an inneren Seiten der Anschlussplatten angeordnet sein.
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Hierbei kommt es in der Brennstoffzelle, was die Leistungserzeugerzellen betrifft, die, in der Zellstapelrichtung gesehen, in der Nähe der Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, leicht zu einem Temperaturabfall aufgrund einer Wärmeabgabe von Anschlusselektroden (den Anschlussplatten), die eine Leistung abnehmen, von Endplatten, die vorgesehen sind, um die gestapelten Leistungserzeugerzellen zu halten, und dergleichen. Darüber hinaus kommt es in den Leistungserzeugerzellen, in denen es zu einem Temperaturabfall gekommen ist, leicht zu einer Kondenswasserbildung aus Dampf, wodurch eine Verschlechterung eines Leistungserzeugungsverhaltens bewirkt werden kann. In der vorliegenden Erfindung werden die Endzellen als die Nicht-Leistungserzeugerzellen verwendet und sind daher mit den Isolierabschnitten versehen, wodurch zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen die Wärmediffusion wirksam verringert werden kann, um den Temperaturabfall noch weiter zu unterdrücken.
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Darüber hinaus kann als eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden ferner eine Isolierzelle vorgesehen sein, die zwischen den Leistungserzeugerzellen gehalten wird und einen Isolierabschnitt mit einem Isoliermaterial und Halteplatten aufweist. Bei diesem Aufbau können von den Zellen, aus denen der Zellenstapel besteht, jeweils die Endzellen, die in der Zellstapelrichtung gesehen an beiden Enden des Zellenstapels angeordnet sind, aus den Nicht-Leistungserzeugerzellen bestehen.
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Ferner kann eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung darin bestehen, dass der Zellenstapel derart aufgebaut ist, dass zwischen den Endzellen, die in der Zellstapelrichtung gesehen an beiden Enden des Zellenstapels angeordnet sind, ein Leistungserzeugerzellen-Stapel, in dem die Vielzahl von Leistungserzeugerzellen gestapelt ist, die Isolierzelle, die an dem Ende der Leistungserzeugerzelle auf der insgesamt negativen Seite angeordnet ist, und eine Leistungserzeugerzelle, die auf der dem Leistungserzeugerzellen-Stapel entgegengesetzten Seite der Isolierzelle angeordnet ist, angeordnet sind. Bei einem solchen Aufbau kann zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen die Wärmediffusion vom Ende der Brennstoffzelle auf der insgesamt negativen Seite, wo es leicht passieren kann, dass die Anodenseitentemperatur niedriger wird als die Kathodenseitentemperatur, wirksam unterdrückt werden, wodurch die Verschlechterung des Leistungserzeugungsverhaltens unterdrückt werden kann.
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Als eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Brennstoffzelle außerdem so aufgebaut sein, dass die Nicht-Leistungserzeugerzellen auf den, in der Zellstapelrichtung gesehen, äußeren Seiten der Anschlussplatten angeordnet sind. Darüber hinaus können bei diesem Aufbau die Nicht-Leistungserzeugerzellen fern auf den, in der Zellstapelrichtung gesehen, inneren Seiten der Anschlussplatten angeordnet sein.
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Das Isoliermaterial weist vorzugsweise einen elektrischen Widerstand auf. Dieser elektrische Widerstand ist vorzugsweise 400 mΩ oder weniger, falls eine Last 0,2 MPa ist.
