DE112006000324B4

DE112006000324B4 - Brennstoffzellen-Baugruppe, Brennstoffzellenmodul und Brennstoffzelleneinrichtung

Info

Publication number: DE112006000324B4
Application number: DE112006000324T
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Nakanishi; Shigeaki Murata; Masahiro Imanishi; Yoshihisa Tamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2026-02-04
Also published as: CA2596855C; DE112006000324T5; US20080152984A1; US8658228B2; JP4957545B2; CN101116216A; CN101116216B; WO2006083035A1; CA2596855A1; JPWO2006083035A1

Abstract

Brennstoffzellen-Baugruppe (71; 72) umfassend: eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A), die parallel zueinander in einer vorgegebenen Richtung Y angeordnet sind; und einen ersten Stromkollektor (35), wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) durch den ersten Stromkollektor (35) in der Richtung Y verwoben ist, welche die axiale Richtung X der röhrenförmigen Brennstoffzellen jeweils kreuzt.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellen-Baugruppe, welche eine Mehrzahl röhrenförmiger Brennstoffzellen umfasst, ein Brennstoffzellenmodul, das eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen umfasst, und eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche eine Mehrzahl der Brennstoffzellenmodule umfasst. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Brennstoffzellen-Baugruppe, welche eine Mehrzahl röhrenförmiger Brennstoffzellen umfasst und dazu fähig ist, eine Stromsammeleffizienz zu verbessern, ein Brennstoffzellenmodul, das eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen umfasst, und auf eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche eine Mehrzahl der Brennstoffzellenmodule umfasst.
Verwandter Stand der Technik
In einer herkömmlichen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle (hiernach als „PEFC” bezeichnet) wird durch eine elektrochemische Reaktion erzeugte elektrische Energie, die in einer Membran-Elektroden-Baugruppe (hiernach als „MEA” bezeichnet) hergestellt wird, welche eine Plattenelektrolytmembran und jeweils auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordnete Elektroden (eine Kathode und eine Anode) umfasst, zu einer Außenseite der PEFC über auf beiden Seiten der MEA angeordneten Separatoren entnommen. Diese PEFC kann in einem niedrigen Temperaturbereich betrieben werden und wird im Allgemeinen bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C bis 100°C verwendet. Darüber hinaus wird aufgrund von hoher Energieumwandlungseffizienz von 30% bis 40%, kurzer Anlaufzeit und kleiner Größe und gleichgewichtigem System von der PEFC erwartet, als eine optimale Energiequelle für ein Batterieauto oder eine tragbare Energieversorgung zu dienen.
Indessen umfasst eine Brennstoffzelle einer herkömmlichen PEFC solche aufbauenden Elemente wie eine Elektrolytmembran, eine Kathode und eine Anode, welche jeweils eine Katalysatorschicht umfassen, und einen Separator, und ihre theoretische elektromotorische Kraft ist 1,23 Volt. Eine solche niedrige elektromotorische Kraft ist als Energiequelle eines Batterieautos oder dergleichen unzureichend. Aufgrund dessen wird normaler Weise eine Stapelbrennstoffzelle, welche durch Anordnen von Endplatten oder dergleichen auf beiden Enden eines laminierten Körpers konfiguriert ist, in welchem Einheitszellen in Reihe in einer Laminationsrichtung laminiert werden, als Energiequelle verwendet. Es ist jedoch bevorzugt, eine Einheitszelle zu verkleinern und eine elektrische Energie erzeugende Reaktionsfläche (Ausgangsdichte) pro Einheitsfläche zu erhöhen, um die elektrische Energieerzeugungseffizienz der PEFC (hiernach manchmal einfach als „Brennstoffzelle” bezeichnet) zu verbessern.
Um die Ausgangsdichte der herkömmlichen Plattenbrennstoffzelle (hiernach manchmal als „Platten-FC” bezeichnet) pro Einheitsfläche zu erhöhen und die elektrische Energieerzeugungseffizienz davon zu verbessern, ist es notwendig, die vorstehenden aufbauenden Elemente der Platten-FC dünner zu machen. Wenn jedoch die Dicke der aufbauenden Elemente der Platten-FC gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Dicke festgesetzt wird, können Funktionen, Festigkeiten und dergleichen der entsprechenden aufbauenden Elemente möglicher Weise verringert werden. Aus diesem Grund ist es strukturell schwierig, die Ausgangsdichte der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Brennstoffzelle pro Einheitsfläche zu erhöhen, so dass diese gleich oder höher als eine gewisse Dichte ist.
Von diesen Standpunkten aus wurden in jüngster Zeit Studien über eine röhrenförmige Brennstoffzelle (hiernach manchmal als „röhrenförmige FC” bezeichnet) durchgeführt. Eine Einheitszelle der röhrenförmigen FC umfasst eine hohlförmige MEA (hiernach manchmal als „hohle MEA” bezeichnet), die eine hohle Elektrolytschicht und hohle Elektrodenschichten umfasst, die jeweils im Inneren und außerhalb der hohlen Elektrolytschicht angeordnet sind. Eine elektrochemische Reaktion wird durch Zuführen von Reaktionsgasen (ein auf Wasserstoff beruhendes Gas und ein auf Sauerstoff beruhendes Gas) zu der Innenseite und Außenseite der hohlen MEA jeweils hergestellt und durch die elektrochemische Reaktion erzeugte elektrische Energie wird zur Außenseite über Stromkollektoren entnommen, die auf der Innenseite und Außenseite der hohlen MEA angeordnet sind. Die röhrenförmige FC erleichtert nämlich das Entnehmen der elektrischen Energie durch Zuführen eines der Reaktionsgase (des auf Wasserstoff beruhenden Gases oder auf Sauerstoff beruhenden Gases) zu der Innenseite der hohlen MEA, die in jeder röhrenförmigen FC-Zelle enthalten ist, und des anderen Reaktionsgases (des auf Sauerstoff beruhenden Gases oder auf Wasserstoff beruhenden Gases) zu der Außenseite der hohlen MEA. Wie ersehen werden kann, ist es durch Zuführen eines gleichen Reaktionsgases zur Außenseitenoberfläche von zwei angrenzenden röhrenförmigen FC-Zellen in der röhrenförmigen FC möglich, auf Separatoren zu verzichten, die ein Gas abschirmendes Leistungsverhalten in der herkömmlichen Platten-FC aufweisen. Demzufolge ermöglicht die röhrenförmige FC effizient das Verkleinern der Einheitszellen.
