DE69633571T2

DE69633571T2 - Brennstoffzelle und verfahren zu deren befestigung

Info

Publication number: DE69633571T2
Application number: DE69633571T
Authority: DE
Inventors: Takafumi Wako-shi OKAMOTO
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2016-07-05
Also published as: EP0851519A1; JP3505010B2; EP0851519B1; EP0851519A4; JPH0922720A; WO1997003477A1; US6696185B1; DE69633571D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Befestigungsverfahren dafür. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle, in der ein Befestigungsdruckerzeugungsmittel in einer Befestigungsdruckerzeugungsplatte oder einem Separator vorgesehen ist, um Brennstoffzelleneinheiten jeweils voneinander getrennt anzuordnen, sodass die Befestigungskraft auf die Brennstoffzelleneinheiten unter der Wirkung des Befestigungsdruckerzeugungsmittels erhöht oder verringert wird, hervorgerufen durch eine Änderung der Außenumgebung, eine thermische Änderung oder chemische Reaktion, sowie ein Befestigungsverfahren dafür.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Z.B. enthält die Brennstoffzelle vom Festpolymeroxidtyp eine Mehrzahl von Brennstoftzelleneinheiten, die jeweils eine aus Polymeroxid aufgebaute Elektrolytmembrane, eine Anodenelektrodenplatte sowie eine Kathodenelektrodenplatte, die auf beiden Seiten des Oxids angeordnet sind, aufweist, wobei die Mehrzahl von wie oben aufgebauten Brennstoffzelleneinheiten aufeinandergestapelt sind. In einer solchen Anordnung können Separatoren zwischen die wie oben beschrieben gestapelten Brennstoftzelleneinheiten eingreifen, und Wasser wird den Separatoren zugeführt, damit das Oxid, die Anodenelektrodenplatte und die Kathodenelektrodenplatte geeignet befeuchtet werden. Wenn daher das Wasser von dem Separator zugeführt wird, wird das der Anodenseite zugeführte Brenngas, wie etwa Wasserstoffgas, in Wasserstoffionen an der Anodenelektrodenplatte ionisiert. Die Wasserstoffionen werden über das geeignet befeuchtete Oxid zu der Kathodenelektrodenplatte bewegt, die aus porösem Kohlenstoff aufgebaut ist. Sauerstoffhaltiges Gas oder Oxidationsgas, wie etwa Sauerstoffgas, wird der Kathodenelektrodenplatte zugeführt. Dementsprechend reagiert das Wasesrstoffion mit dem Sauerstoff an der Kathodenelektrodenplatte unter Erzeugung von Wasser. Andererseits werden während dieses Prozesses Elektronen erzeugt, und sie werden durch eine externe Schaltung zur Nutzung als elektrische Energie abgenommen. Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 6-20713 offenbart eine Brennstoffzelle dieses Typs.
In der wie oben beschrieben aufgebauten Brennstoffzelle wird die Mehrzahl der Brennstoffzelleneinheiten mittels Stehbolzen fest zusammengeklemmt, welche die jeweiligen Zelleneinheiten durchsetzen. Eine solche Struktur wird angewendet, um zu verhindern, dass die Brennstoffzellenbetriebsgase einschließlich des Brenngases, wie etwa Wasserstoffgas, und des Sauerstoffhaltigen Gases, wie etwa Sauerstoffgas, zur Außenseite hin lecken und daher eine gewünschte Spannung von den Brennstoffzelleneinheiten in stabiler Weise zu erhalten, ohne eine etwaige Änderung in der Ausgangsleistung hervorzurufen, die von jeder der Brennstoffzelleneinheiten abgenommen wird, welche anderenfalls durch eine Verteilung im Kontaktwiderstand im Hinblick auf die Ionenleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit hervorgerufen würde, die zwischen der Elektrodenplatte und dem Festpolymeroxid sowie zwischen der Elektrodenplatte und dem Separator erzeugt wird.
Wenn jedoch die Brennstoffzelle mittels der Stehbolzen sicher eingeklemmt ist, wie oben beschrieben, besteht die Gefahr, dass sich der dichte Klemmzustand für die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten z.B. aufgrund einer sekulären und von Vibrationen lösen könnte, die erhalten werden, wenn eine solche Brennstoffzelle z.B. als Antriebsstromquelle für Elektrofahrzeuge verwendet wird. Wenn sich der Klemmzustand löst, wie oben beschrieben, tritt z.B. eine Verteilung in dem gegenseitigen Kontaktwiderstand und dem Ionenleitwiderstand zwischen der Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten auf. Im Ergebnis ist es schwierig, eine gleichförmige Ausgangsleistung von den einzelnen Brennstoffzellen zu erhalten. Demzufolge ist es unmöglich, die stabile Ausgangsleistung für eine solche Brennstoffzelle sicherzustellen. Die EP-A-O 329 161 beschreibt eine Anordnung zum Festziehen eines Stapels von Brennstoffzellenelementen, die Druckeinstellelemente aufweisen. Die DE-A-2643946 beschreibt eine biologische Zelle, die in der Mitte ein hydraulisches Gel aufweist. Die DE-A-4336850 beschreibt eine Brennstoffzelle, die Balgen aufweist, die mit einem temperaturempfindlichen Füllmittel gefüllt sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist durchgeführt worden, um die oben stehenden Nachteile zu überwinden, und eine Aufgabe davon ist es, eine Brennstoffzelle anzugeben, in der der Unterschied der Ausgangsleistung zwischen einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten sehr gering ist und deren Ausgangsleistung selbst extrem stabilisiert ist, sowie ein Befestigungsverfahren dafür.
Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle angegeben, umfassend: eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte und eine Kathodenelektrodenplatte, einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte, der bzw. die an einer vorbestimmten Position eingesetzt ist, enthalten, eine Kammer, die an der Innenseite des Separators öder der Befestigungsdruckaufnahmeplatte definiert ist, und ein in der Kammer vorgesehenes Füllmittel, wobei das Füllmittel entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme expandierbar oder kontrahierbar ist, worin der Separator oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte und der Kathodenelektrodenplatte als Folge der durch das Füllmittel bewirkten Absorption oder Freigabe von Wärme verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle angegeben, umfassend eine Mehrzahl gestapelter Brennstoff zelleneinheiten, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte und eine Kathodenelektrodenplatte, einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte, der bzw. die an einer vorbestimmten Position eingesetzt ist, enthalten, eine Kammer, die an der Innenseite des Separators oder der Befestigungsdruckaufnahmeplatte definiert ist, und ein in der Kammer vorgesehenes zweites Füllmittel, wobei das zweite Füllmittel entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme verformbar ist, worin der Separator oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte und der Kathodenelektrodenplatte hin als Folge der Verformung des zweiten Füllmittels verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Gemäß einer bevorzugten Aufsührung der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle angegeben, umfassend eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte und eine Kathodenelektrodenplatte, einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte, der bzw. die an einer vorbestimmten Position eingesetzt ist, enthalten, eine Kammer, die an der Innenseite des Separators oder der Befestigungsdruckaufnahmeplatte definiert ist, und ein weiteres in der Kammer vorgesehenes Füllmittel, wobei das weitere Füllmittel entsprechend einer chemischen Reaktion expandierbar oder kontrahierbar ist, worin der Separator oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte und der Kathodenelektrodenplatte als Folge der Expansion oder Kontraktion des weiteren Füllmittels verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle angegeben, umfassend eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte und eine Kathoden elektrodenplatte, einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte, der bzw. die an einer vorbestimmten Position eingesetzt ist, enthalten, eine Kammer, die an der Innenseite des Separators oder der Befestigungsdruckaufnahmeplatte definiert ist, ein in der Kammer vorgesehenes erstes Füllmittel, wobei das erste Füllmittel entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme expandierbar oder kontrahierbar ist, sowie ein in der Kammer vorgesehenes zweites Füllmittel, wobei das zweite Füllmittel gemäß einer chemischen Reaktion expandierbar oder kontrahierbar ist, wobei der Separator oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte und der Kathodenelektrodenplatte hin verlagert wird, als Folge der durch das erste Füllmittel bewirkten Absorption oder Freigabe von Wärme und der durch das zweite Füllmittel bewirkten chemischen Reaktion, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle angegeben, umfassend: eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte und eine Kathodenelektrodenplatte, einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte, der bzw. die an einer vorbestimmten Position eingesetzt ist, enthalten, eine Kammer, die an der Innenseite des Separators oder der Befestigungsdruckaufnahmeplatte definiert ist, ein in der Kammer vorgesehenes erstes weiteres Füllmittel, wobei das erste weitere Füllmittel in der Lage ist, eine thermische Zersetzung gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme hervorzurufen, sowie ein in der Kammer vorgesehenes zweites weiteres Füllmittel, wobei das zweite weitere Füllmittel in der Lage ist, gemäß einer chemischen Reaktion Gas zu erzeugen, worin ein Volumen der Kammer durch die thermische Zersetzung oder Produktion von Gas erweitert wird, und somit der Separator oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrode und der Kathodenelektrodenplatte hin verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle angegeben, umfassend eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte und eine Kathodenelektrodenplatte enthalten, sowie einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte, der bzw. die an einer vorbestimmten Position eingesetzt ist, worin ein Teil des Separators oder der Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte und der Kathodenelektrodenplatte hin infolge der Wärme verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Befestigen einer Brennstoffzelle angegeben, die eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten aufweist, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte und eine Kathodenelektrodenplatte enthalten, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Zuführen eines Kühlmittels zu einem Füllmittel, das in einem an der Innenseite eines Separators oder einer Befestigungsdruckerzeugungsplatte definierten Kühlraum angeordnet ist, Aufquellen des Füllmittels mit dem Kühlmittel und gegenseitiges Befestigen der großen Anzahl gestapelter Brennstoftzelleneinheiten unter Verwendung der durch die Quellwirkung erzeugten Kraft.
Erfindungsgemäß wird z.B. das Füllmittel in der Kammer bei einer vorbestimmten Temperatur expandiert. Infolgedessen presst der Separator oder die Befestigungsdruckerzeugungsplatte die Anodenelektrodenplatte oder die Kathodenelektrodenplatte unter der Quellwirkung des Füllmittels zusammen. Demzufolge erlaubt die Presswirkung, dass die Elektrodenplatte den dichten Kontakt weiter sicherstellt, was zu einer Abnahme in dem Ionenleitwiderstand und im Kontaktwiderstand führt. Daher ist es möglich, von der Brennstoffzelle eine stabile Ausgangsleistung zu erhalten.
Wenn andererseits als das in der Kammer vorgesehene Füllmittel ein solches ausgewählt wird, das bei einer vorbestimmten Temperatur kontrahierbar ist, wird das Füllmittel durch Einbau in die Brennstoffzelleneinheiten in einem Kontraktionszustand bei der vorbestimmten Temperatur vorab expandiert, und dann wird die Temperatur der Brennstoffzelle auf deren Betriebstemperatur wieder hergestellt. Dementsprechend wird die Anodenelektrodenplatte oder die Kathodenelektrodenplatte in der gleichen Weise zusammengepresst, wie oben beschrieben.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist das Füllmittel ein Element, das gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme eine Deformation durchführt. Daher induziert die Deformation des Füllmittels bei einer vorbestimmten Temperatur die Verlagerungswirkung der Anodenelektrodenplatte oder der Kathodenelektrodenplatte, was zu einer Verbesserung des dichten Kontakts der Elektrodenplatte führt. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Befestigen einer Brennstoffzelle angegeben, die eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten umfasst, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte, eine Kathodenelektrodenplatte und einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte aufweist, der bzw. die an einer vorbestimmten Position in der Brennstoffzelle angeordnet ist, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:

Kühlen eines der Bauelemente der Brennstoffzelle, um eine Temperatur unterhalb eines Siedepunkts eines Füllmittels zu erreichen, das in dem Separator oder der Befestigungsdruckerzeugungsplatte vorgesehen ist;
Stapeln der Brennstoffzelleneinheiten, während die Bauelemente gekühlt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zusammenzusetzen;
Erhitzen der zusammengebauten Brennstoffzelle, um eine Temperatur nicht niedriger als der Siedepunkt des Füllmittels zu erreichen; und
Befestigen der Brennstoffzelleneinheit mithilfe thermischer Ausdehnung des Füllmittels.