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Wirkung der Erfindung
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Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Isolierabschnitt auf, in dem das Isoliermaterial, das physikalische Eigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/mK oder weniger und die Porosität von 70 % oder mehr aufweist, zwischen den Halteplatten gehalten wird, wodurch die geeigneten Isoliereigenschaften, die in der Brennstoffzelle benötigt werden, erhalten werden können. Daher kann die Wärmediffusion der Innen- und der Außenseite der Brennstoffzelle unterdrückt werden, die Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in der Zellenebene kann korrigiert werden, und das Startverhalten kann verbessert werden. Infolgedessen kann die Brennstoffzelle geschaffen werden, die eine hohe Zuverlässigkeit und eine gute Leistung aufweist.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ist eine Schnittdarstellung, die einen vergrößerten Teil einer Endzelle zeigt, die in der in 1 dargestellten Brennstoffzelle angeordnet ist;
- 3 ist eine Draufsicht auf einen Isolierabschnitt, bei dem es sich um einen Bestandteil der Endzelle handelt, die in der in 1 dargestellten Brennstoffzelle angeordnet ist;
- 4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Wärmeleitfähigkeit (W/mK) und einer Porosität (%) eines Isoliermaterials zeigt;
- 5 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 6 ist eine Schnittdarstellung, die einen vergrößerten Teil einer Isolierzelle zeigt, die in der in 5 dargestellten Brennstoffzelle angeordnet ist; und
- 7 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Bezugszeichenliste
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1 ... Brennstoffzelle, 10 ... Zellenstapel, 11 ... Leistungserzeugerzellen-Stapel, 12 ... Leistungserzeugerzelle, 13A, 13B ... Endzelle (Nicht-Leistungserzeugerzelle), 21 ... Isoliermaterial, 22, 23 ... Halteplatte und 24, 27 ... Isolierabschnitt.
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Beste Weise für die Ausführung der Erfindung
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Nun werden Brennstoffzellen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen Erläuterungen sind, welche die vorliegende Erfindung erklären, und dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Daher kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Gestaltungen ausgeführt werden, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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1 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist eine Schnittdarstellung, die einen vergrößerten Teil einer Endzelle zeigt, die in der in 1 dargestellten Brennstoffzelle angeordnet ist, und 3 ist eine Draufsicht auf einen Isolierabschnitt, bei dem es sich um einen Bestandteil der Endzelle handelt, die in der in 1 dargestellten Brennstoffzelle angeordnet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass in den Skizzen um der leichteren Verständlichkeit willen die Dicke, die Größe, das Vergrößerungs-/Verkleinerungsverhältnis und dergleichen jedes Elements nicht den tatsächlichen Werten entsprechen.
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Wie in 1 bis 3 dargestellt, weist eine Brennstoffzelle 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf: einen Zellenstapel 10 mit einem Leistungserzeugerzellen-Stapel 11, in dem eine Vielzahl von Leistungserzeugerzellen 12, welche zur Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 1 beitragen, gestapelt sind, und mit Endzellen 13A und 13B, die, in der Zellstapelrichtung des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 gesehen, auf dessen beiden Seiten angeordnet sind; Anschlussplatten 14A und 14B, die, in der Zellstapelrichtung des Zellenstapels 10 gesehen, jeweils auf dessen äußeren Seiten angeordnet sind; Isolatoren 15A und 15B, die, in der Zellstapelrichtung gesehen, jeweils auf den äußeren Seiten der Anschlussplatten 14A und 14B angeordnet sind; und Endplatten 16A und 16B, die, in der Zellstapelrichtung gesehen, jeweils auf den äußeren Seite der Isolatoren 15A und 15B angeordnet sind.