Um andererseits das Energieerzeugungs-Leistungsverhalten der röhrenförmigen FC weiter zu verbessern, ist es bevorzugt, die Effizienz (Stromsammeleffizienz) zum Entnehmen der elektrischen Energie zu der Außenseite zu verbessern, die in jeder röhrenförmigen FC-Zelle erzeugt wurde. Solche Verbesserung der Stromsammeleffizienz kann erreicht werden durch solche Einrichtungen wie eine zum Kontaktieren eines Stromkollektors mit einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen.
Verschiedene Techniken, die zum Verbessern der Stromsammeleffizienz der röhrenförmigen FC gedacht sind, wurden bislang offenbart. Zum Beispiel offenbart die offen gelegte japanische Patentanmeldung JP 2004-288542 A eine Technik, welche sich auf ein Brennstoffzellensystem bezieht, das eine Zellenbaugruppe umfasst, welche durch Verbinden einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen eine an die andere über Zellenverbindungs-Leiterelemente und ein Elektrodenverbindungs-Leiterelement verbunden sind, die mit der Zellenanordnung verbunden sind. Mit der darin offenbarten Technik wird die Verbindung zwischen den Zellenverbindungs-Leiterelementen und dem Elektrodenverbindungs-Leiterelement, welche jeweils eine Stromsammelfähigkeit umfassen, aufrecht erhalten, so dass eine Brennstoffzelle mit einem stabilen elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsverhalten bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus offenbart JP 08-162142 A eine Technik, die sich auf eine Feststoff-PEFC bezieht, welche eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen und eine Scheidewand umfassen. Mit der darin offenbarten Technik kann eine Feststoff-PEFC mit einem verbesserten elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsverhalten bereitgestellt werden.
Die in JP 2004-288542 A offenbarte Technik weist jedoch das folgende Problem auf. Da die Zellenbaugruppe mit dem Elektrodenverbindungs-Leiterelement über die Zellenverbindungs-Leiterelemente und die entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen verbunden werden kann, wird der Verbindungswiderstand möglicher Weise erhöht und die Stromsammeleffizienz möglicherweise verschlechtert. Ferner weist die in JP 08-162142 A offenbarte Technik das Problem auf, dass die Stromsammeleffizienz schwierig zu verbessern ist.
Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen-Baugruppe, welche eine Mehrzahl röhrenförmiger Brennstoffzellen umfasst und dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz zu verbessern, ein Brennstoffzellenmodul, das eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen umfasst, sowie eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche eine Mehrzahl der Brennstoffzellenmodule umfasst, zur Verfügung zu stellen.
JP 2004-335277 A beschreibt eine Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Elektroden-Elektrolyt-Rohren in paralleler Anordnung eingebettet in ein korrespondierendes Gegenelektrodenmaterial umfasst, wobei die Rohre mittels einer Ladungsabnehmerplatte verbunden sind.
JP 63-178459 A beschreibt eine Brennstoffzelle mit einer Zuführung aus Ni oder Ag, um Zellen elektrisch zu verbinden oder um die Ladung nach Außen abzunehmen. Ein Edelmetall wie Pt oder Ag wird zum Befestigen zu dem Kontaktbereich der Zuführung angewendet.
EP 0264688 B1 beschreibt eine Mehrzahl von parallel ausgerichteten röhrenförmigen Brennstoffzellen und eine Vielzahl leitfähiger Anordnungszwischenverbinder, die jeweils individuell eine Schleife um ein Paar benachbarter Brennstoffzellen bildet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Um die Probleme zu lösen, nimmt die vorliegende Erfindung die folgenden Maßnahmen vor. Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Diese umfasst eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen, die parallel angeordnet sind, und einen ersten Stromkollektor, wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen durch den ersten Stromkollektor in einer Richtung verwoben sind, welche eine axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzelle in einer Draufsicht kreuzen.
Hier bedeutet „parallel angeordnet”, dass axiale Richtungen eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen parallel zueinander stehen, und dass die entsprechenden röhrenförmigen Brennstoffzellen in einer Richtung nahezu im rechten Winkel zu der axialen Richtung angeordnet sind. Wenn eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen parallel angeordnet ist, kann eine geschichtete röhrenförmige Brennstoffzellen-Baugruppe (hiernach ebenso als „FC-Zellenschicht” bezeichnet) gebildet werden. Die Anzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen ist nicht auf eine spezielle Anzahl begrenzt, solange die Anzahl zwei oder mehr ist, und eine geeignete Anzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen kann angesichts der Ausgangsdichte, der Produktivität und dergleichen des Brennstoffzellenmoduls gebildet werden. Der „erste Stromkollektor” bedeutet einen kreuzend gerichteten Stromkollektor, der Ladungen in der kreuzenden Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzellen sammelt. Ferner bedeutet „verwoben in einer Richtung, welche eine axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzelle in einer Draufsicht kreuzt”, dass eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen integral durch den ersten Stromkollektor durch Ausbreiten des ersten Stromkollektors in der kreuzenden Richtung der parallel angeordneten röhrenförmigen Brennstoffzellen befestigt werden kann.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Brennstoffzellen-Baugruppe ferner einen zweiten Stromkollektor gemäß Anspruch 2 umfassen. Der zweite Stromkollektor ist parallel zu der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet, wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen und der zweite Stromkollektor durch den ersten Stromkollektor in der Richtung, welche die axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzellen in der Draufsicht kreuzt, verwoben sein kann.
Hier bedeutet „die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen und der zweite Stromkollektor sind durch den ersten Stromkollektor in der Richtung, welche die axiale Richtung der röhrenförmigen Brennstoffzellen in der Draufsicht kreuzt, verwoben”, dass der zweite Stromkollektor und eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen integral durch den ersten Stromkollektor durch Ausbreiten des ersten Stromkollektors in der kreuzenden Richtung des zweiten Stromkollektors und der parallel angeordneten röhrenförmigen Brennstoffzelle befestigt werden kann. Die Anzahl der zweiten Stromkollektoren, die gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, ist nicht auf eine spezifische begrenzt, und eine geeignete Anzahl von zweiten Stromkollektoren kann angesichts der Stromsammeleffizienz, der Produktivität und dergleichen gebildet werden. In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein spezifisches Beispiel des zweiten Stromkollektors einen axial gerichteten Stromkollektor einschließen.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung (einschließlich Modifikationen, dies ist im Folgenden das Gleiche) kann der zweite Stromkollektor an einem Ende einer Anordnung der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet sein.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren parallel zu und jeweils abwechselnd mit der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet sein.