In einer bevorzugten Ausführung wird als das Füllmittel ein Element ausgewählt, das entsprechend der chemischen Reaktion eine Expansion oder Kontraktion durchführt. Daher macht in dieser Ausführung das Füllmittel eine Expansion oder Kontraktion infolge der chemischen Reaktion, und daher wird die gleiche Wirkung erreicht, wie sie in den vorstehenden Ausführungen erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführung wird das Füllmittel, das die Expansion oder Freigabe von Wärme durchführt, zusammen mit einem weiteren Füllmittel verwendet, das eine Expansion oder Kontraktion gemäß der chemischen Reaktion durchführt. Daher wird die Anodenelektrodenplatte oder die Kathodenelektrodenplatte durch das erste Füllmittel oder das zweite Füllmittel in selektiver Weise oder durch sowohl die Anodenelektrodenplatte als auch die Kathodenelektrodenplatte in Kombination verlagert. Somit ist es möglich, den Befestigungsdruck einzustellen.
In einer bevorzugten Ausführung wird das erste Füllmittel, das die thermische Zersetzung gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme hervorruft, zusammen mit dem weiteren Füllmittel verwendet, das gemäß der chemischen Reaktion Gas erzeugt. Dementsprechend wird das Volumen der Kammer durch die thermische Zersetzung des ersten Füllmittels oder durch die Gaserzeugung von dem weiteren Füllmittel ausgedehnt, sodass die Anodenelektrodenplatte und/oder die Kathodenelektrodenplatte verlagert wird. Im Ergebnis wird der auf die Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungsdruck erhöht.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Kontaktdichtkraft auf die Anodenelektrodenplatte oder die Kathodenelektrodenplatte erhöht, indem das Kühlmittel dem Füllmittel zugeführt wird, das in der an der Innenseite des Separators oder der Befestigungsdruckerzeugungsplatte vorgesehenen Kammer angeordnet ist, und Quellen des Füllmittels mit dem Kühlmittel. Es wird der gleiche Effekt wie jener erhalten, der in den vorherigen Ausführungen der Erfindung der Erfindungen erhalten wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Explosionsperspektivansicht, mit teilweiser Weglassung, mit Darstellung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Perspektivansicht mit Darstellung eines Separators, betrachtet in einer anderen Richtung;
3 zeigt eine Perspektivansicht mit einem Teilausschnitt, mit Darstellung eines in 2 gezeigten Separators;
4 zeigt eine Explosionsquerschnittsansicht mit Darstellung der in 1 gezeigten Brennstoffzelle;
5 zeigt eine Perspektivansicht mit Darstellung einer Dichtung, die in die in 1 gezeigte Brennstoffzelle einzubauen ist;
6 zeigt eine Perspektivansicht mit Darstellung eines zusammengebauten Zustands von Brennstoffzelleneinheiten, wie in 1 gezeigt;
7 zeigt eine Perspektivansicht mit Darstellung einer Endplatte;
8 zeigt eine Explosionsperspektivansicht mit Darstellung eines Separators gemäß einer anderen Ausführung;
9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht mit Darstellung eines Separators gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine schematische Darstellung mit Darstellung eines kombinierten Zustands der in 9 gezeigten Separatoren, der Brennstoffzelleneinheiten und der Endplatten;
11 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht mit Darstellung eines Zustands, in dem die in 10 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten gestapelt sind;
12 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht mit Darstellung eines Anordnungszustands der ersten, zweiten und vierten Separatoren;
13 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht mit Darstellung einer Befestigungsdruckerzeugungsplatte;
14 zeigt eine vertikale Explosionsquerschnittsansicht mit Darstellung einer Kombination der in den 12 und 13 gezeigten und der Dichtungen;
15 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht mit Darstellung eines Zustands, in dem die in 14 gezeigten jeweiligen Bauelemente zusammengebaut sind;
16 zeigt Kennlinien, die die Beziehung der Temperatur, des Befestigungsdrucks und der Stromdichte darstellen;
17 zeigt Kennlinien, die die Beziehung der Temperatur, des Befestigungsdrucks und der Stromdichte darstellen, die erhalten werden, wenn als Füllmittel eine Formgedächtnislegierung verwendet wird;
18 zeigt eine schematische Anordnung in einem Zustand, in dem ein Kühlsystem in die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
19 zeigt Kennlinien, die die Beziehungen der Temperatur, des Befestigungsdrucks und der Stromdichte darstellen, die erhalten werden, wenn als Füllmittel ein Ionenaustauscherharz verwendet wird;
20 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht mit Darstellung einer schematischen Anordnung einer Brennstoffzelle zum Erzeugen des Befestigungsdrucks durch Einleiten einer chemischen Reaktion sowie ein System zur Bildung chemisch reaktiver Substanzen;
21 zeigt eine Graphik mit Darstellung der Beziehung der Temperatur, des Befestigungsdrucks und der Stromdichte zum Erzeugen des Befestigungsdrucks durch thermische Zersetzung einer Füllsubstanz;
22 zeigt eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Anordnung einer Brennstoffzelle zum Einbauen in ein System zum Erzeugen des Befestigungsdrucks mit der Hilfe einer chemischen Reaktion;
23 zeigt Kennlinien, die die Beziehungen der Temperatur, des Befestigungsdrucks und der Stromdichte darstellen, um den Befestigungsdruck durch Hinzufügen einer chemischen Substanz zu erzeugen;
24 zeigt eine Graphik mit Darstellung der Beziehung der Temperatur, des Befestigungsdrucks und der Stromdichte zum Erzeugen des Befestigungsdrucks durch Verwendung des Drucks von Wasserstoff, der von Metallhydrid freigegeben wird;
25 zeigt eine Graphik mit Darstellung der Beziehung der Temperatur, des Befestigungsdrucks und der Stromdichte zum Erzeugen des Befestigungsdrucks durch Verformen des Elements zum Aufbauen der Brennstoffzelle basierend auf der Verwendung einer Formgedächtnislegierung oder eines Formgedächtnisharzes.
BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen anhand des Befestigungsver fahrens dafür beschrieben, wie durch die bevorzugten Ausführungen exemplifiziert.
Eine hierin genannte Brennstoffzelle 10 ist eine Brennstoffzelle vom Festpolymeroxidtyp.
In der Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffzelle vom Festpolymeroxidtyp als bevorzugte Ausführung bezeichnet. Insbesondere ist jedoch die Druckausübungsstruktur des Separatorabschnitts im Wesentlichen ähnlich wie jene für die Direkt-Methanol/Luft-Brennstoffzelle, die Brennstoffzelle vom Alkali-Elektrolyt-Typ, die Brennstoffzelle vom Phosphonsäuretyp, die Brennstoffzelle vom Carbonatschmelzentyp sowie Brennstoffzelle vom Festoxidtyp. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auch auf diese Brennstoffzellen anwendbar.
Wie in den 1 bis 4 gezeigt, umfasst die Brennstoffzelle 10 grundlegend einen Stromerzeugungsabschnitt 12 und einen Separatorabschnitt 14. Der Separatorabschnitt 14 enthält einen ersten Separator 16 und einen zweiten Separator 18, die jeweils aus dichtem Material zusammengesetzt sind. Wie aus den Zeichnungen klar verständlich, ist der rechteckige erste Separator 16 mit einer Mehrzahl von Rippen 20 versehen, die parallel zueinander in der Querrichtung vorstehen gelassen werden. Passagen 22 zum Zuführen des Brenngases sind zwischen den benachbarten Rippen 20, 20 definiert. Andererseits hat, wie in 4 gezeigt, der zweite Separator 18 einen angenähert C-förmigen Querschnitt mit einem Loch 24, das an einer Seite seiner ersten Seitenoberfläche definiert ist, um den ersten Separator 16 dort einzusetzen. Das Loch 24 steht mit einer in dem zweiten Separator 18 definierten Kammer 25 in Verbindung. Eine Mehrzahl von Rippen 26 sind vorstehend parallel zueinander in der vertikalen Richtung an einer Seite einer zweiten Seitenoberfläche des zweiten Separators 18 vorgesehen. Dementsprechend sind Passagen 28 zwischen den benachbarten Rippen 26, 26 definiert, um das sauerstoffhaltige Gas, wie etwa Luft, zuzuführen (siehe 2 und 3).
Der zweite Separator 18 wird weiter erläutert. Wie aus den 1 bis 3 klar verständlich, durchsetzt ein rechteckiges parallelepipedförmiges Durchgangsloch 34 einen linken Rahmen 18a des zweiten Separators 18, und ein anderes Durchgangsloch 36 durchsetzt einen rechten Rahmen 18b. Eine Mehrzahl kleiner Löcher 38, die von dem Durchgangsloch 34 mit dem Loch 24 in Verbindung stehen, durchsetzen den linken Rahmen 18a. Andererseits durchsetzt eine Mehrzahl kleiner Löcher 14, die von dem Durchgangsloch 36 zu dem Loch 24 in Verbindung stehen, den rechten Rahmen 18b (siehe 1). Wenn daher der erste Separator 16 in das Loch 24 des zweiten Separators 18 eingesetzt wird, stehen die kleinen Löcher 38 mit den kleinen Löchern 40 über die Passagen 22 des ersten Separators 16 in Verbindung. Wie aus 4 leicht und klar verständlich, wird, wenn der erste Separator 16 in das Loch 24 des zweiten Separators 18 eingesetzt ist, ein Dichtungselement 30, das z.B. aus einem leitfähigen Kunstharzgummi oder einem leitenden Gummi hergestellt ist, zwischen dem ersten Separator 16 und dem zweiten Separator 18 angebracht.
Andererseits durchsetzt ein rechteckiges parallelepipedförmiges Durchgangsloch 42 einen oberen Rahmen 18c des zweiten Separators 18, und ein anderes Durchgangsloch 44 durchsetzt entsprechend einen unteren Rahmen 18d. Eine Mehrzahl kleiner Löcher 46, die von dem Durchgangsloch 42 zu den Passagen 28 in Verbindung stehen, durchsetzen den oberen Rahmen 18c, und eine Mehrzahl kleiner Löcher 48, die von dem Durchgangsloch 44 zu den Passagen 28 in Verbindung stehen, durchsetzen den unteren Rahmen 18d. Daher sind die Mehrzahl kleiner Löcher 46 und die kleinen Löcher 48 über die Passagen 28 in einem gegenseitigen Verbindungszustand.
Ein Verbindungsloch 50 ist an eine Ecke definiert, die durch den oberen Rahmen 18c und den linken Rahmen 18a des zweiten Separators 18 gebildet ist. Ein Verbindungsloch 52 ist an einer Ecke definiert, die durch den unteren Rahmen 18d und den rechten Rahmen 18b gebildet ist. Die Verbindungslöcher 50, 52 stehen, in schrägen Richtungen, mit der Kammer 25 in Verbindung, die durch das Einsetzen des ersten Separators 16 in das Loch 24 des zweiten Separators 18 definiert ist (siehe 4).
Als Nächstes wird der Stromerzeugungsabschnitt 12 erläutert. Der Stromerzeugungsabschnitt 12 umfasst ein Festpolymeroxid 60 sowie eine erste Elektrodenkatalysatorschicht 62a und eine zweite Elektrodenkatalysatorschicht 62b, die an beiden Seitenflächen davon angeordnet sind. Jede der ersten und zweiten Elektrodenkatalysatorschichten 62a, 62b hat eine Größe, die angenähert gleich jener des inneren Endrands des zweiten Separators 18 zum Definieren des Lochs 24 ist. Die Zeichnungen zeigen beispielhaft die Struktur, worin das Festpolymeroxid 60 und die Elektrodenkatalysatorschichten 62a, 62b in integrierter Weise aufgebaut sind. Jedoch ist es selbstverständlich, dass das Festpolymeroxid 60 und die Elektrodenkatalysatorschichten 62a, 62b jeweils in separater Weise aufgebaut werden können.
5 zeigt eine Struktur einer Dichtung 66. Eine Dichtung 68 hat im Wesentlichen die gleiche Form wie jene der Dichtung 66. Daher wird die Dichtung 66 im Detail erläutert, und eine Erläuterung für die Dichtung 68 wird weggelassen. Wie in 8 gezeigt, ist jede der Dichtungen 66, 68 zwischen dem zweiten Separater 18 und dem Festpolymeroxid 60 angeordnet. Jede der Dichtungen 66, 68 ist mit Durchgangslöchern 70, 72, 74, 76, Verbindungslöchern 78, 80 und einem großen Loch 82 versehen, um zu ermöglichen, dass das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas durch die Mehrzahl der ersten Separatoren 16 und die zweiten Separatoren 18 hindurchfließt, die zur Bildung der Brennstoffzelle 10 gestapelt sind, wie später beschrieben wird. Wenn daher der Stromerzeugungsabschnitt 12 und der Separatorabschnitt 14 eingebaut sind, dann steht das Durchgangsloch 34 des zweiten Separators 18 mit dem Durchgangsloch 70 der Dichtung 66, 68 in Verbindung, steht das Durchgangsloch 36 mit dem Durchgangsloch 72 in Verbindung, steht das Durchgangsloch 42 mit dem Durchgangsloch 74 in Verbindung und steht das Durchgangsloch 44 mit dem Durchgangsloch 76 in Verbindung. Die Mehrzahl der Rippen 20 des ersten Separators 16 greifen in das große Loch 82 ein.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Füllmittel 83, das aus irgendeinem von Füllern 83a bis 83g oder einer Kombination davon zusammengesetzt ist, in der in dem zweiten Separator 18 definierten Kammer 28 angeordnet. Der Ort, an das Füllmittel 83 angeordnet ist, ist nicht auf die Innenseite der Kammer 25 beschränkt. Das Füllmittel 83 kann in den Verbindungslöchern 50, 52 angeordnet werden.
Der Stromerzeugungsabschnitt 12 und der Separatorabschnitt 14, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, werden wie folgt kombiniert. Der erste Separator 16 wird nämlich in das Loch 24 des zweiten Separators 18 eingesetzt. Das Dichtungselement 30 dichtet den ersten Separator 16 und den zweiten Separator 18 ab, um eine elektrische Verbindung dazwischen herzustellen. In dieser Ausführung wird eine ausreichende Menge des Füllmittels 83 vorab in der Kammer 25 angeordnet. In der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird als das Füllmittel 83 ein Kationenaustauscherharz oder ein Anionenaustauscherharz verwendet. Wenn dementsprechend der erste Separator 16 in das Loch 24 des zweiten Separators 18 eingesetzt wird, wird das Kationenaustauscherharz oder das Anionenaustauscherharz, welches das Füllmittel 83 darstellt, durch den ersten Separator 16 mit einem Grad zusammengedrückt, um sein Volumen zu kontrahieren. Als Nächstes wird die Dichtung 66 auf den zweiten Separator 18 an der Seite des ersten Separators 16 aufgesetzt. Die Dichtung 68 vereinigt sich mit der Oberfläche des zweiten Separators 18 an der Innenseite der Rippen 26. Anschließend wird der Stromerzeugungsabschnitt 12 zwischen die Dichtung 66 und die Dichtung 68 eingesetzt. Wenn, wie in 6 gezeigt, die Komponenten gestapelt und fixiert sind, wird die Brennstoffzelle 10, an ihren beiden Enden angeordnet mit einer Endplatte 92, die Rohranschlüsse 79, 84, die mit den Durchgangslöchern 34, 42 des zweiten Separators 18 in Verbindung stehen, und einen Rohranschluss 88, der mit dem Verbindungsloch 52 in Verbindung steht, aufweist, sowie einer Endplatte 94, die mit Rohranschlüssen 81, 86, die mit den Durchgangslöchern 36, 42 in Verbindung stehen, und einem Rohranschluss 90, der mit dem Verbindungsloch 50 in Verbindung steht, ausgestattet ist. Die Brennstoffzelle 10 wird unter Verwendung von Klemmbolzen 96a bis 96d an ihren vier Ecken stark und gleichmäßig eingeklemmt.
Die Endplatte 94 ist in 7 im Detail gezeigt. Die Endplatte 94 ist aus einer Platte aufgebaut, die im Wesentlichen die gleiche Größe wie jene der Endplatte 92 hat, die mit einem Durchgangsloch 102 versehen ist, das mit dem Rohranschluss 81 entsprechend dem Durchgangsloch 36 des zweiten Separators 18 in Verbindung steht, sowie mit einem Loch 106, das mit dem Rohranschluss 86 entsprechend dem Durchgangsloch 44 in Verbindung steht. Die Endplatte 94 ist ferner mit einem Loch 107 versehen, das mit dem Rohranschluss 90 entsprechend dem Verbindungsloch 50 in Verbindung steht. In 7 bezeichnet die Bezugszahlen 112a bis 112d Klemmlöcher, in die erste Enden der Klemmbolzen 96a bis 96d eingesetzt werden.
Nun wird das vorab in die Kammer 25 zu ladende Füllmittel 83 erläutert. Wie oben beschrieben kann das Füllmittel 83 wie folgt klassifiziert werden:

(1) ein Füllmittel 83a, das gemäß einer Absorption oder einer Freigabe von Wärme eine Expansion oder Kontraktion durchführt;
(2) ein Füllmittel 83b, das gemäß einer Absorption oder Freigabe von Wärme eine Deformation durchführt;
(3) ein Füllmittel 83c, das gemäß einer chemischen Behandlung eine Expansion oder Kontraktion durchführt;
(4) ein Füllmittel 83d, das aus einer in die Kammer 25 zu ladenden Substanz zusammengesetzt ist, die durch die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle von selbst thermisch zu zersetzen ist, oder die ein Gas erzeugt, das einen Siedepunkt bei einer Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle erzeugt, gemäß einer chemischen Reaktion zwischen geladenen Substanzen;
(5) ein Füllmittel 83e, das gemäß einer Absorption oder Freigabe von Wärme Gas erzeugt,
(6) ein Füllmittel 83f, das gemäß einer Absorption oder Freigabe von Wärme Gas freigibt oder absorbiert; und
(7) ein Füllmittel 83g, das entsprechend Wärme eine Verlagerung durchführt.

Natürlich ist es zulässig, eine beliebige Kombination von zwei oder mehr der vorstehenden Füllmittel 83 anzuwenden, oder eine Kombination aller der vorstehenden Bindemittel 83, vorausgesetzt, dass kein Problem auftritt.
Als Nächstes werden die Füllmittel 83a bis 83g der vorstehenden Punkte (1) bis (7) veranschaulicht.
Für das Füllmittel 83a von (1)
Das Füllmittel 83a ist bevorzugt eine Substanz, die einen Siedepunkt bei einer Temperatur hat, die nicht höher ist als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle. In diesem Fall kann das Füllmittel 83a eine Substanz oder Substanzen sein, die eine Reaktivität der Substanz mit sich selbst oder zwischen den Substanzen aufzeigt bzw. aufzeigen, eine Substanz, die keine Reaktivität mit den Bauelementen der Brennstoffzelle aufzeigt, mit denen die Substanz Kontakt herstellt, oder ein Gemisch der Substanz, die eine Reaktivität aufzeigt, mit der Substanz, die keine Reaktivität aufzeigt. Die bevorzugt angewendeten umfassen die folgenden Substanzen:

anorganische Verbindungen:
Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid (einschließlich Trockeneis), Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon, Radon, Xenon, Krypton und Sauerstoff;
organische Verbindungen:
Alkohole: Methanol, Ethanol und Isopropanol;
Aldehyde/Ketone: Acetaldehyd, Aceton, Ethylmethylketon und Formaldehyd;
Ether: Ethylpropylether, Ethylmethylether, Diethylether, Dimethylether und die Diisopropylether;
gesättigte Kohlenwasserstofte: Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Isopentan, Hexan und Isohexan;
cyclische Verbindungen: Cyclobutan, Cyclopropan, Cyclohexan, Cyclopentan, Hexafluorbenzol und Perfluocyclohexan;
Ester: Methylformat, Ethylformat, Methylacetat, Ethylacetat und Vinylacetat.

Für das Füllmittel 83b von (2)
Das Füllmittel 83b kann eine Formgedächtnislegierung sein, die den Memoryeffekt mit sich bringt, um eine Verformung in einer Richtung oder in zwei Richtungen durchzuführen, oder eine Kombination solcher Formgedächtnislegierungen. Die bevorzugt verwendeten umfassen z.B. Nickel-Titan-Legierungen und Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Formgedächtnislegierung eine schraubenfederförmige Konfiguration oder eine zufallsschraubenförmige Konfiguration hat.
Das Füllmittel 83b kann ein Formgedächtnisharz sein. Als solches Formgedächtnisharz wird bevorzugt ein solches verwendet, das ein Polynorbornenharz, eine Polymerlegierung, die eine Hauptkomponente von Polyester enthält, Urethanelastomer und Transpolyisopren-vernetztes Harz, umfasst.
Für das Füllmittel 83c von (3)
Das Füllmittel 83c ist aus einem Kationenaustauscherharz, einem Anionenaustauscherharz oder einem Gemisch von Kationen- und Anionenaustauscherharzen zusammengesetzt. Ein solches Ionenaustauscherharz ist so ausgebildet, dass es eine sphärische Konfiguration oder eine membranförmige Konfiguration hat. Die Ionenform der funktionellen Gruppe eines solchen Ionenaustauscherharz ändert sich in Abhängigkeit von der graduellen Änderung ihres trockenen Zustands und nassen Zustands, oder der chemischen Behandlung basierend auf der Anwendung einer sauren oder alkalischen wässrigen Lösung oder einer wässrigen Salzlösung, und daher quillt, kontrahiert oder verformt sich das Ionenaustauscherharz. Die vorliegende Erfindung nutzt die oben beschriebenen Zustände.
Das Kationenaustauscherharz hat eine von Rückgratstrukturen, die ausgewählt sind aus einem Styrolsystem, einem Methacrylsystem, einem Acrylsystem, einem Teflonsystem und einem Pyridinsystem, und eine von funktionellen Gruppen, die aus einer Sulfonsäuregruppe, einer Carboxylsäuregruppe, einer Aminophosphorsäuregruppe, einer Pyridingruppe, einer Dithiocarbaminsäuregruppe, einer Iminodiessigsäuregruppe und einer Aminocarboxylsäuregruppe.
Das Anionenaustauscherharz hat eine von Rückgratstrukturen, die aus einem Styrolsystem, einem Methacrylsystem, einem Acrylsystem, einem Phenolsystem und einem Teflonsystem ausgewählt ist, sowie eine von funktionellen Gruppen, die aus einer quarternären Ammoniumbase, einer sekundären Aminogruppe, einer tertiären Aminogruppe und einer Polyamingruppe ausgewählt ist.
Die Änderung der Ionenform der funktionellen Gruppe, die mit der Expansion einhergeht, ist z.B. wie folgt. Jene, die bevorzugt für das Kationenaustauscherharz ausgewählt werden, enthalten nämlich Na-Form → H-Form, H-Form → Na-Form und H-Form → Ammoniumform. Andererseits enthalten jene, die bevorzugt für das Anionenaustauscherharz ausgewählt sind, Cl-Form → OH-Form und OH-Form → Cl-Form.
Alternativ kann das Füllmittel 83c ein wasserabsorptives Gel oder ein wasserabsorptives Harz sein. Eine bestimmte Art von wasserabsorptivem Gel oder wasserabsorptivem Harz unterliegt einer Formänderung in Abhängigkeit vom Grad des trockenen Zustands oder nassen Zustands. Die bevorzugt anwendeten enthalten z.B. Acrylsäure, Vinylalkoholcopolymer und Natriumacrylatpolymer.
Das Füllmittel 83c kann ein Seifentonmineral oder ein Polyamid- oder ein Hybridmaterial davon sein, aus dem folgenden Grund. Formänderungen in Abhängigkeit vom Grad des nassen Zustands ergeben sich nämlich entsprechend der Flüssigkeitsmenge, die in diese Materialien eingeführt wird.
Zusätzlich zu den anorganischen Verbindungen und den organischen Verbindungen, wie oben beschrieben, können als das Füllmittel 83c auch aromatische Verbindungen, wie etwa Benzol und Toluol, verwendet werden.
Das Füllmittel 83, das gemäß der chemischen Behandlung eine Expansion oder Kontraktion durchführt, kann das Kationenaustauscherharz, das Anionenaustauscherharz, das wasserabsorptive Gel oder Harz, das Seifentonmineral, das Polyamid, das Hybridmaterial davon oder ein Gemisch davon sein.
Auch bevorzugt ist die Anwendung einer Substanz oder eines Gemisches einer Mehrzahl von Substanzen, die keine Reaktion mit den Bauelementen der Brennstoffzelle hervorruft, mit denen die Substanzen einen Kontakt herstellen, wie etwa eine Kombination des Füllmittels, das eine Expansion oder Kontraktion entsprechend der chemischen Behandlung durchführt, des Füllmittels, das die Substanz, wie etwa die anorganische Verbindung, das Seifentonmineral oder das Polyamid ist, wie oben beschrieben, und des Füllmittels, das gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme eine Expansion oder Kontraktion durchführt, worin die beiden keine Reaktion hervorrufen.
Für das Füllmittel 83d von (4)
sJene, die als das Füllmittel 83d verwendbar sind, umfassen Einzelsubstanzen oder eine Kombination von Substanzen zur Herstellung von Wasserstoffgas, Stickstoffgas, Kohlendioxidgas, Ammoniakgas und Sauerstoffgas, sowie Einzelsubstanzen oder Kombination von Substanzen zur Erzeugung von Wasser. In dieser Ausführung sind die folgenden Substanzen bevorzugt:

a. Einzelsubstanzen oder eine Kombination von Substanzen zur Erzeugung von Wasserstoffgas;
b. Metall und Säure: Zink oder Übergangsmetall und Chlorwasserstoffsäure sowie Erdalkalimetall und Säure;
c. Metall und Base: Aluminium oder Silicium und Natriumhydroxid sowie Alkalimetall und Ammoniak;
c. Metall und Wasser: Alkalimetall oder Erdalkalimetall und Wasser;
e. Metall und Alkohol: Alkalimetall oder Erdalkalimetall und Alkohol;
f. Metallhydrid und Wasser: Lithiumhydrid oder ein Hydrid von Erdalkalimetall und Wasser und Natriumborhydrid oder Natriumaluminiumhydrid und Wasser.