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Jede der Leistungserzeugerzellen 12 besteht aus einer Membran/ElektrodenAnordnung, die eine Elektrolytmembran aus einer Ionentauschermembran und ein Paar Elektroden, die beide Oberflächen dieser Membran halten, aufweist, und aus einem Paar Separatoren, die diese Membran/Elektroden-Anordnung von deren Außenseiten halten. Die Separatoren sind Leiter, die beispielsweise aus einem Metall als einem Basismaterial bestehen, und die Gasleitungen zum Liefern eines Kathodengases, wie Luft, und eines Anodengases, wie Wasserstoffgas, zu Elektroden aufweisen, und die dazu dienen, die Mischung verschiedener Arten von Fluiden, die zu den aneinander angrenzend angeordneten Leistungserzeugerzellen 12 geliefert werden sollen, zu blockieren. Dieser Aufbau kann eine elektrochemische Reaktion in der Membran/Elektroden-Anordnung der Leistungserzeugerzelle 12 bewirken, um eine elektromotorische Kraft zu erhalten. Darüber hinaus ist diese elektrochemische Reaktion eine Wärme erzeugende Reaktion, und daher ist der Separator mit einer Kühlmittelleitung ausgestattett, durch die ein Kühlmittel (Kühlwasser oder dergleichen) zum Abkühlen der Brennstoffzelle strömt. Darüber hinaus ist die Leistungserzeugerzelle 12 mit einem (nicht dargestellten) Durchgangsloch versehen, um eine Mehrfachleitung (bzw. einen Verteiler) zu bilden. Wenn die vielen Leistungserzeugerzellen 12 übereinander gelegt werden, um den Leistungserzeugerzellen-Stapel 11 zu bilden, werden diese Löcher übereinander angeordnet, wodurch (nicht dargestellte) Mehrfachleitungen für die Zirkulation des Anodengases, die Zirkulation des Kathodengases und die Zirkulation des Kühlmittels in der Zellstapelrichtung durch den Stapel hindurch ausgebildet werden.
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Die Endzellen 13A und 13B sind Nicht-Leistungserzeugerzellen, die nicht zur Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 1 beitragen. Genauer weist jede Endzelle, wie in 2 dargestellt, einen Isolierabschnitt 24 auf mit einem flächengebildeartigen Isoliermaterial 21, einer Halteplatte 22, die, in der Zellstapelrichtung gesehen, an einer Oberfläche des Isoliermaterials 21 angeordnet ist, und einer Halteplatte 23, die, in der Zellstapelrichtung gesehen, an der anderen Oberfläche des Isoliermaterials angeordnet ist, der so aufgebaut ist, dass das Isoliermaterial 21, in der Zellstapelrichtung gesehen, von beiden Seiten des Materials von den Halteplatten 22 und 23 gehalten wird, und dass ein Harzmaterial 32 zwischen den Enden der Halteplatten 22 und 23 angeordnet ist. Die Endzelle ist so aufgebaut, dass ein Separator 35, der mit einer Kathodengasleitung 37 versehen ist, auf einer Seite, auf der sich eine Halteplatte 22 befindet, mit einem dazwischen angeordneten Separator 36 an der Oberfläche des Isolierabschnitts 24, angeordnet ist.
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Das Isoliermaterial 21 weist physikalische Eigenschaften auf wie eine Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/mK oder weniger, eine Porosität von 70 % oder mehr und einen elektrischen Widerstand von etwa 250 mΩ unter einer Last von 0,2 MPa. In der vorliegenden Ausführungsform werden als Materialien, aus denen das Isoliermaterial 21 besteht, beispielsweise ein leitfähiges Material aus Kohlenstoff oder dergleichen und ein thermoplastisches Harz als ein Bindemittel dafür verwendet. Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform die Dicke des Isoliermaterials 21 (die Dicke in der Zellstapelrichtung) auf etwa 2 mm eingestellt.
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Die Halteplatte 22 besteht aus einem leitfähigen Material (Edelstahl in der vorliegenden Ausführungsform), und ihre Mitte ist mit einem konkaven Vertiefungsabschnitt 26 (siehe 3) versehen, in dem das Isoliermaterial 21 befestigt ist. Darüber hinaus ist, wie in 3 dargestellt, die Halteplatte 22 mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 27A bis 27F versehen, um Mehrfachleitungen zu bilden. Die Durchgangslöcher 27A, 27B und 27C werden verwendet, um die jeweiligen Mehrfachleitungen für die Zufuhr des Kathodengases, die Zufuhr des Kühlmittels und die Zufuhr des Anodengases zu bilden, und die Durchgangslöcher 27D, 27E und 27F werden verwendet, um die jeweiligen Mehrfachleitungen für die Abfuhr des Kathodengases, die Abfuhr des Kühlmittels und die Abfuhr des Anodengases zu bilden. In der Oberfläche der Halteplatte 22, die der mit dem Vertiefungsabschnitt 26 versehenen Oberfläche entgegengesetzt ist, ist eine Anodengasleitung 28 ausgebildet.