Hier bedeutet „parallel zu und jeweils abwechselnd angeordnet mit” eine Konfiguration, in welcher jeder von der Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren jeweils zwischen der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet ist.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der erste Stromkollektor gasdurchlässig sein.
Hier bedeutet „gasdurchlässig”, dass der erste Stromkollektor so konfiguriert ist, dass er dazu fähig ist, Gas in eine Richtung, zum Beispiel des Durchdringens des ersten Stromkollektors (zum Beispiel eine Dickenrichtung der FC-Zellenschicht), durchdringen zu lassen. Beispiele des gasdurchlässigen ersten Stromkollektors können einen ersten Stromkollektor einschließen, welcher durch ein leitfähiges poröses Element gebildet wird.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann eine Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß Anspruch 6 ferner eine Mehrzahl von Brennstoffzellenbaugruppen umfassen, die einen dritten Stromkollektor in Kontakt mit dem ersten Stromkollektor umfassen, wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen und der zweite Stromkollektor, welche durch den ersten Stromkollektor verwoben sind, und der dritte Stromkollektor abwechselnd laminiert sind.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann der dritte Stromkollektor ein Rost oder eine flache Gitterplatte sein.
Hierin bedeutet „Rost” eine Form mit einer Mehrzahl von parallel zu einer Richtung gebildeten durchgehenden Löchern, und „Gitter” bedeutet eine Form mit einer Mehrzahl von in zwei einander kreuzenden Richtungen gebildeten durchgehenden Löchern. Die „durchgehenden Löcher” bedeuten Öffnungen, die gebildet werden, um die Dickenrichtung des dritten Stromkollektors zu durchdringen. In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der durchgehenden Löcher, die gebildet werden können, nicht auf eine spezifische begrenzt, und eine geeignete Anzahl von durchgehenden Löchern kann angesichts der Stromsammeleffizienz, der Produktivität des dritten Stromkollektors und dergleichen gebildet werden. Daneben ist eine Form der durchgehenden Löchern nicht auf eine spezifische begrenzt, und durchgehende Löcher in einer geeigneten Form wie ein quadratisches Loch, ein rechteckiges Loch oder ein elliptisches Loch können angesichts der Stromsammeleffizienz, der Produktivität und dergleichen gebildet werden. Um die Stromsammeleffizienz zu verbessern, ist es bevorzugt, dass der erste Stromkollektor, der zweite Stromkollektor und der dritte Stromkollektor miteinander integriert sind. Spezifische Beispiele der integrierten Konfiguration können eine Konfiguration einschließen, in welcher die röhrenförmigen FC-Zellen, der zweite Stromkollektor und der dritte Stromkollektor zusammen durch den ersten Stromkollektor verbunden sind.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellenmodul zur Verfügung gestellt, welches eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst.
Gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinrichtung zur Verfügung gestellt, welche eine Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung in einem äußeren Behälter umfasst.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen durch den ersten Stromkollektor verwoben. Aufgrund dessen ist es möglich, Strom in der kreuzenden Richtung über den ersten Stromkollektor effektiv zu sammeln. Folglich ist es durch ein solches Konfigurieren möglich, eine Brennstoffzellen-Baugruppe zur Verfügung zu stellen, welche dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz zu verbessern.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn der zweite Stromkollektor und eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen durch den ersten Stromkollektor verwoben sind und der erste Stromkollektor mit dem zweiten Stromkollektor kontaktiert, können Ladungen, die in der kreuzenden Richtung über den ersten Stromkollektor gesammelt werden, in der axialen Richtung über den zweiten Stromkollektor übertragen werden. Folglich ist es durch ein solches Konfigurieren möglich, eine Brennstoffzellen-Baugruppe zur Verfügung zu stellen, welche dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz zu verbessern.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn der zweite Stromkollektor auf einem Ende eine Anordnung der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen angeordnet ist, ist es möglich, einen Anstieg der Anzahl von aufbauenden Elementen der Brennstoffzellen-Baugruppe zu unterdrücken. Folglich kann zusätzlich zu einigen Vorteilen die Produktivität der Brennstoffzellen-Baugruppe in vorteilhafter Weise verbessert werden.
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn eine Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren und die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen parallel zu und jeweils abwechselnd miteinander angeordnet sind und durch den ersten Stromkollektor verwoben werden, ist es möglich, die Stromsammeleffizienz durch Verbessern der Effizienz zum Übertragen von Ladungen in der axialen Richtung zu verbessern.
Darüber hinaus kann in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn die Brennstoffzellen-Baugruppe einen gasdurchlässigen ersten Stromkollektor umfasst, die Gasdiffusionseigenschaft verbessert werden.
Darüber hinaus ist es in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn die röhrenförmigen Brennstoffzellen und der zweite Stromkollektor, die integral durch den ersten Stromkollektor befestigt werden, und der dritte Stromkollektor abwechselnd laminiert werden, möglich, die Stromsammeleffizienz durch Sammeln von Strom über den dritten Stromkollektor weiter zu verbessern.
Ferner ist es in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn ein durchgehendes Loch in dem dritten Stromkollektor gebildet wird, möglich, Strom in der kreuzenden Richtung über den ersten Stromkollektor und einen Rahmen des durchgehenden Loches zu sammeln und die Verbesserung der Stromsammeleffizienz in der kreuzenden Richtung zu erleichtern.
Gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst das Brennstoffzellenmodul eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen, welches dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz zu verbessern. Folglich ist es möglich, ein Brennstoffzellenmodul zur Verfügung zu stellen, welches dazu fähig ist, das elektrische Energieerzeugungs-Leistungsverhalten durch Verbessern des Stromsammel-Leistungsverhaltens zu verbessern.
Gemäß des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinrichtung zur Verfügung gestellt, welche eine Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung in einem äußeren Behälter umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine externe Ansicht, welche schematisch röhrenförmige Brennstoffzellen und erste und zweite Stromkollektor zeigt, die in einer Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
2 ist eine externe Ansicht, welche schematisch röhrenförmige Brennstoffzellen und erste und zweite Stromkollektor zeigt, die in einer Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
3 ist eine externe Ansicht, welche schematisch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen und einen dritten Stromkollektor zeigt, der in einer Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
4 ist eine Vorderansicht, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration des dritten Stromkollektors gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
5 ist eine externe Ansicht, welche schematisch das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welches die Brennstoffzellen-Baugruppen gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst.