Für Füllmittel 83e, 83f von (5) und (6)
Jene, die bevorzugt als die Füllmittel 83e, 83f verwendet werden, enthalten Metallhydride, die einen Wasserstofffreisetzdruck nicht unterhalb des Atmosphärendrucks bei einer Temperatur nicht höher als den Brennstoffzellenbetriebstemperaturen aufzeigen, wie unten beschrieben:

Brennstoffzelle vom Festpolymeroxidtyp: nicht mehr als etwa 120 °C;
direkte Methanol/Luft-Brennstoffzelle: nicht mehr als etwa 100 °C;
Brennstoffzelle vom Alkalielektrolyttyp: nicht mehr als etwa 100 °C;
Brennstoffzelle vom Phosphonsäuretyp: nicht mehr als etwa 200 °C;
Brennstoffzelle vom Carbonatschmelzentyp: nicht mehr als etwa 650 °C; und
Brennstoffzelle vom Festoxidtyp: nicht mehr als etwa 1000 °C.

Für Füllmittel 83g von (7)
Jene, die bevorzugt als das Füllmittel 83g verwendet werden, enthalten Formgedächtnislegierungen, die eine Betriebstemperatur nicht höher als die folgende Betriebstemperatur für die Brennstoffzelle haben, von den Formgedächtnislegierungen, auf die im vorstehenden Punkt (2) Bezug genommen ist:

Als Nächstes wird der Betrieb der Brennstoffzelle erläutert, die, wie oben beschrieben, gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Wie in 6 gezeigt, wird beim Betrieb der Brennstoffzelle 10, die durch Stapeln der Brennstoffzelleneinheiten aufgebaut ist, das Brenngas von einer nicht dargestellten Brenngaszufuhrquelle den Passagen 22 des ersten Separators 16 über den ersten Rohranschluss 79 der Endplatte 92, das Durchgangsloch 70 der Dichtung 66 (68) sowie das Durchgangsloch 34 und die kleinen Löcher 38 des zweiten Separators 18 zugeführt, während das sauerstoffhaltige Gas von einer nicht dargestellten sauerstoffhaltigen Gas-Zufuhrquelle den Passagen 28 über den Rohranschluss 84 der Endplatte 92, das Durchgangsloch 94 der Dichtung 66 (68) und das Durchgangsloch 42 und die kleinen Löcher 46 des zweiten Separators 18 zugeführt wird.
Gleichzeitig wird Wasser oder ein Flüssigkeitsgemisch von Wasser und Alkohol als Kühlwasser von dem Rohranschluss 88 der Endplatte 92 dem Verbindungsloch 52 zugeführt, und es erreicht die Kammer 25, die mit dem Füllmittel 83 geladen ist, sodass der Innendruck der Kammer 25 ansteigt. In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Kationenaustauscherharz oder das Anionenaustauscherharz als das Füllmittel 83c angeordnet. Daher quillt das Füllmittel 83c, wenn es mit Wasser imprägniert wird. Infolgedessen wird der erste Separator 16 zu der Elektrodenkatalysatorschicht 62b hin verlagert oder verformt. Daher stehen unter dem Druck entsprechend der Verlagerungswirkung oder der Verformungswirkung, die durch das Füllmittel 83c und den ersten Separator 16 hervorgerufen wird, die Rippen des ersten Separators 16 in gleichmäßigem Kontakt mit der Elektrodenkatalysatorschicht 62b. Demzufolge wird der Kontakt des Festpolymeroxids 60 mit dem zweiten Separator 18 unter diesem Druck möglich. Dementsprechend wird die Ionenleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit nicht beeinträchtigt, und der Kontaktwiderstand wird nicht erhöht, sondern wird hingegen gesenkt. Andererseits strömt nicht reagiertes Brenngas des den Passagen 22 zugeführten Brenngases durch das Durchgangsloch 36 und wird von dem Rohranschluss 81 über das Loch 102 der Endplatte 94 abgegeben. Das sauerstoffhaltige Gas unterliegt dem gleichen Vorgang. Ein Teil des sauerstoffhaltigen Gases erreicht nämlich das Durchgangsloch 44 des zweiten Separators 18 und wird von dem Rohranschluss 86 abgegeben.
Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beendet wird, wird der Einstrom des Wassers oder der Mischflüssigkeit von Wasser und Alkohol gestoppt, wobei dann das Wasser in der Kammer 25 von dem Rohranschluss 90 der Endplatte 92 über das Verbindungsloch 52 des zweiten Separators 18 zur Außenseite abgegeben wird. Wenn der Wassergehalt des Ionenaustauscherharzes sinkt, sinkt auch der Innendruck der Kammer 25. Daher sinkt auch der Oberflächendruck, der zu dem ersten Separator 16 hin ausgeübt wird, und Druck wird wieder auf den Druck beim Zusammenbau zurückgebracht.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Brennstoffzelle in Bezug auf die Ausführung der vorliegenden Erfindung die auf das Festpolymeroxid 60 ausgeübte Druckkraft insgesamt auf einmal erhöht, und zwar aufgrund der Quellwirkung des Füllmittels 83c und der Verformungswirkung des ersten Separators 16, indem Wasser in die Kammer 25 eingeführt wird, die durch den ersten Separator 16 und den zweiten Separator 18 definiert ist. Dementsprechend wird der Kontaktwiderstand niemals erhöht.
Die Wasserzufuhrmenge wird in Abhängigkeit vom Trockenheitszustand des Stromerzeugungsabschnitts 12 vergrößert oder verkleinert. Während dieses Prozesses wird das Wasser direkt von der Kammer 25 zugeführt, die in der Brennstoffzelle 10 definiert ist. Daher erhält man eine schnelle Reaktion in Bezug auf den Feuchtigkeitszustand des Festpolymeroxids 60.
Der Druck des zugeführten Wassers (PH₂O) wird höher eingestellt als jener des Wasserstoffgases (PH₂) als Brenngas und des Sauerstoffgases (PO₂) als sauerstoffhaltiges Gas. Ferner ist der zweite Separator 18 aus dem dichten Material aufgebaut. Dementsprechend tritt das Wasser nur in die Passagen 22 des ersten Separators 16 ein und es lässt sich zuverlässig verhindern, dass sich das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas in der Kammer 25 miteinander mischen. Daher ist es möglich, die Sicherheit zu gewährleisten.
In der oben beschriebenen Ausführung ist als die Flüssigkeit Wasser ausgewählt. Anstelle von Wasser besteht jedoch die Möglichkeit, Alkohol oder eine Mischlösung von Wasser und Alkohol zu verwenden, wie oben beschrieben, oder eine Mischlösung von Wasser und Methanol. Wenn im Falle der Mischung von Wasser und Methanol das Bauelement des Separators 18 seitens der Anode ein poröses Material anstatt des dichten Materials ist, wird die Mischlösung von Wasser und Methanol der Anodenelektrodenplatte zugeführt. Dementsprechend ist es möglich, eine Methanolbrennstoffzelle vom direkten Typ bereitzustellen.
Wenn ferner das Ionenaustauscherharz als Füllmittel 83c verwendet wird und Wasser als Kühlmittel der Kammer 25 zugeführt wird, besteht die Möglichkeit, dass die Innenseite der Kammer 25 als Wasserbehandlungsabschnitt fungieren kann, um die Qualität des Kühlwassers beizubehalten. Es kann nämlich das Ionenaustauscherharz benutzt werden, um z.B. das Kation anderer Metallionen zu beseitigen, wo die Gefahr besteht, dass es aus dem Brennstoftzellenstapel ausgewaschen wird, oder ein Carbonation zu beseitigen, das aufgrund der Einmischung von Kohlendioxidgas in die Atmosphärenluft in das Kühlwasser erzeugt wird.
In der oben beschriebenen ersten Ausführung ist der Separatorabschnitt 14 in separater Weise als erster Separator 16 und zweiter Separator 18 aufgebaut.
Jedoch besteht die Möglichkeit, den zweiten Separator 18 in einem dritten Separator 152 und einen Hauptkörper 150, in dem die Kammer 25 definiert ist, weiter aufzuteilen. Diese Anordnung ist in 8 gezeigt.
Der dritte Separator 152 ist in ein in dem Hauptseparatorkörper 150 definiertes Loch an einer dem ersten Separator 16 entgegengesetzten Seite eingesetzt. Der dritte Separator 152 weist eine große Anzahl sauerstoffhaltiger Gaszufuhrpassagen 154 auf, die parallel zueinander definiert sind und sich in der gleichen vertikalen Richtung erstrecken wie die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrpassagen 28, in der gleichen Weise wie der in 2 gezeigte zweite Separator 18. In der in 8 gezeigten Ausführung ist das Füllmittel, das aus irgendeinem der Füllmittel 83a bis 83g oder einer beliebigen Kombination davon zusammengesetzt ist, in der zwischen dem ersten Separator 16 und dem dritten Separator 152 definierten Kammer 25 angeordnet. Wenn daher das Füllmittel 83a bis 83g aus dem Füllmittel zusammengesetzt ist, wie es in den vorstehenden Punkten (1) bis (8) beschriebn ist, werden der erste Separator 16 und der dritte Separator 152 in der Richtung zur Herstellung einer Trennung voneinander verformt, gemäß z.B. der Temperatur und der chemischen Reaktion. Somit wird die Druckkraft auf die Elektrodenkatalysatorschichten 62a, 62b erhöht.
Um in der oben beschriebenen Ausführung die Brennstoffzelle 10 zu kühlen, oder um die Kraft zum Dichteinklemmen der Brennstoffzelle 10 zu erhöhen, werden die Kammern 25 mit dem Füllmittel 83 gefüllt, und die jeweiligen Kammern 25 stehen über die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten miteinander in Verbindung. Dieses System wird hierin als "offener Typ" bezeichnet.
Abgesehen von dem offenen Typ lässt sich angenommenerweise eine Brennstoffzelle angeben, die als "geschlossener Typ" bezeichnet wird. Jene, die als geschlossener Typ bezeichnet werden, haben nämlich eine Struktur, in der die Kammer 25 der einen Brennstoffzelleneinheit von der Verbindung mit der Kammer 25 der anderen Brennstoffzelleneinheit ausgeschlossen ist. Insbesondere ist es möglich, eine Struktur einzunehmen, in der die in der vorstehenden Ausführung beschriebenen Verbindungspassagen 50, 52 nicht vorgesehen sind. Die Struktur der Brennstoffzelle vom geschlossenen Typ ist schematisch in den 9, 10 und 11 gezeigt. In diesen Zeichnungen sind gleiche Bauelemente wie jene der vorstehenden Ausführung mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen. Wie aus diesen Zeichnungen leicht und klar verständlich, ist der Hauptseparatorkörper 150 in separater Weise als Hauptanodenseparatorkörper 150a und Hauptkathodenseparatorkörper 150b aufgebaut. Der erste Separator 16 wird auf den Hauptanodenseparatorkörper 150a gesetzt, während der dritte Separator 152 auf den Hauptkathodenseparatorkörper 150b aufgesetzt wird. Eine Kammer 156 zum Laden des Füllmittels 83 ist zwischen den Hauptseparatorkörpern 150a, 150b definiert. Passagen 154 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases sind in dem dritten Separator 152 definiert, sodass die Passagen 154 senkrecht zu den Passagen 22 des ersten Separators 16 sind.
Wie in 10 gezeigt, wird der Hauptkathodenseparatorkörper 150b auf einer Endplatte 92 über die Dichtung 66 installiert, um eine Kammer 157a zum Laden des Füllmittels 83 zwischen die Endplatte 92 und den Hauptanodenseparatorkörper 150a zu definieren. Der Hauptkathodenseparatorkörper 150b kann zu der Dichtung 68 weisen. Die Dichtung 68 und die nächste Dichtung 66 werden dazu benutzt, den Stromerzeugungsabschnitt 12 einzufügen, der die Elektrodenkatalysatorschicht 62a, das Festpolymeroxid 60 und die Elektrodenkatalysatorschicht 62b aufweist. Daher steht der Hauptkathodenseparatorkörper 150b mit der Elektrodenkatalysatorschicht 62a in Kontakt. Die Elektrodenkatalysatorschicht 62b steht mit dem Hauptanodenseparatorkörper 150a in Kontakt (siehe 11). Durch Anwendung der oben beschriebenen Anordnung wird der Hauptanodenseparatorkörper 150a an der Schlussendplatte 94 über die Dichtung 68 installiert. Der erste Separator 16, der innerhalb des Hauptanodenseparatorkörpers 150a vorgesehen ist, stützt sich gegen die Elektrodenkatalysatorschicht 62b ab. Eine Kammer 157b zum Laden des Füllmittels 83 ist zwischen der anderen Endplatte 94, der Dichtung 66 und dem ersten Separator 16 definiert.
Die Brennstoffzelle vom geschlossenen Typ ist wie oben beschrieben angeordnet, in dem keine der Kammern 156, 157a, 157b mit der Kammer der anderen Brennstoffzelleneinheit in Verbindung steht. Das Füllmittel 83 wird in die Kammern 156, 157a, 157b der Brennstoffzelle vom geschlossenen Typ geladen. Anders als in der oben beschriebenen Ausführung wird kein Wasser oder Methanol oder Mischflüssigkeit von Wasser und Methanol in die Kammern 156, 157a, 157b über die Verbindungslöcher 50, 52 eingeleitet. Es wird nämlich das Füllmittel 83, das die Expansion, Kontraktion oder Deformation entsprechend der Außenumgebungstemperatur, der chemischen Behandlung oder Wärme durchführt, ausgewählt und in die Kammern 156, 157a, 157b geladen. Dementsprechend drückt das Füllmittel 83 auf den Hauptanodenseparatorkörper 150a und/oder den Hauptkathodenseparatorkörper 150b, um einen dichten Kontakt mit den Elektrodenkatalysatorschichten 62a, 62b unter dem Druck herzustellen. Im Ergebnis wird der Brennstoffzelle 10 eine ausreichende Klemmkraft gegeben.
Eine noch andere Ausführung ist in den 12 bis 15 gezeigt. Insbesondere wird in dieser Ausführung eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte 200 anstelle des Hauptseparatorkörpers 150 verwendet, wie er in der vorstehenden Ausführung beschrieben ist. Ferner wird ein vierter Separator 202 verwendet.
Die Befestigungskrafterzeugungsplatte 200 ist dem in der vorstehenden Ausführung beschriebenen Hauptseparatorkörper 150 außerordentlich ähnlich. Jedoch unterscheidet sich in dieser Ausführung die Befestigungskrafterzeugungsplatte 200 ein wenig von dem Hauptseparatorkörper 150 darin, dass eine Kammer 204 zum Laden des Füllmittels 83 an deren Querschnittsmittelabschnitt definiert ist, anstelle der sich in der horizontalen Richtung erstreckenden Mehrzahl kleiner Löcher 38, 40 und der sich in der vertikalen Richtung erstreckenden Mehrzahl kleiner Löcher 46, 48, die den Hauptseparatorkörper 150 bilden. Eine Kathodendruckplatte 206 sitzt auf einem großer offener Löcher, die an beiden Seiten der Befestigungsdruckerzeugungsplatte 200 angeordnet sind, und eine Anodendruckplatte 208 sitzt auf dem anderen offenen Loch.