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Die Halteplatte 23 besteht aus einem leitfähigen Material (Edelstahl in der vorliegenden Ausführungsform), und ihre Mitte ist mit einem konkaven Vertiefungsabschnitt 29 versehen (siehe 2), in dem das Isoliermaterial 21 befestigt ist. Darüber hinaus ist, auf die gleiche Weise wie bei der Halteplatte 22, die Halteplatte 23 mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (nicht dargestellt) versehen, um Mehrfachleitungen zu bilden. In der Oberfläche der Halteplatte 23, die der mit dem Vertiefungsabschnitt 29 versehenen Oberfläche entgegengesetzt ist, ist eine Kühlwasserleitung 31 ausgebildet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass auch die Separatoren 35 und 36, auf die gleiche Weise wie in den Halteplatten 22 und 23, mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (nicht dargestellt) versehen sind, um Mehrfachleitungen zu bilden.
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Die Anschlussplatten 14A und 14B sind Anschlusselektroden zum Abnehmen einer Leistung, und sie sind unter Verwendung eines Metalls, wie Eisen, Edelstahl, Kupfer oder Aluminium, in Plattenform ausgebildet. Die Anschlussplatten 14A und 14B der vorliegenden Ausführungsform sind so angeordnet, dass sie in direkten Kontakt mit den Endzellen 13A und 13B kommen. Die Oberflächen der Anschlussplatten 14A und 14B, die mit den Endzellen 13A und 13B in Kontakt kommen, werden einer Oberflächenbehandlung, wie einer Galvanisierungs- bzw. Plattierungsbehandlung unter Verwendung von Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Zink oder Zinn, unterzogen, und diese Oberflächenbehandlung ermöglicht einen Kontaktwiderstand zwischen der Anschlussplatte 14A und der Endzelle 13A und einen Kontaktwiderstand zwischen der Anschlussplatte 14B und der Endzelle 13B. Darüber hinaus sind beide oder ist eine der Anschlussplatten 14A und 14B mit Löchern versehen, um, auf die gleiche Weise wie in den Leistungserzeugerzellen 12, den Halteplatten 22 und 23 und dergleichen, Mehrfachleitungen auszubilden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass eine Spannplatte (nicht dargestellt) über den Endplatten 16A und 16B gespannt ist, und dass die Spannplatte an den Endplatten 16A und 16B angeschraubt ist, wodurch an die Brennstoffzelle 1 eine vorgegebene Kompressionskraft (eine Befestigungslast) in ihrer Zellstapelrichtung angelegt wird.
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In der Brennstoffzelle 1, die solchermaßen aufgebaut ist, sind, in der Zellstapelrichtung gesehen, beide Enden des Zellenstapels 10 mit den Endzellen 13A und 13B versehen, und die Endzellen 13A und 13B sind mit den Isolierabschnitten 24 versehen, wodurch ein Temperaturabfall, der auf eine Wärmeabgabe von den Anschlussplatten 14A und 14B, den Endplatten 16A und 16B oder dergleichen zurückgeht, unterdrückt werden kann, und die Wärmediffusion zwischen der Innen- und der Außenseite der Brennstoffzelle 1 wirksam unterdrückt werden kann. Daher kann das Startverhalten der Brennstoffzelle 1 nicht nur in einer Umgebung mit normalen Temperaturen, sondern auch in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen verbessert werden.