6 ist eine externe Ansicht, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration einer Brennstoffzelleneinrichtung zeigt, welche die Brennstoffzellenmodule gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
7 ist eine externe Ansicht, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration einer Brennstoffzelleneinrichtung zeigt, welche die Brennstoffzellenmodule gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
8 ist eine externe Ansicht, welche schematisch eine herkömmliche röhrenförmige FC-Zelle und ein herkömmliches Brennstoffzellenmodul zeigt, welches die röhrenförmigen FC-Zellen umfasst.
In den beigefügten Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 10 eine röhrenförmige Brennstoffzelle (röhrenförmige FC-Zelle), 30 bezeichnet einen dritten Stromkollektor, 31 bezeichnet ein durchgehendes Loch, 32 bezeichnet einen dritten Stromkollektor, 33 bezeichnet ein durchgehendes Loch, 35 bezeichnet einen ersten Stromkollektor, 40 bezeichnet einen zweiten Stromkollektor, 41 bezeichnet einen zweiten Stromkollektor, 100 bezeichnet ein Brennstoffzellenmodul und 1000 bezeichnet eine Brennstoffzelleneinrichtung.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Studien über eine röhrenförmige FC wurden angesichts zum Beispiel eines Steigerns ihrer Ausgangsdichte pro Einheitsvolumen durchgeführt. Um die Ausgangsdichte der röhrenförmigen FC weiter zu erhöhen, ist es bevorzugt, eine Packungsdichte der röhrenförmigen FC-Zellen, die in der röhrenförmigen FC enthalten sind, zu steigern. Selbst wenn andererseits die Packungsdichte der röhrenförmigen FC-Zellen gesteigert wird, ist es schwierig, die Ausgangsdichte der röhrenförmigen FC effizient zu steigern, wenn die Effizienz zum Sammeln von Ladungen (Sammeln von Strömen), die in den entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen erzeugt werden, niedrig ist. Es ist folglich bevorzugt, eine röhrenförmige FC zur Verfügung zu stellen, welche dazu fähig ist, die Ausgangsdichte durch Verbessern der Stromsammeleffizienz effizient zu steigern.
Die vorliegende Erfindung wurde von diesen Standpunkten aus gemacht. Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellen-Baugruppe zur Verfügung zu stellen, welche dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz durch Konfigurieren zu verbessern, um eine Mehrzahl von parallel angeordneten röhrenförmigen FC-Zellen und einen Stromkollektor in Kontakt mit röhrenförmigen FC-Zellen zu umfassen. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenmodul zur Verfügung zu stellen, welches dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz durch Konfigurieren zu verbessern, um die Brennstoffzellen-Baugruppen zu umfassen. Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelleneinrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Brennstoffzellenmodule in einem Behälter umfasst.
Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, werden zunächst eine röhrenförmige FC-Zelle, eine die röhrenförmige FC-Zelle umfassende Brennstoffzellen-Baugruppe, ein die Brennstoffzellen-Baugruppen umfassendes Brennstoffzellenmodul und eine die Brennstoffzellenmodule umfassende Brennstoffzelleneinrichtung beschrieben.
8 ist eine externe Ansicht, welche schematisch eine herkömmliche röhrenförmige FC-Zelle und ein herkömmliches Brennstoffzellenmodul zeigt, das die röhrenförmigen Brennstoffzellen umfasst. Um zu helfen, eine interne Struktur der röhrenförmigen FC zu verstehen, zeigt 8 aufbauende Elemente der röhrenförmigen FC in geeigneter Weise in einer Schnittansicht.
Wie in 8(A) gezeigt wird, umfasst eine herkömmliche röhrenförmige FC-Zelle 10 eine MEA 15, die eine hohle Elektrolytmembran 11 (zum Beispiel eine auf Fluor beruhende Ionenaustauschharzmembran wie Nafion^®, ein registriertes Warenzeichen von E. I. Du Pont de Nemours and Company), eine hohle Anodenkatalysatorschicht 12 und eine hohle Kathodenkatalysatorschicht 13, die jeweils auf der Innenseite und der Außenseite der Elektrolytmembran 11 angeordnet sind, einen Anodenstromkollektor 16, der so angeordnet ist, dass eine äußere Umfangsoberfläche des Anodenstromkollektors 16 mit einer inneren Umfangsoberfläche der Anodenkatalysatorschicht 12 kontaktiert, und Kathodenstromkollektoren 17a und 17b, die angeordnet sind, um mit einer äußeren Umfangsoberfläche der hohlen Katalysatorschicht 13 zu kontaktieren, umfasst. In der darin gezeigten röhrenförmigen FC-Zelle 10 sind Reaktionsgasdurchgänge 16a, 16a, ..., in welchen ein auf Wasserstoff beruhendes Gas (hiernach als „Wasserstoff” bezeichnet), das zu der Anodenkatalysatorschicht 12 zuzuführen ist, fließt, auf einer äußeren Umfangsoberfläche des Anodenstromkollektors 16 (dessen Oberfläche mit der Anodenkatalysatorschicht 12 kontaktiert) gebildet. Andererseits kann ein auf Sauerstoff beruhendes Gas (hiernach als „Luft” bezeichnet) direkt zu äußeren Umfangsoberflächen der röhrenförmigen FC-Zellen 10 (Kathodenkatalysatorschicht 13) durch Blasen der Luft gegen die äußeren Umfangsoberflächen von der Außenseite her zugeführt werden. Jede der Anodenkatalysatorschicht 12 und der Kathodenkatalysatorschicht 13, die in 8(A) gezeigt werden, enthält zum Beispiel Platin oder dergleichen, das als ein Katalysator in der elektrochemischen Reaktion wirkt, und eine Protonen leitfähige Materie wie ein auf Fluor beruhendes Ionenaustauschharz.
Die röhrenförmige FC-Zelle 10 ist wie vorstehend angegeben konfiguriert. Aufgrund dessen, wenn die auf diese Weise konfigurierten röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... angeordnet werden (siehe 8(B)), kann Sauerstoff zu den Kathodenkatalysatorschichten 13, 13, ... der entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... durch Zuführen von Luft von der Außenseite her zugeführt werden. Die röhrenförmigen FC-Zellen 10 können nämlich ohne die Notwendigkeit des Bereitstellens von Separatoren, welche die röhrenförmigen FC-Zellen 10 voneinander abschirmen, und einer Diffusionsschicht zum effektiven Zuführen von Sauerstoff zu den Kathodenkatalysatorschichten 13 der entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10 konfiguriert sein. Die Anzahl an aufbauenden Elementen jeder Zelle kann dadurch verringert werden. Gemäß der röhrenförmigen FC-Zelle 10 kann folglich eine Einheitszelle effektiv verkleinert werden.