Der vierte Separator 202 weist eine Öffnung 210 auf, die ihn mit einer großen Abmessung von einer Seitenoberfläche zur anderen Seitenoberfläche durchsetzt, und die mit einer Separatorplatte 212 ausgestattet ist, die eine Struktur hat, in der der in der ersten Ausführung beschriebene erste Separator 16 und der in der zweiten Ausführung beschriebene dritte Separator 152 in integrierter Weise miteinander kombiniert sind. In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugszahl 214 den Separatorkörper, der der gleiche ist wie die Hauptanodenseparatorkörper 150a, und die Bezugszahl 216 bezeichnet den Hauptseparatorkörper, der der gleiche ist wie der Hauptkathodenseparatorkörper 150b, wie er in der zweiten Ausführung beschrieben ist.
Die Befestigungsdruckerzeugungsplatten 200, die vierten Separatoren 202 und die Hauptseparatorkörper 214, 226 sind zwischen den Endplatten 92, 94 in der in 14 gezeigten Reihenfolge angeordnet. 15 zeigt eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Anordnung, die durch die Anwendung der vorstehenden Komponenten erhalten werden.
In der Brennstoffzelle, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird das Zuführen des Füllmittels 83a bis 83g in die Kammer 25 oder die Kammer 204 unten in Bezug auf 16 und folgende erläutert.
(1) Fall der Verwendung des Füllmittels 83a, um eine Expansion oder Kontraktion gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme durchzuführen (siehe Figur 16)
Das Füllmittel 83a wird bei einer Temperatur unterhalb dem Siedepunkt gehalten, bis die Brennstoffzelle zusammengebaut wird. Wenn die Brennstoffzelle nach Abschluss der Montage auf Raumtemperatur zurückgebracht wird, unterliegt das Füllmittel 83a einer Temperatur, die nicht niedriger ist als der Siedepunkt. Dementsprechend führt das Füllmittel 83a eine Expansion aus, um den Befestigungsdruck auf die Brennstoffzelle zu erhöhen und die Stromdichte bei der Energieerzeugung zu erhöhen.
(2) Fall der Verwendung des Füllmittels 83b, um eine Verformung gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme durchzuführen (siehe Figur 17)
Die Temperatur wird auf nicht höher als der Betriebstemperatur des verformbaren Füllmittels 83b (der Formgedächtnislegierung oder des Formgedächtnisharzes) gehalten, bis die Brennstoffzelle fertiggestellt ist. Wenn nach der Fertigstellung der Brennstoffzelle in Betrieb genommen werden soll, wird die Brennstoffzelle auf eine Temperatur nicht niedriger als der Betriebstemperatur der Formgedächtnislegierung oder des Formgedächtnisharzes erwärmt. Im Ergebnis wird, zum Zeitpunkt der Ankunft bei einer Temperatur, die nicht niedriger als die Betriebstemperatur ist, die Formgedächtnislegierung oder das Formgedächtnisharz verformt, um den auf die Brennstoffzelleneinheiten ausgeübten Befestigungsdruck zu erhöhen, und um auch die Stromdichte zu erhöhen. Wenn in dieser Prozedur eine Formgedächtnislegierung oder ein Formgedächtnisharz mit einem Zwei-Richtungs-Effekt benutzt wird, besteht die Möglichkeit, den Befestigungsdruck willkürlich einzustellen im Vergleich zu jenen, die auf der Verwendung des Ein-Richtungs-Effekts beruhen. Diese Situation ist in 17 mit unterbrochenen Linien gezeigt. Während des Zusammenbaus der Brennstoffzelle und beim Fertigstellen der Brennstoffzelle wird nämlich die Formgedächtnislegierung oder das Formgedächtnisharz so eingestellt, dass es eine schraubenfederförmige oder eine zufallsschraubenfederförmige Konfiguration hat, sodass die Legierung oder das Harz eine volle Streckung bei einer Temperatur nicht niedriger als der Betriebstemperatur durchführt. Wenn die Temperatur auf nicht niedriger als die Betriebstemperatur angehoben wird, wirkt die Formgedächtnislegierung oder das Formgedächtnisharz auf die Anoden- und Kathodenelektrodenkatalysatorschichten, wie dann, wenn die Legierung oder das Harz unter Druck gesetzt und expandiert wird.
Um andererseits, wie in 18 gezeigt, die Temperatursteuercharakteristiken für die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugung zu verbessern, können ein Wärmeaustauscher für Temperatursteuerung 300, ein Kühlmitteltank 302, eine Umwälzpumpe 304 und ein Ventil 306 mittels einer Rohrleitung 308 miteinander in Verbindung gesetzt werden. Das Ventil 306 ist mit dem Verbindungsloch 50 über den in 6 gezeigten Rohranschluss 88 verbunden. Somit ist ein Zirkulationssystem aufgebaut, worin der Fluss durch die Kammer 25 hindurchtritt und von dem Verbindungsloch 52 über das Ventil 308 wieder bei dem Wärmeaustauscher zur Temperatursteuerung 300 ankommt.
Wenn eine Einzelsubstanz der Formgedächtnislegierung oder des Formgedächtnisharzes, das den Eine-Richtungs-Effekt hervorruft, geladen wird, um die Temperatur der Brennstoffzelleneinheiten die Betriebstemperatur der Formgedächtnislegierung oder des Formgedächtnisharzes überschreitet, dann streckt sich das in den Separator geladene Füllmittel 83, um den Befestigungsdruck zu erzeugen. Auch wenn in diesem Fall die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugung stoppt oder beendet wird, oder wenn die Temperatur der Brennstoffzelle zur Raumtemperatur zurückkehrt, setzt sich ein Zustand fort, in dem der Befestigungsdruck noch immer beibehalten wird.
Wenn andererseits eine Mehrzahl von Formgedächtnislegierungen oder Formgedächtnisharzen, die einen Zwei-Richtungs-Effekt haben, kombiniert und als das Füllmittel 83 verwendet werden, und die Temperatur der Brennstoffzelle die Betriebstemperaturen der jeweiligen Formgedächtnislegierungen überschreitet, dann strecken sich die in den Separator geladenen Formgedächtnislegierungen oder die Formgedächtnisharze aufeinanderfolgend. Daher ist es möglich, den Befestigungsdruck stufenweise zu erhöhen.
Wenn die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugung gestoppt oder beendet wird, nimmt während des Prozesses, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle zur Raumtemperatur zurückkehrt, der Befestigungsdruck wegen der Zwei-Richtungs-Charakteristik stufenweise ab (siehe 19).
(3) Fall der Verwendung des Füllmittels 83c, um eine Expansion oder Kontraktion gemäß einer chemischen Reaktion durchzuführen (siehe Figur 20)
Wenn in diesem Fall die Brennstoffzelle zusammengebaut wird, wird das Ionenaustauscherharz im trockenen Zustand als das Füllmittel 83c benutzt, und es wird in die Kammer 25 oder die Kammer 204 bei Raumtemperatur geladen. In diesem Zustand wird die Brennstoffzelleneinheit unter den Raumtemperaturbedingungen zusammengebaut und eine Rohrleitung 400 wird mit dem Verbindungsloch 50 über den Rohranschluss 88 verbunden, wie in 20 gezeigt. Ein Ventil 404 wird in eine Rohrleitung 402 eingesetzt, die mit der Rohrleitung 400 in Verbindung steht. Ein Wassertank 406 wird mit der Rohrleitung 402 in Verbindung gebracht. Andererseits steht die Rohrleitung 400 weiter mit einer Rohrleitung 408 in Verbindung. Ein Ventil 410 wird in die Rohrleitung 408 eingesetzt, und ein Tank 412 für ein anderes Medium wird mit der Rohrleitung 408 verbunden. Ferner steht die Rohrleitung 400 mit einer Rohrleitung 414 in Verbindung. Ein Ventil 416 wird in die Rohrleitung 414 eingesetzt. Ein Tank 418 zum Speichern einer sauren oder alkalischen Lösung wird mit der Rohrleitung 414 verbunden. Eine Rohrleitung 422, in die ein Ventil 420 eingesetzt ist, steht mit dem Verbindungsloch 52 in Verbindung.
In der oben beschriebenen Situation werden die in die Rohrleitung 400 eingesetzten Ventile 404, 410, 416 geöffnet. Somit wird das Wasser von dem Wassertank 406 dem Füllmittel 83 im trockenen Zustand zugeführt, und das Ionenaustauscherharz zur Bildung des ersten Füllmittels 83 wird benetzt, sodass es expandiert. Im Ergebnis wird der Befestigungsdruck auf die Brennstoftzelleneinheiten erzeugt.
Um das andere Ionenaustauscherharz zu expandieren, das einen Teil des Füllmittels 83 darstellt, wird als Nächstes die in dem Tank 418 gespeicherte Säure oder Alkalilösung durch Öffnen des Ventils 416 zugeführt. Selbstverständlich wird während dieses Prozesses das Ventil 404 geschlossen.
Um anschließend das in den Brennstoffzelleneinheiten freigesetzte Ion zu beseitigen, erfolgt eine Waschung mit reinem Wasser. Es versteht sich, dass der oben beschriebene Waschvorgang leicht erreicht wird, indem von dem Wassertank 406 reines Wasser zugeführt wird.
Um das Ionenaustauscherharz durch Benetzen durch Einspritzen einer anderen Flüssigkeit als Wasser auszudehnen, ist es bevorzugt, dass ein Medium, in dem das Ionenaustauscherharz nicht löslich ist, in dem Tank 412 zum Speichern des anderen Mediums gespeichert wird.
In der Brennstoffzelle, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, ergibt sich der Befestigungsdruck wie folgt während der durch die Brennstoffzelle bewirkten Stromerzeugung. Der Befestigungsdruck erfolgt nämlich durch Expansion des des Ionenaustauscherharzes selbst oder durch Expansion des Harzes beim Ionenaustausch. Das für die chemische Reaktion verwendete Medium unterliegt ferner einer Erhöhung oder Abnahme des Dampfdrucks, der durch die Wärmeerzeugung hervorgerufen wird, die durch den Innenwiderstand der Zelle bewirkt wird, entsprechend einer Zunahme oder Abnahme der Brennstoffdichte während der durch die Brennstoffzelle durchgeführten Stromerzeugung. Somit ergibt sich der Befestigungsdruck in einer addierten und kombinierten Weise. Der Befestigungsdruck kann leicht gesteuert werden, indem das für die chemische Reaktion verwendete Medium gekühlt wird. Wenn die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugung gestoppt oder beendet wird und die Temperatur der Brennstoffzelle selbst auf Raumtemperatur zurückkehrt, dann wird der Befestigungsdruck, der durch das Benetzen des Ionenaustauscherharzes hervorgerufen wird, oder der Befestigungsdruck, der durch das Benetzen des Ionenaustauscherharzes und das Ausdehnen des Harzes aufgrund der Änderung der Ionenform hervorgerufen wird, wieder zu dem ursprünglichen Zustand zurückgebracht.
(4) Fall der Verwendung des Füllmittels 83(d), um gemäß der thermischen Zersetzung der Substanz selbst oder einer chemischen Reaktion Gas zu erzeugen (siehe Figur 21)
Wenn das Füllmittel 83d dieses Typs verwendet wird, ist es bevorzugt, die Brennstoffzelle des geschlossenen Typs zu verwenden. Jedoch ist es in einigen Fällen auch bevorzugt, die Brennstoffzelle des Typs anzuwenden, worin die Verbindungslöcher 50, 52 nach dem Zusammenbauen der Brennstoffzelleneinheiten vollständig verschlossen sind. Wenn das Füllmittel 83d verwendet wird, werden die Brennstoffzelleneinheiten und die Separatoren bei Raumtemperatur zusammengebaut, und das Füllmittel 83d wird so ausgewählt, dass die Temperatur von dessen thermischer Zersetzung in dem Bereich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt. Wenn daher die Stromerzeugungswirkung durch die bei Raumtemperatur zusammengebaute Brennstoffzelle erfolgt, wird die Temperatur des Separators oder der Brennstoffzelleneinheit selbst angehoben. Wenn die Temperatur die Temperatur der thermischen Zersetzung des Füllmittels 83d überschreitet, dann nimmt das Volumen zu, und der Druck in dem Separator nimmt zu, um den Befestigungsdruck zu erzeugen. Wenn die thermische Zersetzung abgeschlossen ist, wird der erzeugte Gasdruck wiederholt angehoben oder gesenkt, in Abhängigkeit von der Wärmeerzeugung, die durch den Innenwiderstand der Zelle hervorgerufen wird, einhergehend mit dem Phänomen der Zunahme der Stromdichte während der durch die Brennstoffzelle bewirkten Stromerzeugung. Die Druckänderung erscheint als Änderung im Befestigungsdruck. Wenn die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugung gestoppt oder beendet wird, kehrt die Temperatur der Brennstoffzelleneinheiten zur Raumtemperatur zurück. Während dieses Prozesses sinkt der Druck, um den Befestigungsdruck zu erreichen, entsprechend dem Gasdruck, der entsprechend der Temperaturabnahme absinkt.