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Dann wurde eine Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit (W/mK) und der Porosität (%) des Isoliermaterials 21 überprüft, und dieses Ergebnis wurde mit x in einen Graphen eingetragen, der in 4 dargestellt ist. Aus 4 ist ersichtlich, dass, wenn die Porosität (%) des Isoliermaterials 21 niedrig ist, eine Schwankung der Wärmeleitfähigkeit (W/mK) auftritt. Genauer ist zu sehen, dass es, wenn die Porosität (%) des Isoliermaterials 21 unter 70 % liegt, leicht zu einer Schwankung der Wärmeleitfähigkeit (W/mK) kommt, und dass, wenn die Porosität (%) des Isoliermaterials 21 bei 70 % oder darüber liegt, die Schwankung der Wärmeleitfähigkeit (W/mK) abnimmt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wurde, dass die Endzellen 13A und 13B, bei denen es sich um Nicht-Leistungserzeugerzellen handelt, in der Zellstapelrichtung gesehen, auf beiden Seiten des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet sind, und dass die Anschlussplatten 14A und 14B jeweils auf den, in der Zellstapelrichtung gesehen, äußeren Seiten der Endzellen 13A und 13B angeordnet sind, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Wie beispielsweise in 5 dargestellt ist, kann eine Isolierzelle 20, bei der es sich um eine Nicht-Leistungserzeugerzelle handelt, auf der insgesamt negativen Seite eines Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet sein, eine Leistungserzeugerzelle 12 kann auf der dem Leistungserzeugerzellen-Stapel 11 entgegengesetzten Seite der Isolierzelle 20 angeordnet sein, eine Endzelle 13B kann auf der insgesamt negativen Seite des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet sein, und eine Endzelle 13A kann auf der insgesamt positiven Seite des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet sein. Wie in 6 dargestellt, weist die Isolierzelle 20 einen Isolierabschnitt 27 mit einem Isoliermaterial 21 und mit Halteplatten 23 auf, die, in der Zellstapelrichtung gesehen, auf beiden Oberflächen des Isoliermaterials 21 angeordnet sind, der so aufgebaut ist, dass das Isoliermaterial 21, in der Zellstapelrichtung gesehen, von beiden Seiten des Materials von den Halteplatten 23 gehalten wird, und dass ein Harzmaterial 32 zwischen den Enden der Halteplatten 23 angeordnet ist. Bei diesem Aufbau sind die Isolierzelle 20 und die Endzelle 13B auf der insgesamt negativen Seite des Zellenstapels 10 angeordnet, und daher kann die Wärmediffusion zwischen der Innen- und der Außenseite der Brennstoffzelle 1 noch wirksamer unterdrückt werden.
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Darüber hinaus können in der Brennstoffzelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 7 dargestellt, Endzellen 13A und 13B an den, in der Zellstapelrichtung gesehen, äußeren Seiten von Anschlussplatten 14A und 14B angeordnet sein. Auch in diesem Fall kann ein Temperaturabfall, der auf eine Wärmeabgabe von den Anschlussplatten 14A und 14B, den Endplatten 16A und 16B oder dergleichen zurückgeht, unterdrückt werden, und die Wärmediffusion zwischen der Innen- und der Außenseite der Brennstoffzelle 1 kann auf die gleiche Weise wie in der obigen Ausführungsform wirksam unterdrückt werden. Daher kann das Startverhalten der Brennstoffzelle 1 nicht nur in einer Umgebung mit normalen Temperaturen verbessert werden, sondern auch in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen. Es sei darauf hingewiesen, dass bei diesem Aufbau Isolierzellen 20 auf den, in der Zellstapelrichtung gesehen, inneren Seiten der Anschlussplatten 14A und 14B angeordnet sein können.
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Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch auf die Brennstoffzelle 1 angewendet werden, die so aufgebaut ist, dass viele Zellenstapel über eine Verbindungsplatte elektrisch miteinander verbunden sind.