8(B) ist eine externe Ansicht, welche schematisch ein Brennstoffzellenmodul zeigt, dass die Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen und Kühlröhren zum Kühlen der röhrenförmigen FC-Zellen umfasst. Wie in 8(B) gezeigt wird, umfasst ein Brennstoffzellenmodul 900 eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... und eine Mehrzahl von Kühlröhren 90, 90, .... Gasverteiler 98a und 98b, zu welchen Wasserstoff, der zu den Reaktionsgasdurchgängen 16a, 16a, ... der röhrenförmigen FC-Zellen 10 zugeführt wird, zuzuführen ist, und Kühlwasserverteiler 99a und 99b, zu welchen Wasser, das in die Kühlröhren zugeführt wird, zuzuführen ist, sind jeweils an beiden Enden des Brennstoffzellenmoduls 900 bereitgestellt. Ferner ist ein Stromkollektor (nicht gezeigt), der Ladungen sammelt, die in den entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... erzeugt wurden, bereitgestellt. Der Wasserstoff, welcher zu dem Brennstoffzellenmodul 900 über einen der Gasverteiler (zum Beispiel 98a) zugeführt wird, wird durch die Reaktionsgaskanäle 16a, 16a, ... der röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... durchgeleitet und für die elektrochemische Reaktion in den röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... verwendet. Der Wasserstoff oder dergleichen, der nicht für die elektrochemische Reaktion verwendet wird, wird über den anderen Gasverteiler (zum Beispiel 98b) gesammelt. In dem Brennstoffzellenmodul 900 ist ein Ende des Stromkollektors mit den Anodenstromkollektoren 16, 16, ... der röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... verbunden, und das andere Ende davon ist mit dem Kathodenstromkollektoren 17a und 17b der röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... verbunden, wodurch der Stromkollektor Ladungen sammelt (Ströme sammelt), die in einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... erzeugt werden.
Im Hinblick auf zum Beispiel das Verbessern der Stromsammeleffizienz werden die Kathodenkollektoren 17a und 17b auf der äußeren Umfangsoberfläche jeder röhrenförmigen FC-Zelle 10 (siehe 8(A)) bereitgestellt, der Kathodensammler 17a wirkt als ein kreuzend gerichteter Stromkollektor und der Kathodenkollektor 17b wirkt als ein axial gerichteter Stromkollektor in der herkömmlichen röhrenförmigen FC-Zelle 10. Mit der Konfiguration ist es jedoch notwendig, Vorgänge wie einen Vorgang des Entnehmens der Ladungen, die in der kreuzenden Richtung gesammelt werden, über den axial gerichteten Stromkollektor 17b zu treffen. Als ein Ergebnis wird ein Stromsammelweg zum Entnehmen der Ladungen zur Außenseite hin lang, was dazu neigt, die Stromsammeleffizienz aufgrund des Widerstandes oder dergleichen des Stromkollektors zu verschlechtern. In Anbetracht dessen stellt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellen-Baugruppe zur Verfügung, welche dazu fähig ist, die Stromsammeleffizienz durch Kontaktieren einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen mit einem Stromkollektor zu verbessern, um dadurch die Stromsammeleffizienz in der kreuzenden Richtung zu verbessern, und stellt sowohl ein Brennstoffzellenmodul, welches die Brennstoffzellen-Baugruppen umfasst, als auch eine Brennstoffzelleneinrichtung bereit, welche die Brennstoffzellenmodule umfasst.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen werden eine Brennstoffzellen-Baugruppe, ein Brennstoffzellenmodul und eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche die Brennstoffzellenmodule umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung nachstehend speziell beschrieben.
1 ist eine externe Ansicht, welche schematisch eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen und erste und zweite Stromkollektoren zeigt, die in einer Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind. In 1 werden aufbauende Elemente ähnlich in der Konfiguration zu jenen in 8 gezeigten mit den gleichen Bezugszeichen wie jene bezeichnet, die verwendet wurden, um die in 8 gezeigten entsprechenden aufbauenden Elemente zu bezeichnen, und werden nicht entsprechend beschrieben. In 1 zeigt ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein Pfeil Y eine kreuzende Richtung an.
Wie darin gezeigt wird, werden eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10A, 10A, ... und ein zweiter Stromkollektor 40 gemäß der ersten Ausführungsform parallel angeordnet, wodurch eine FC-Zellenschicht 21 gebildet wird. Die FC-Zellenschicht 21 ist durch einen ersten Stromkollektor 35 in einer faserförmigen oder röhrenförmigen Form oder dergleichen in der kreuzenden Richtung nahezu rechtwinklig zu der axialen Richtung umwoben, wodurch eine Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gebildet wird.
Es ist zu bemerken, dass jede der in 1 gezeigten röhrenförmigen FC-Zellen 10A, 10A, ... den kreuzend gerichteten Stromkollektor 17a und den axial gerichteten Stromkollektor 17b nicht umfasst (siehe 8). In der Beschreibung der ersten Ausführungsform ist eine Länge des ersten Stromkollektors 35, die notwendig ist, um von dem zweiten Stromkollektor 40 zu einer röhrenförmigen FC-Zelle 10A auf einem Ende über eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC Zellen 10A, 10A, ... zu reichen, L.