(5) Fall der Verwendung des Füllmittels 83e, um gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme Gas zu erzeugen (siehe Figur 22 und 23)
Während der Periode, in der die Brennstoffzelleneinheiten zusammengebaut werden, wird die chemisch reaktive Substanz als das Füllmittel 83e in der Kammer 25 oder der Kammer 204 angeordnet. Nachdem die Brennstoffzelleneinheiten zusammengebaut sind, wird eine Rohrleitung 500 mit dem Verbindungsloch 50 verbunden. Ventile 502, 504 werden in die Rohrleitung 500 eingesetzt. Ein Tank 506 zum Speichern eines Reaktionsmittels B oder von Reaktionsmitteln B+C ... wird mit der Seite des Ventils 504 verbunden. Andererseits wird eine Rohrleitung 508 mit dem Verbindungsloch 52 über ein Ventil 510 verbunden. Eine Vakuumpumpe 512 wird mit der Rohrleitung 508 verbunden.
In dem System, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden zuerst die Brennstoffzelleneinheiten bei Raumtemperatur zusammengebaut. Während dieses Prozesses wird das Füllmittel 83e zum Einleiten der chemischen Reaktion vorab in die Kammer 25 oder die Kammer 204 geladen. In diesem Zustand wird die Vakuumpumpe 512 betrieben, um das in den Brennstoffzelleneinheiten vorhandene Gas zu entlüften und zu entfernen, z.B. das Inertgas zum Speichern der Brennstoffzelleneinheiten (z.B. Stickstoff, Argon und Helium) durch Verwendung der Vakuumpumpe 512. Während ein Zustand reduzierten Drucks in den Brennstoffzelleneinheiten mithilfe der Vakuumpumpe 512 beibehalten wird, werden das Reaktionsmittel B oder die Mittel B+C ... von dem Tank 506 den Brennstoffzelleneinheiten durch Betätigen und Öffnen der Ventile 504, 502 zugeführt.
Wenn die exotherme Reaktion durch die Reaktion stattfindet, die durch das Füllmittel 83 oder die durch den Tank 506 zugeführte Substanz oder Substanzen hervorgerufen wird, steigt die Temperatur vorübergehend an, wie in 23 gezeigt.
Wie oben beschrieben, verbleibt der Gasdruck, der durch die chemische Reaktion erzeugt wird, die durch das Füllmittel 83e und die von dem Tank 506 zugeführte Substanz oder Substanzen hervorgerufen wird, auf einem Gasdruckwert entsprechend dem Gleichgewichtszustand des Reaktionssystems, unabängig von der Zuführmenge der Substanz oder der Substanzen von dem Tank 506, wenn die chemische Reaktion einen reversiblen Gleichgewichtszustand erreichen kann. Daher werden die Brennstoffzelleneineiten bei dem Gasdruckwert zusammengeklemmt.
Wenn andererseits die chemische Reaktion mit dem Füllmittel 83e keinen reversiblen Gleichgewichtszustand hat, wird das Gas in Abhängigkeit von der Lademenge der Substanz oder der Substanzen, die von dem Tank 506 zugeführt werden, erzeugt. Im Ergebnis kann der Innendruck des Separators nach Fertigstellung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der gewählten Substanz oder den gewählten Substanzen vorab ausgewählt werden. Wenn im Falle der Brennstoffzelle, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, die Stromerzeugungswirkung durch die Brennstoffzelle erfolgt, ist der Befestigungsdruck von dem Innenwiderstand abhängig, der sich entsprechend der Zunahme oder Abnahme der aus der Brennstoffzelle erhaltenen Stromdichte verändert. Der Gasdruck erhöht sich und sinkt nämlich in Abhängigkeit von der Änderung des Innenwiderstands.
Wenn die durch die Brennstoffzelle ausgelöste Stromerzeugungswirkung gestoppt oder beendet wird, und die Temperatur der Zelle selbst auf Raumtemperatur zurückkehrt, dann wird auch die Temperatur des Gases in dem Separator zur Raumtemperatur. Dementsprechend wird die Brennstoffzelle in den Zustand des Befestigungsdrucks bei der durch die chemische Reaktion hervorgerufenen Gaserzeugung zurückgebracht.
(6) Fall der Verwendung des Füllmittels 83f, um gemäß der Absorption oder Freigabe von Wärme Gas freizugeben oder zu absorbieren (siehe Figur 23)
In dieser Ausführung wird die der chemischen Reaktion zu unterziehende Substanz während des Zusammenbaus des Separators vorab in die Kammer 25 oder 204 geladen. Nach Abschluss des Zusammenbaus der Brennstoffzelleneinheit wird die Substanz, die mit der zuvor geladenen Substanz reagiert, von dem Tank 506 zugeführt, wie in 23 gezeigt. Während dieser Prozedur wird z.B. das Inertgas zum Speichern der Brennstoffzelleneineiten (z.B. Stickstoff, Argon und Helium), das sich in den Brennstoffzelleneineiten befindet, unter Verwendung der Vakuumpumpe 512 entlüftet und entfernt.
Wenn die Substanz, die mit der zuvor geladenen Substanz reagiert, von dem Tank 506 zugeführt wird, während der druckreduzierte Zustand in den Brennstoffzelleneineiten beibehalten wird, wird die chemische Reaktion mit dem Füllmittel 83e ausgelöst. Wenn die Reaktion eine exotherme Reaktion ist, wird die Temperatur vorübergehend angehoben, wie in 23 gezeigt. Der Gasdruck, der durch die chemische Reaktion erzeugt wird, bleibt auf einem Wert entsprechend dem Gleichgewichtszustand des Reaktionssystems, unabhängig von der Zufuhrmenge der Substanz von dem Tank 506, wie oben beschrieben, wenn die chemische Reaktion einen reversiblen Gleichgewichtszustand erreichen kann.
Wenn andererseits die chemische Reaktion keinen reversiblen Gleichgewichtszustand hat, wird das Gas in Abhängigkeit von der Zufuhrmenge der Substanz erzeugt. Daher kann der Innendruck des Separators nach Abschluss des Zusammenbaus der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Zufuhrmenge der Substanz vorab ausgewählt werden.
Der Befestigungsdruck, der erhalten wird, wenn die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle erfolgt, kann als Änderung in der Wärmeerzeugungsmenge beschrieben werden, der sich durch den Innendruck der Brennstoffzellen einheiten entsprechend der Zunahme oder Abnahme der Stromdichte ergibt. Wenn z.B. die Wärmeerzeugungsmenge groß ist, steigt der Gasdruck, wohingegen der Gasdruck sinkt, wenn die Wärmeerzeugungsmenge klein ist.
Wenn die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugungswirkung gestoppt oder beendet wird, wird die Temperatur der Brennstoffzelleneineiten auf Raumtemperatur zurückgebracht. Im Ergebnis wird auch die Gastemperatur in dem Separator auf Raumtemperatur zurückgebracht. Dementsprechend kehrt die Brennstoffzelle in den Zustand zurück, in dem sie durch die chemische Reaktion auf der Basis des Füllmittels 83e und der von dem Tank 506 zugeführten Substanz ursprünglich erhalten wurde, d.h. dem Zustand des Befestigungsdrucks bei der Gaserzeugung.
(7) Fall der Verwendung des Füllmittels 83g, um in Abhängigkeit von Wärme eine Verlagerung zu bewirken (siehe Figur 24)
In dieser Ausführung wird der Separator bei Raumtemperatur zusammengebaut, und das Metallhydrid wird in der Kammer 25 oder der Kammer 204 angeordnet. Die Zersetzungstemperatur des Metallhydrids liegt im Betriebsbereich der Brennstoffzelle. Daher ist es auch bevorzugt, Kombinationen einer Mehrzahl von Metallhydriden in Betracht zu ziehen. Jedoch wird in dieser Ausführung ein einzelnes Metallhydrid verwendet.
Wenn während des Zusammenbauprozesses der Brennstoffzelle die Temperatur jene Temperatur überschreitet, in der das Metallhydrid Wasserstoff freigibt, beginnt das Füllmittel 83g damit, Wasserstoffgas freizugeben. Dementsprechend steigt der Druck in dem Separator und daher wird der Befestigungsdruck erzeugt. Wenn die Freigabe des Wasserstoffgases abgeschlossen ist, steigt oder sinkt der Druck auf der Basis des Wasserstoffgases in Abhängigkeit von der Wärmeerzeugung, die durch den Innenwiderstand der Zelle entsprechend der Zunahme oder Abnahme der Stromdichte während der durch die Brennstoffzelle bewirkten Stromerzeugung hervorgerufen wird. Daher erscheint die Druckänderung als der Befestigungsdruck der Brennstoffzelleneineiten, der sich durch das Wasserstoffgas ergibt.
Wenn die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugungswirkung vorübergehend gestoppt oder beendet wird, sinkt die Temperatur der Zelle während des Prozesses zur Rückkehr zur Raumtemperatur, und das Metallhydrid beginnt, den freigesetzten Wasserstoff zu absorbieren. Daher sinkt der Druck des Wasserstoffgases, und der Befestigungsdruck nimmt ebenfalls ab. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelleneinheiten zur Raumtemperatur zurückkehrt, zeigt der Befestigungsdruck den gleichen Wert wie jenen, der beim fertigen Zusammenbau der Brennstoffzelleneineiten erhalten wird.
Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, das Füllmittel 83h zu verwenden, das in Abhängigkeit von Wärme eine Verformung durchführt.
In dieser Ausführung werden zuerst die Brennstoffzelleneinheiten bei Raumtemperatur zusammengebaut. In dieser Prozedur wird der erste Separator 16 oder der dritte Separator 152 unter Verwendung der Formgedächtnislegierung selbst aufgebaut. Die Formgedächtnislegierung wird so ausgewählt, dass deren Betriebstemperatur zwischen der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und der Raumtemperatur liegt. In dieser Prozedur kann die Formgedächtnislegierung irgendeine einer Formgedächtnislegierung sein, die ihre Form in einer Richtung ändern kann, und einer Formgedächtnislegierung, die ihre Form in zwei Richtungen ändern kann.
In dem System, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden der Wärmeaustauscher zur Temperatursteuerung, der Kühlmitteltank und die Umwälzpumpe jeweils mit den Verbindungslöchern 50, 52 in der gleichen Weise verbunden, wie in 18 dargestellt, um die Temperatursteuercharakteristiken zu verbessern. Wenn im Falle der Verwendung der Formgedächtnislegierung, die den Eine-Richtungs-Effekt hervorruft, die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die Betriebstemperatur der Formgedächtnislegierung überschreitet, verlagern sich der erste Separator 16 und der dritte Separator 152, um den Befestigungsdruck zu erhöhen. Auch wenn die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugungswirkung gestoppt oder beendet und die Temperatur der Zelle zur Raumtemper atur zurückkehrt, dann setzt aufgrund des Eine-Richtungs-Effekts ein Zustand fort, in dem der Befestigungsdruck noch immer beibehalten wird.
Wenn andererseits im Falle einer Kombination eine Mehrzahl von Formgedächtnislegierungen auf der Basis des Zwei-Richtungs-Effekts, die Brennstoffzelleneineiten einer vorbestimmten Temperatur unterliegen, sodass die Betriebstemperaturen der jeweiligen Formgedächtnislegierungen überschritten werden, dann verformen sich die jeweiligen Formgedächtnismetalle, die in der Brennstoffzelle angeordnet sind, nacheinander, und der Befestigungsdruck wird stufenweise erhöht. Während des Prozesses, in dem die durch die Brennstoffzelle bewirkte Stromerzeugungswirkung gestoppt oder beendet wird, oder die Temperatur der Zelle wiederhergestellt wird, sinkt der Befestigungsdruck stufenweise aufgrund des Zwei-Richtungs-Effekts (siehe 25).
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Gemäß der Brennstoffzelle und dem Befestigungsverfahren dafür, werden im Hinblick auf die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffzelle an der Innenseite des Separators oder der Befestigungsdruckerzeugungsplatte mit einem expandierbaren oder kontraktierbaren Füllmittel, der Substanz zum Einleiten der chemischen Reaktion oder der Substanz zur Durchführung einer Verformung durch sich selbst infolge von Wärme ausgestattet, wodurch die Brennstoffzelleneineiten nach Abschluss der Montage oder während des Betriebs derselben befestigt werden. Daher wird der Befestigungsdruck auf die Brennstoffzelleneinheiten ausgemittelt, und die erhaltene Ausgangsleistung ist im Wesentlichen angenähert die gleiche. Es wird nämlich ein Effekt darin erhalten, dass es keine Verteilung im Kontaktwiderstand oder dgl. im Hinblick auf die Ionenleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit gibt, was es möglich macht, die Ausgangsleistung in stabiler Weise abzunehmen.
Ferner kann durch Verwendung der extrem einfachen Struktur der Befestigungsdruck gleichmäßig erhalten werden. Daher ist es möglich, einen inhärenten Effekt zu erhalten, dass die Brennstoffzelle kostengünstig hergestellt werden kann.