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Ferner wurde in der vorliegenden Erfindung beschrieben, dass die Halteplatten 22 und 23 aus Edelstahl bestehen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und die Halteplatten 22 und 23 können aus einem anderen Material, wie einem Harz, bestehen, solange das Material leitfähig ist und die Funktion der Brennstoffzelle 1 nicht beeinträchtigt. Genauer können die Halteplatten 22 und 23, wenn ein leitfähiges Harz als das Material der Halteplatten 22 und 23 verwendet wird, auf einfache Weise beispielsweise anhand von Spritzgießen oder dergleichen gebildet werden, und somit kann die Verarbeitbarkeit verbessert werden.
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Darüber hinaus hat das leitfähige Harz im Vergleich zu Edelstahl ausgezeichnete Isoliereigenschaften und kann somit die Isoliereigenschaften im Vergleich zu den aus Edelstahl bestehenden Halteplatten 22 und 23 verbessern. Wenn die aus Edelstahl bestehenden Halteplatten 22 und 23 verwendet werden, ist somit das Harzmaterial 32, das zwischen den Halteplatten 22 und 23 angeordnet wird, um in einer Richtung, die im Wesentlichen vertikal ist zur Zellstapelrichtung, Isoliereigenschaften bereitzustellen, nicht erforderlich, und die Zahl der Komponenten kann verringert werden. Da die Halteplatten 22 und 23 aus dem leitfähigen Harz bestehen, kann ferner die Zunahme der Wärmekapazität der Halteplatten 22 und 23 unterdrückt werden, und die Leistungserzeugungseffizienz während einer Inbetriebnahme bei hohen Temperaturen kann verbessert werden. Außerdem können die Eigengewichte der Halteplatten 22 und 23 gesenkt werden.
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Ferner wurde in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, dass als die Materialien, aus denen das Isoliermaterial 21 besteht, beispielsweise das leitfähige Material aus Kohlenstoff oder dergleichen und das thermoplastische Harz als dessen Bindemittel verwendet werden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Solange das Isoliermaterial 21 die Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/mK oder weniger und die Porosität von 70 % oder mehr aufweist und nicht die Leistung der Brennstoffzelle 1 beeinträchtigt, kann ein anderes Material verwendet werden, beispielsweise ein Nickelschaummaterial, ein poröses Material, das einer Oberflächenbehandlung unterzogen wird, um einen elektrischen Widerstand zu erhalten, ein Flächengebilde, das durch Mischen eines leitfähigen Materials wie Kohlenstoff (leitfähigem Ruß) und Fluorkohlenstoffharz erhalten wird, Graphit, eine Kohlenstoff-Nanoröhre, chemisch modifizierter Ruß, ein Flächengebilde, das durch Mischen von Metallpulver (z.B. Gold, Silber, Platin oder dergleichen) mit einem einzigen Material aus PTFE, ETFE, PVdF, PFA oder dergleichen erhalten wird, oder einer Vielzahl von Fluorkohlenstoffharz-Typen oder dergleichen.
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Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform das Isoliermaterial 21, das physikalische Eigenschaften wie einen elektrischen Widerstand von etwa 250 mΩ unter einer Last von 0,2 MPa aufweist, verwendet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und der elektrische Widerstand des Isoliermaterials 21 kann nach Wunsch ausgewählt werden, ist aber vorzugsweise beispielsweise etwa 400 mΩ oder weniger unter einer Last von 0,2 MPa. Ferner wurde in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, dass die Dicke des Isoliermaterials 21 auf etwa 2 mm eingestellt wird, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und die Dicke des Isoliermaterials 21 kann beliebig, auf eine solche Dicke eingestellt werden, dass gewünschte Isoliereigenschaften gemäß der Wärmeleitfähigkeit und Porosität des Isoliermaterials 21, dem Aufbau des Brennstoffzellenstapels, den anderen Einsatzbedingungen und dergleichen erhalten werden.