In der ersten Ausführungsform erreicht der erste Stromkollektor 35, der zum Beispiel an einer Oberseitenoberfläche des zweiten Stromkollektors 40 beginnt, die auf einem Ende der FC-Zellenschicht 21 angeordnet ist und durch eine Unterseitenoberfläche der röhrenförmigen FC-Zelle 10A angrenzend zu dem zweiten Stromkollektor 40 durchläuft, die röhrenförmige FC-Zelle 10A, die auf dem Ende angeordnet ist, durch wiederholtes Durchlaufen durch die Oberseitenoberfläche der röhrenförmigen FC-Zelle 10A, die nahe zu der vorhergehenden röhrenförmigen FC-Zelle 10A angeordnet ist und abwechselnd durch die Unterseitenoberfläche und die Oberseitenoberfläche durchläuft. Der erste Stromkollektor 35, welcher die röhrenförmige FC-Zelle 10A auf dem Ende erreicht, erreicht den zweiten Stromkollektor 40 über die äußere Umfangsoberfläche der röhrenförmigen FC-Zelle 10A mit dem gleichen Zug wie vorstehend angegeben. Danach wird der gleiche Zug wiederholt durchgeführt, wodurch die Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gebildet wird. Folglich kontaktiert gemäß der ersten Ausführungsform der erste Stromkollektor 35 mit äußeren Umfangsoberflächen der entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ..., so dass der erste Stromkollektor 35 die Funktion des herkömmlichen kreuzend gerichteten Stromkollektors annehmen kann. Darüber hinaus kann der zweite Stromkollektor 40, der parallel zu einer Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ... angeordnet ist, die Funktion des herkömmlichen axial gerichteten Stromkollektors annehmen. Der erste Stromkollektor 35 kontaktiert mit dem zweiten Stromkollektor 40, der als axial gerichteter Stromkollektor wirkt, bei etwa 2L Längenabständen. Folglich können durch ein solches Konfigurieren die Ladungen, die in den röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ... erzeugt werden, leicht in dem zweiten Stromkollektor 40 über den ersten Stromkollektor 35 gesammelt werden. Es ist nämlich gemäß der ersten Ausführungsform möglich, durch Anwenden des kreuzend gerichteten Stromkollektors 35 in Kontakt mit dem axial gerichteten Stromkollektor bei etwa 2L Längenabständen und des axial gerichteten Stromkollektors 40 eine Länge eines Stromsammelweges verglichen mit der herkömmlichen Technik zu verringern. Es ist dadurch möglich, Polarisation, die von einem spezifischen Widerstand des Stromkollektors herrührt, zu verringern und die Stromsammeleffizienz der Brennstoffzellen-Baugruppe 71 zu verbessern. Durch Konfigurieren eines Brennstoffzellenmoduls, so dass es die auf diese Weise konfigurierten Brennstoffzellen-Baugruppen 71 umfasst, ist es möglich, die Stromsammeleffizienz eines Brennstoffzellenmoduls zu verbessern.
Darüber hinaus werden in der ersten Ausführungsform eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ... und der zweite Stromkollektor 40, welche die FC-Zellenschicht 21 aufbauen, alle zusammen durch den ersten Stromkollektor 35 verwoben. Aufgrund dessen kann, verglichen mit dem herkömmlichen Brennstoffzellenmodul, welches das Ausführen eines Schritts zum Anordnen des kreuzend gerichteten Stromkollektors auf den äußeren Umfangsoberflächen der entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ... benötigt, die Produktivität der Brennstoffzellen-Baugruppe, bzw. des Brennstoffzellenmoduls verbessert werden.
2 ist eine externe Ansicht, welche schematisch eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen und erste und zweite Stromkollektoren zeigt, die in einer Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst sind. In 2 werden aufbauende Elemente ähnlich in der Konfiguration zu jenen in 1 gezeigten durch die gleichen Bezugszeichen wie jene benannt, die verwendet wurden, um die entsprechenden in 1 gezeigten aufbauenden Elemente zu bezeichnen, und werden nicht weiter beschrieben. In 2 zeigt ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein Pfeil Y eine kreuzende Richtung an.
Wie darin gezeigt wird, ist eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ... und eine Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren 41, 41, ... parallel und abwechselnd angeordnet, wodurch eine FC-Zellenschicht 22 gebildet wird. Ähnlich zu der Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gemäß der ersten Ausführungsform wird die FC-Zellenschicht 22 durch den ersten Stromkollektor 35 in der kreuzenden Richtung verwoben, wodurch eine Brennstoffzellen-Baugruppe 72 gebildet wird.
In der zweiten Ausführungsform werden eine Mehrzahl von röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ... an eine Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren 41, 41, ... abwechselnd angeordnet. Aufgrund dessen kann die Stromsammeleffizienz in der axialen Richtung verglichen mit der Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gemäß der ersten Ausführungsform verbessert werden. Demzufolge kann mit der in 2 gezeigten Konfiguration die Stromsammeleffizienz des Brennstoffzellenmoduls ähnlich zu der in 1 gezeigten Konfiguration verbessert werden. Ähnlich zu der ersten Ausführungsform wird die Brennstoffzellen-Baugruppe 72 gemäß der zweiten Ausführungsform gebildet, indem die röhrenförmigen Brennstoffzellen 10a, 10a, ... und die zweiten Stromkollektoren 41, 41, ..., welche die FC-Zellenschicht 22 aufbauen, alle zusammen mit dem ersten Stromkollektor 35 verwoben werden. Folglich ist es möglich, die Produktivität der auf diese Weise konfigurierten Brennstoffzellen-Baugruppe, bzw. des Brennstoffzellenmoduls, verglichen mit dem herkömmlichen Brennstoffzellenmodul zu verbessern.
In der ersten Ausführungsform und in der zweiten Ausführungsform wurde die Konfiguration, in welcher die röhrenförmigen FC-Zellen 10a, 10a, ... und die zweiten Stromkollektoren 40 (oder Stromkollektoren 41, 41, ...) durch den ersten Stromkollektor 35 in der kreuzenden Richtung nahezu rechtwinklig zu der axialen Richtung verwoben wurden, beschrieben. Eine Verwebrichtung des ersten Stromkollektors 35 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform ist nicht auf die kreuzende Richtung beschränkt, sondern kann jede andere Richtung annehmen, solange die Richtung die axiale Richtung kreuzt.
Darüber hinaus ist ein Material, das den ersten und zweiten Stromkollektor gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform aufbauen kann, nicht auf ein spezifisches begrenzt, solange das Material eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Nichtsdestotrotz ist angesichts der Verbesserung des Stromsammel-Leistungsverhaltens das Material bevorzugt ein in der Laminationsrichtung der FC-Zellenschicht gasdurchlässiges Material oder dergleichen. Spezifische Beispiele des Materials schließen nicht nur rostfreien Stahl, Ti, Pt, Au, TiC, TiSi₂, SiO₂, B₂O₃, Nd₂O, und TiB₂, sondern auch auf Kohlenstoff beruhende Materialien ein.