Claims

Brennstoffzelle (10), umfassend eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte (62a) und eine Kathodenelektrodenplatte (62b), einen Separator (14) oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte, der bzw. die an einer vorbestimmten Position eingesetzt ist, enthalten, gekennzeichnet durch eine Kammer (25), die an der Innenseite des Separators oder der Befestigungsdruckaufnahmeplatte definiert ist, und ein in der Kammer vorgesehenes Füllmittel (83), wobei das Füllmittel entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme expandierbar oder kontrahierbar ist, worin der Separator (14) oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte (62a) und der Kathodenelektrodenplatte (62b) als Folge der durch das Füllmittel (83) bewirkten Absorption oder Freigabe von Wärme verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, worin das Füllmittel (83), das entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme expandierbar oder kontrahierbar ist, einen Siedepunkt bei einer Temperatur nicht höher als einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle hat.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 2, worin das Füllmittel (83) aus einer Substanz zusammengesetzt ist, die mit den Bauteilen der Brennstoffzelle nicht reaktiv ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 3, worin das Füllmittel (83) aus einer anorganischen Verbindung oder einer organischen Verbindung zusammengesetzt ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 4, worin die anorganische Verbindung oder die organische Verbindung eine der folgenden Verbindungen oder eine geeignete Kombination davon aufweist: anorganische Verbindungen: Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid (einschließlich Trockeneis), Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon, Radon, Xenon, Krypton und Sauerstoff; organische Verbindungen: Alkohole: Methanol, Ethanol und Isopropanol; Aldehyde/Ketone: Acetaldehyd, Aceton, Ethylmethylketon und Formaldehyd; Ether: Ethylpropylether, Ethylmethylether, Diethylether, Dimethylether und die Düsopropylether; gesättigte Kohlenwasserstoffe: Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Isopentan, Hexan und Isohexan; cyclische Verbindungen: Cyclobutan, Cyclopropan, Cyclohexan, Cyclopentan, Hexafluorbenzol und Perfluocyclohexan; Ester: Methylformat, Ethylformat, Methylacetat, Ethylacetat und Vinylacetat.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein in der Kammer (25) vorgesehenes zweites Füllmittel aufweist, wobei das zweite Füllmittel entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme verformbar ist, worin der Separator (14) oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte (62a) und der Kathodenelektrodenplatte (62b) hin als Folge der Verformung des zweiten Füllmittels verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 6, worin die Kammer (25) mit einem Strömungsdurchgangsraum (24) für ein Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheiten in Verbindung steht, und das zweite Füllmittel, welches entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme verformbar ist, ebenfalls in dem Strömungsdurchgangsraum für das Kühlmedium angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 6 oder 7, worin das zweite Füllmittel, welches gemäß einer Absorption oder Freigabe von Wärme verformbar ist, eine Formgedächtnislegierung mit einem Memoryeffekt ist, um die Verformung in einer Richtung oder in zwei Richtungen zu bewirken.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wirn das zweite Füllmittel eine schraubenfederförmige Konfiguration oder eine zufallsschraubenförmige Konfiguration hat.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, worin das zweite Füllmittel eine Legierung von Nickel und Titan oder eine Legierung von Kupfer, Zink und Aluminium ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 6 oder 7, worin das zweite Füllmittel, welches entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme verformbar ist, ein Formgedächtnisharz ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 11, worin das Harz aus einem oder einer Kombination von Polynorbornenharz, einer Polymerlegierung, die eine Hauptkomponente von Polyester enthält, Urethanelastomer und Transpolyisopren-quervernetztem Harz zusammengesetzt ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein weiteres in der Kammer (25) vorgesehenes Füllmittel aufweist, wobei das weitere Füllmittel entsprechend einer chemischen Reaktion expandierbar oder kontrahierbar ist, worin der Separator (14) oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrodenplatte (62a) und der Kathodenelektrodenplatte (62b) als Folge der Expansion oder Kontraktion des weiteren Füllmittels verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 13, worin das weitere Füllmittel aus einem Kationenaustauscherharz, einem Anionenaustauscherharz oder einem Gemisch . von Kationen- und Anionenaustauscherharz zusammengesetzt ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 14, worin das Kationenaustauscherharz eine von Rückgratstrukturen enthält, die ausgewählt sind aus einem Styrolsystem, einem Methacrylsystem, einem Acrylsystem, einem Teflonsystem und einem Pyridinsystem, und eine von funktionellen Gruppen, die aus einer Sulfonsäuregruppe, einer Carboxylsäuregruppe, einer Aminophosphorsäuregruppe, einer Pyridingruppe, einer Dithiocarbaminsäuregruppe, einer Iminodiessigsäuregruppe und einer Aminocarboxylsäuregruppe ausgewählt ist, und wobei das Anionenaustauscherharz eine von Rückgratstrukturen aufweist, die aus einem Styrolsystem, einem Methacrylsystem, einem Acrylsystem, einem Phenolsystem und einem Teflonsystem ausgewählt ist, sowie eine von funktionellen Gruppen, die aus einer quarternären Ammoniumbase, einer sekundären Aminogruppe, einer tertiären Aminogruppe und einer Polyamingruppe ausgewählt ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 13, worin das weitere Füllmittel ein wasserabsorptives Gel oder ein wasserabsorptives Harz ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 16, worin das weitere Füllmittel Acrylsäure, Vinylalkoholcopolymer oder Natriumacrylatpolymer ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 13, worin das weitere Füllmittel ein Seifentonmineral oder Polyamid oder ein Gemisch von Seifentonmineral und Polyamid ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 18, worin das weitere Füllmittel mit irgendeiner einer anorganischen Verbindung, einer organischen Verbindung und einer aromatischen Verbindung imprägniert ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 19, worin die anorganische Verbindung, die organische Verbindung oder die aromatische Verbindung eine der folgenden Verbindungen oder eine geeignete Kombination davon aufweist: anorganische Verbindungen: Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid (einschließlich Trockeneis), Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon, Radon, Xenon, Krypton und Sauerstoff; organische Verbindungen: Alkohole: Methanol, Ethanol, und Isopropanol; Aldehyde/Ketone: Acetaldehyd, Aceton, Ethylmethylketon und Formaldehyd; Ether: Ethylpropylether, Ethylmethylether, Diethylether, Dimethylether und Düsopropylether: gesättigte Kohlenwasserstoffe: Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Isopentan, Hexan und Isohexan; cyclische Verbindungen: Cyclobutan, Cyclopropan, Cyclohexan, Cyclopentan, Hexafluorbenzol und Perfluorcyclohexan; Ester: Methylformat, Ethylformat, Methylacetat, Ethylacetat und Vinylacetat; aromatische Verbindung: Benzol und Toluol.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 13, worin das weitere Füllmittel eines oder ein Gemisch einer beliebigen Kombination eines Ionenaustauscherharzes, eines wasserabsorptiven Gels, eines wasserabsorptiven Harzes, eines Seifentonminerals und Polyamids ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 21, worin das Ionenaustauscherharz zum Herstellen des weiteren Füllmittels eines von Kationenaustauscherharz und von Anionenaustauscherharz ist; worin das Kationenaustauscherharz eine von Rückgratstrukturen enthält, die ausgewählt ist aus einem Styrolsystem, einem Methacrylsystem, einem Acrylsystem, einem Teflonsystem und einem Pyridinsystem, sowie eine von funktionellen Gruppen, die aus einer Sulfonsäuregruppe, einer Carboxylsäuregruppe, einer Aminophosphorsäuregruppe, einer Pyridingruppe, einer Dithiocarbaminsäuregruppe; einer Iminoessigsäuregruppe und einer Aminocarboxylsäuregruppe ausgewählt ist, und wobei das Anionenaustauscherharz eine der Rückgratstrukturen aufweist, die aus einem Styrolsystem, einem Methacrylsystem, einem Acrylsystem, einem Phenolsystem und einem Teflonsystem ausgewählt ist, sowie eine von funktionellen Gruppen, die aus einer quarternären Ammoniumbase, einer sekundären Aminogruppe, einer tertiären Aminogruppe und einer Polyamingruppe ausgewählt ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein erstes weiteres Füllmittel, das in der Lage ist, eine thermische Zersetzung entsprechend der Absorption oder Freigabe von Wärme hervorzurufen, oder ein zweites weiteres Füllmittel aufweist, das in der Kammer (25) vorgesehen ist, wobei das zweite weitere Füllmittel in der Lage ist, gemäß einer chemischen Reaktion Gas zu erzeugen, worin ein Volumen der Kammer durch die thermische Zersetzung oder Produktion von Gas erweitert wird, und der Separator (14) oder die Befestigungskrafterzeugungsplatte in zumindest einer von Richtungen zu der Anodenelektrode (62a) und der Kathodenelektrodenplatte (62b) hin verlagert wird, sodass die auf die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungskraft vergrößert oder verkleinert wird.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 23, worin das Volumen der Kammer (25) entsprechend der thermischen Zersetzung in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf der Basis einer physikalischen Eigenschaft des ersten weiteren Füllmittels selbst verändert wird.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 23 oder 24, worin das zweite weitere Füllmittel ein Gas erzeugt, das einen Siedepunkt bei einer Temperatur unterhalb einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aufweist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 23 bis 25, worin das erste weitere und das zweite weitere Füllmittel eines oder eine beliebige Kombination von Metall, Metalloxid, Metallhydrid, Metallcarbid, Metallnitrid, Metallchlorid, Carbonat, Ammoniumsalz, Nitrit, Amid, schwach saures Salz, Säure, Alkali, Oxidationsmittel und Wasser sind.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 23 bis 26, worin das erzeugte Gas Wasserstoffgas ist, und wobei das Wasserstoffgas aus einem von Sätzen oder einer beliebigen Konfiguration von Sätzen von Metall und Säure, Metall und Base, Metall und Wasser, Metall und Alkohol sowie Metallhydrid und Wasser erzeugt wird.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 27, worin die Sätze von Metall und Säure, Metall und Base, Metall und Wasser, Metall und Alkohol sowie Metallhydrid und Wasser die folgenden Verbindungen enthalten: Metall und Säure: Zink oder Übergangsmetall und Chlorwasserstoffsäure, sowie Erdalkalimetall und Säure; Metall und Base: Aluminium oder Silicium und Natriumhydroxid sowie Alkalimetall und Ammoniak; Metall und Wasser: Alkalimetall oder Erdalkalimetall und Wasser; Metall und Alkohol: Alkalimetall oder Erdalkalimetall und Alkohol; Metallhydrid und Wasser: Lithiumhydrid oder Hydrid von Erdalkalimetall und Wasser, sowie Natriumborhydrid oder Natriumaluminiumhydrid und Wasser.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 26, worin das erzeugte Gas Stickstoffgas ist und das Stickstoffgas erhalten wird aus einer Kombination von Substanzen oder einer Einzelsubstanz zur Herstellung des Stickstoffgases oder einer thermischen Zersetzung von Ammoniumnitrit.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 26, worin das erzeugte Gas Kohlendioxidgas ist; wobei das Kohlendioxidgas erhalten wird aus irgendeiner Kombination von Substanzen oder einer Einzelsubstanz zur Herstellung des Kohlendioxidgases, Carbonat und Säure, thermische Zersetzung von Natriumhydrogencarbonat, thermische Zersetzung von Carbonat sowie Carbonat und Metalloxid; wobei das Carbonat und die Säure Calciumcarbonat und Chlorwasserstoffsäure sind; wobei die thermische Zersetzung des Carbonats eine thermische Zersetzung von Magnesiumcarbonat ist; und wobei das Carbonat und das Metalloxid in einer eutektischen Reaktion von Siliciumoxid und Natriumcarbonat residieren.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 26, worin: das erzeugte Gas Ammoniakgas ist, wobei das Ammoniakgas erhalten wird aus irgendeiner Kombination von Substanzen oder einer Einzelsubstanz zur Herstellung des Ammoniakgases, Ammoniumsalz und Base, Metallnitrid und Wasser, Amid und Wasser und thermische Zersetzung von Ammoniumsalz; wobei das Ammoniumsalz und die Base Ammoniumchlorid und Calciumhydroxid sind; wobei das Metallhydrid und Wasser Magnesiumnitrid oder Calciumnitrid und Wasser sind; wobei das Amid und das Wasser Natriumamid und Wasser sind; und wobei die thermische Zersetzung des Ammoniumsalzes eine thermische Zersetzung von Ammoniumcarbonat ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 26, worin das erzeugte Gas Sauerstoffgas ist; wobei das Sauerstoffgas erhalten wird aus einer Kombination von Substanzen oder einer Einzelsubstanz zur Herstellung des Sauerstoffgases, Metalloxid und Oxidationsmittel, Salz und Oxidationsmittel, Zersetzung von Oxidationsmittel, Zersetzung von Metalloxid und Zersetzung von Salz; wobei das Metalloxid und das Oxidationsmittel eines von Silberoxid oder Bleioxid und Wasserstoffperoxid, Bleioxid und Schwefelsäure, Kaliumpermanganat und Wasserstoffperoxid, Kaliumpermanganat, Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure sowie Mangandioxid, Waserstoffperoxid und Schwefelsäure sind; wobei das Salz und das Oxidationsmittel Bleichpulver und Wasserstoffperoxid sind; wobei die Zersetzung des Oxidationsmittels die Zersetzung von Wasserstoffperoxid ist; wobei die Zersetzung des Metalloxids eine thermische Zersetzung von Kupferoxid oder Silberoxid ist; und wobei die Zersetzung des Salzes eine thermische Zersetzung von Kaliumchlorat ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 26, worin eines oder beide der ersten weiteren und zweiten weiteren Füllmittel Wasser sind, wobei die Substanz zur Herstellung von Wasser eine Kombination der folgenden Substanzen oder eine Einzelsubstanz ist: normale Borsäure im Falle der Zersetzung von Säure; Phosphonsäure im Falle der Zersetzung von Salz; Verdunstung von Kristallisationswasser im Falle von Kristallisationswasser enthaltendem Salz; Neutralisationsreaktion mit Säure oder Base im Falle der chemischen Reaktion zwischen einer Mehrzahl von Substanzen zur Wassererzeugung; und Siliciumdioxid und Natriumhydroxid im Falle von Oxid und Salz.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 25, worin das zweite weitere Füllmittel einer Temperatursteuerung/regelung in dem folgenden Temperaturbereich unterzogen wird, um Wasserstoffgas freizusetzen, erzeugt durch Metallhydrid, das für die Brennstoffzelle verwendet wird: Brennstoffzelle vom Festpolymeroxidtyp: nicht mehr als etwa 120 °C; direkte Methanol/Luft-Brennstoffzelle: nicht mehr als etwa 100 °C; Brennstoffzelle vom Alkalielektrolyttyp: nicht mehr als etwa 100 °C; Brennstoffzelle vom Phosphonsäuretyp: nicht mehr als etwa 200 °C; Brennstoffzelle vom Carbonatschmelzentyp: nicht mehr als etwa 650 °C; und Brennstoffzelle vom Festoxidtyp: nicht mehr als etwa 1000 °C.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kammer ein Kühlraum (24) ist, der zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit selbst verwendet wird, wobei die Brennstoffzelle ferner ein zusätzliches Füllmittel aufweist, das mithilfe eines in dem Kühlraum angeordneten Kühlmittels expandierbar ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 35, worin das Kühlmittel Wasser, Alkohol oder eine Mischflüssigkeit von Wasser und Alkohol ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 35 oder 36, worin das zusätzliche Füllmittel ein Ionenaustauscherharz oder ein wasserabsorptives Polymer ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 35 bis 37, worin der Separator (14) aus einem porösen Element aufgebaut ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 38, worin das poröse Element aus Carbonfaser aufgebaut ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 35 bis 39, worin das dem zusätzlichen Füllmittel zugeführte Kühlmittel eine Mischlösung von Wasser und Methanol ist.
Verfahren zum Befestigen einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten aufweist, die jeweils eine Anodenelektrodenplatte, eine Kathodenelektrodenplatte und einen Separator oder eine Befestigungsdruckerzeugungsplatte aufweisen, die an einer vorbestimmten Position in der Brennstoffzelle angeordnet ist, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist: Kühlen eines der Bauelemente der Brennstoffzelle, um eine Temperatur unterhalb eines Siedepunkts eines Füllmittels zu erreichen, das in dem Separator oder der Befestigungsdruckerzeugungsplatte vorgesehen ist; Stapeln der Brennstoffzelleneinheiten, während die Bauelemente gekühlt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zusammenzusetzen; Erhitzen der zusammengebauten Brennstoffzelle, um eine Temperatur nicht niedriger als der Siedepunkt des Füllmittels zu erreichen; und Befestigen der Brennstoffzelleneinheit mithilfe thermischer Ausdehnung des Füllmittels.
Verfahren nach Anspruch 41, worin das Bauelement der Brennstoffzelle, das zu kühlen ist, um die Temperatur unterhalb des Siedepunkts des Füllmittels zu erreichen, eines der Anodenelektrodenplatte und der Kathodenelektrodenplatte oder sowohl die Anodenelektrodenplatte und die Kathodenelektrodenplatte ist.
Verfahren nach Anspruch 42, worin die Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle vom Festpolymeroxidtyp ist, und wobei das Bauelement der Brennstoffzelle, das zu kühlen ist, um die Temperatur unterhalb des Siedepunkts des Füllmittels zu erreichen, die Anodenelektrodenplatte, die Kathodenelektrodenplatte sowie ein zwischen den zwei Elektrodenplatten angeordnetes Festpolymeroxid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 43, worin die Temperatur, die nicht niedriger als der Siedepunkt des Füllmittelsist ist, die Raumtemperatur in einem Raum ist, in dem die Brennstoffzelle zusammengebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 44, worin der auf die Brennstoffzelleneinheiten ausgeübte Befestigungsdruck in Abhängigkeit von der durch die thermische Ausdehnung des Füllmittels verursachte Zunahme oder Abnahme des Drucks verändert wird, resultierend aus einer Änderung des Innenwiderstands der Brennstoffzelleneinheiten, die entsprechend einer Zunahme oder Abnahme in der Stromdichte hervorgerufen wird, die während der durch die Brennstoffzelle bewirkten Stromerzeugung auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 45, das ferner die Schritte umfasst: Absorbieren oder Freigeben von Wärme durch ein weiteres Füllmittel, das in dem Separator oder der Befestigungsdruckerzeugungsplatte vorgesehen ist; und Befestigen der Brennstoffzelleneinheiten unter der Wirkung des weiteren Füllmittels, das sich während der Absorption oder Freigabe von Wärme verformt.
Verfahren nach Anspruch 46, worin das weitere Füllmittel die Wärme absorbiert oder freigibt, um sich selbst zu verformen, sodass sich ein Volumen um das weitere Füllmittel herum verändert, wodurch die Brennstoffzelleneinheiten entsprechend der Volumenänderung befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 47, worin das weitere Füllmittel eine Formgedächtnislegierung oder ein Formgedächtnisharz ist.
Verfahren zum Befestigen einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 41 bis 48, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Einleiten einer chemischen Reaktion durch ein anderes Füllmittel, das in dem Separator oder der Befestigungsdruckerzeugungsplatte vorgesehen ist; und Expandieren oder Kontrahieren des anderen Füllmittels entsprechend der chemischen Reaktion, um die Brennstoffzelleneinheiten zu befestigen.
Verfahren nach Anspruch 49, worin das andere Füllmittel, das eine Expansion oder Kontraktion entsprechend der chemischen Reaktion durchführt, eines oder eine beliebige Kombination von Kationenaustauscherharz, Anionenaustauscherharz, wasserabsorptivem Gel, wasserabsorptivem Harz, Seifentonmineral und Polyamid ist.
Verfahren zum Befestigen einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 41 bis 50, worin das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Herstellen von Gas durch eine chemische Reaktion oder thermische Zersetzung bei einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, die durch ein zusätzliches Füllmittel von selbst erzeugt wird, das in dem Separator oder in der Befestigungsdruckerzeugungsplatte vorgesehen ist; und Befestigen der Brennstoffzelleneinheiten mithilfe vom Druck des Gases.
Verfahren nach Anspruch 51, worin das zusätzliche Füllmittel eines oder eine beliebige Kombination von Metall, Metalloxid, Metallhydrid, Metallcarbid, Metallnitrid, Metallchlorid, Carbonat, Ammoniumsalz, Nitrit, Amid, schwach saurem Salz, Säure, Alkali, Oxidationsmittel und Wasser ist.
Verfahren zum Befestigen einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 41 bis 52, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Erzeugen oder Absorbieren von Gas entsprechend einer Absorption oder Freigabe von Wärme, die durch ein Extrafüllmittel erzeugt wird, das in dem Separator oder Befestigungsdruckerzeugungsplatte vorgesehen ist; und Ändern eines Volumens in der Nähe des Extrafüllmittels entsprechend der Herstellung oder Absorption von Gas, sodass die Brennstoffzelleneinheiten befestigt werden.