3 ist eine externe Ansicht, welche schematisch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen und einen dritten Stromkollektor zeigt, die in der Brennstoffzellen-Baugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind. 3(A) ist eine externe Ansicht, welche schematisch einen Teil einer Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen und eine Mehrzahl von dritten Stromkollektoren zeigt, die in dem Brennstoffzellenmodul gemäß der dritten Ausführungsform enthalten sind. 3(B) ist eine Vorderansicht, welche schematisch den dritten Stromkollektor gemäß der dritten Ausführungsform zeigt, und 3(C) ist eine schematische teilweise Querschnittsansicht, welche entlang einem in 3(A) gezeigten Pfeil aufgenommen wurde. In 3(A) werden der erste Stromkollektor und der zweite Stromkollektor, die in jeder der Brennstoffzellen-Baugruppen enthalten sind, nicht gezeigt. In 3(C) wird der zweite Stromkollektor in jeder der Brennstoffzellen-Baugruppen nicht gezeigt. Es wird jedoch angenommen, dass jede Brennstoffzellen-Baugruppe natürlich diesen Stromkollektor umfasst. In 3 werden aufbauende Elemente ähnlich in der Konfiguration zu jenen, die in 1 und/oder 8 gezeigt sind, durch die gleichen Bezugszeichen wie jene bezeichnet, die verwendet werden, um die entsprechenden aufbauenden Elemente, die in 1 und/oder 8 gezeigt werden, zu bezeichnen, und werden nicht in geeigneter Weise beschrieben. In 3 zeigt ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein Pfeil Y eine kreuzende Richtung an.
Wie in 3(A) gezeigt wird, wird eine Brennstoffzellen-Baugruppe 70 gemäß der dritten Ausführungsform durch abwechselndes Laminieren von Brennstoffzellen-Baugruppen 71, 71 und rostförmigen dritten Stromkollektoren 30, 30 gebildet. Jeder der dritten Stromkollektoren 30, 30 umfasst eine Mehrzahl von durchgehenden Löchern 31, 31, ..., die zu Schlitzen gebildet sind (siehe 3(B)). Wie in 3(B) gezeigt wird, werden die durchgehenden Löcher 31, 31, ..., die in jedem der dritten Stromkollektoren 30 gebildet sind, jeweils über Rahmen 31a, 31a ... in der kreuzenden Richtung gebildet. Wie in 3(C) gezeigt wird, kontaktiert jeder der dritten Stromkollektoren 30, 30 gemäß der dritten Ausführungsform die ersten Stromkollektoren 35, 35, ..., die auf den äußeren Umfangsoberflächen der entsprechenden röhrenförmigen FC-Zellen 10, 10, ... angeordnet sind. Aufgrund dessen können Ladungen, die über die ersten Stromkollektoren 35, 35, ... gesammelt wurden, zur Außenseite über die dritten Stromkollektor 30, 30 entnommen werden. Demzufolge kann durch Konfigurieren des Brennstoffzellenmoduls, so dass es die in 3 gezeigten Brennstoffzellen-Baugruppen 70 einschließt, die Stromsammeleffizienz des Brennstoffzellenmoduls verbessert werden. Wie in 3(A) und 3(B) gezeigt wird, umfasst der dritte Stromkollektor 30 eine Lasche 30A, die in einem axial mittleren Abschnitt des dritten Stromkollektors 30 angeordnet ist, so dass sie zum Beispiel dazu fähig ist, die gesammelten Ladungen leicht zur Außenseite hin zu entnehmen.
Darüber hinaus kann die darin gezeigte Brennstoffzellen-Baugruppe 70 leicht hergestellt werden, weil sie durch abwechselndes Laminieren der Brennstoffzellen-Baugruppen 71, 71 und der dritten Stromkollektoren 30, 30 gebildet wird.
In der dritten Ausführungsform wurde die Konfiguration beschrieben, in welcher die Lasche 30A in dem axial mittleren Abschnitt des dritten Stromkollektors 30 angeordnet ist. Eine Position jedoch, an welcher die Schlaufe 30a vorgesehen werden kann, ist nicht auf eine spezifische Position begrenzt. Darüber hinaus wurde der rostförmige dritte Stromkollektor 30 beschrieben, in welchem die schlitzförmigen durchgängigen Löcher gebildet sind. Eine Form des dritten Stromkollektors 30 ist jedoch nicht auf die Rostform begrenzt. Zum Beispiel können die durchgehenden Löcher in Gittern gebildet sein. 4 zeigt schematisch einen dritten Stromkollektor einschließlich durchgehenden Gitterlöchern.
4 ist eine Vorderansicht, die schematisch ein Beispiel der Konfiguration des dritten Stromkollektors zeigt. Wie darin gezeigt wird, umfasst ein dritter Stromkollektor 32 eine Mehrzahl von durchgehenden Gitterlöchern 33, 33, .... Die durchgehenden Löcher 33, 33, ... werden jeweils über Rahmen 33a, 33a, ... in der kreuzenden Richtung und Rahmen 33b, 33b, ... in der axialen Richtung gebildet. Durch ein solches Konfigurieren des dritten Stromkollektors 32 kann der dritte Stromkollektor 32 ebenso die Funktion des Sammelns von Ladungen in der axialen Richtung annehmen. Es wird dadurch möglich, die Stromsammeleffizienz weiter zu verbessern.
In der dritten Ausführungsform wurde die Konfiguration beschrieben, in welcher die durchgehenden Löcher, die über die Rahmen in der kreuzenden Richtung nahezu rechtwinklig zu der axialen Richtung gebildet wurden, in dem dritten Stromkollektor vorgesehen sind. Die Konfiguration des dritten Stromkollektors ist jedoch nicht auf das vorstehend angegebene begrenzt. Es reicht aus, dass die durchgehenden Löcher über die Rahmen in einer Richtung gebildet sind, welche die axiale Richtung kreuzt. Nichts desto Trotz ist es bevorzugt, dass der dritte Stromkollektor die Rahmen in der kreuzenden Richtung nahezu rechtwinklig zu der axialen Richtung mit einem Blick auf das effiziente Verbessern der Stromsammeleffizienz in der kreuzenden Richtung umfasst. Darüber hinaus wurde in der dritten Ausführungsform der dritte Stromkollektor beschrieben, welcher die durchgehenden Löcher umfasst. Die dritten Stromkollektoren jedoch, die abwechselnd mit den Brennstoffzellen-Baugruppen laminiert sind, umfassen nicht notwendiger Weise durchgehende Löcher. Selbst wenn die dritten Stromkollektoren die durchgehenden Löcher nicht einschließen, können die dritten Kollektoren mit einer Mehrzahl von röhrenförmigen FCs in der Richtung kontaktieren, welche die axiale Richtung kreuzt. Aufgrund dessen kann, verglichen mit der herkömmlichen Technik, die Stromsammeleffizienz in der kreuzenden Richtung verbessert werden.
Darüber hinaus ist ein aufbauendes Material des dritten Stromkollektors gemäß der dritten Ausführungsform nicht auf ein spezifisches Material begrenzt, solange das Material eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Nichts desto Trotz ist im Hinblick auf das Verbessern des Stromsammel-Leistungsverhalten das Material bevorzugt ein in der Laminationsrichtung der FC-Zellenschicht gasdurchlässiges Material oder dergleichen. Spezifische Beispiele des Materials schließen nicht nur rostfreien Stahl, Ti, Pt, Au, TiC, TiSi₂, SiO₂, B₂O₃, Nd₂O und TiB₂, sondern auch auf Kohlenstoff beruhende Materialien ein.
5 ist eine externe Ansicht, welche schematisch ein Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, das die Brennstoffzellen-Baugruppe 72 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst. In 5 werden aufbauende Elemente ähnlich in der Konfiguration zu jenen in 2 gezeigten durch die gleichen Bezugszeichen wie jene bezeichnet, die verwendet werden, um die in 2 gezeigten entsprechenden aufbauenden Elemente zu bezeichnen, und werden nicht genauer beschrieben. In 5 zeigt ein Pfeil X eine axiale Richtung und ein Pfeil Y eine kreuzende Richtung an. In 5 sind die aufbauenden Elemente des Brennstoffzellenmoduls weggeschnitten oder in geeigneter Weise weggelassen, damit es möglich wird, eine interne Struktur des Brennstoffzellenmoduls leichter zu verstehen. In der folgenden Beschreibung wird die röhrenförmige FC-Zelle 10A häufig einfach als „Zelle 10A” bezeichnet.
Wie in 5 gezeigt wird, umfasst ein Brennstoffzellenmodul 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72, ..., welche jeweils so konfiguriert sind, dass sie die Zellen 10A, 10A, ... den ersten Stromkollektor 35 und die zweiten Stromkollektoren 41, 41, ... einschließen. Darüber hinaus wird ein Gasverteilungskanal 60, in welchem die Luft, die zu den äußeren Umfangsoberflächen (Kathoden) der entsprechenden Zellen 10A, 10A, ... zugeführt wird, zu fließen hat, nahezu vollständig über Abdichtungselemente 80, 80 und ein Abdichtungsmaterial 81 von Anodenverteilern 61 und 62 geteilt, in welchen Wasserstoff, der zu hohlen Abschnitten (Anoden) der entsprechenden Zellen 10A, 10A, ... zugeführt wird, zu fließen hat. Obwohl in 5 nicht gezeigt, ist das Abdichtungsmaterial 81 ebenso auf dem Anodenverteiler 62 in der gleichen Art und Weise wie das in 5 gezeigte Abdichtungsmaterial 81 bereitgestellt. In dem darin gezeigten Brennstoffzellenmodul 100 werden Ladungen, die in Kathodenkatalysatorschichten der entsprechenden Zellen 10A, 10A, ... erzeugt werden, über den ersten Stromkollektor 35 und die zweiten Stromkollektoren 41 gesammelt. Ferner werden die auf diese Weise gesammelten Ladungen zur Außenseite über einen Kathodenstromkollektor 53, der mit dem zweiten Stromkollektoren 41, 41, ... und einer Kathodenausgangseinheit 54 verbunden ist, die mit den Kathodenstromkollektor 53 verbunden ist, entnommen. Ferner werden Ladungen, die in Anodenkatalysatorschichten der entsprechenden Zellen 10A, 10A, ... erzeugt werden, in einem Anodenstromkollektor 51 über Anodenstromkollektor (nicht gezeigt) gesammelt, welche in den entsprechenden Zellen 10A, 10A ... bereitgestellt sind, und zur Außenseite über eine Anodenausgangseinheit 52, welche mit dem Anodenstromkollektor 51 verbunden ist, entnommen.
Wie verstanden werden kann, umfasst das Brennstoffzellenmodul 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72, ..., die wie vorstehend angegeben konfiguriert sind. Aufgrund dessen kann durch Verbessern der Stromsammeleffizienzen der Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72, ... die Stromsammeleffizienz des Brennstoffzellenmoduls 100 verbessert werden.
Der Zweckmäßigkeit halber wurde das Brennstoffzellenmodul 100 beschrieben, welches so konfiguriert ist, dass es die Brennstoffzellen-Baugruppen 72, 72, ... der zweiten Ausführungsform umfasst. Die Konfiguration des Brennstoffzellenmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf das zuvor beschriebene begrenzt. Das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung kann so konfiguriert sein, dass es die Brennstoffzellen-Baugruppe 71 gemäß der ersten Ausführungsform oder die Brennstoffzellen-Baugruppen 70 gemäß der dritten Ausführungsform umfasst. Wenn das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung die Brennstoffzellen-Baugruppen 70 gemäß der dritten Ausführungsform umfasst, kann das Brennstoffzellenmodul zum Beispiel so konfiguriert sein, dass die Lasche 30A jedes der dritten Stromkollektoren, die in jeder der Brennstoffzellen-Baugruppen 70 enthalten sind, mit dem Kathodenstromkollektor 53 verbunden ist. Wenn das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung die Brennstoffzellen-Baugruppen 71 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst, kann das Brennstoffzellenmodul zum Beispiel so konfiguriert sein, dass der zweite Stromkollektor 40 mit dem Kathodenstromkollektor 53 verbunden ist.
Andererseits erzeugen die Zellen 10A Wärme, während das Brennstoffzellenmodul 100 betrieben wird. Wenn Nafion^® zum Beispiel als Elektrolytmembran der Zelle 10A verwendet wird, ist es notwendig eine Temperatur der Zelle 10A bei etwa 80°C bis 100°C zu halten, so dass das Nafion^® eine gute Protonen-leitende Eigenschaft zeigt. Es ist folglich notwendig, die Zellen 10A durch geeignete Einrichtungen zu kühlen. Daneben ist es im Hinblick auf zum Beispiel das Erleichtern der Handhabung der Brennstoffzelle, welche das Brennstoffzellenmodul umfasst, bevorzugt, die Zellen 10A effektiv zu kühlen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen der Zellen 10A nicht auf ein spezifisches begrenzt. Spezifische Beispiele des Kühlverfahrens schließen Wasserkühlung und Luftkühlung ein. Wenn die Zellen 10A der Wasserkühlung unterzogen werden, ist eine Art und Weise der Wasserkühlung nicht auf eine spezifische begrenzt. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Brennstoffzellenmodul Kühlröhren mit einem gewissen Verhältnis (zum Beispiel das gesamte Zahlenverhältnis der Kühlröhren zu den Zellen 10A von 1 bis 3) umfasst im Hinblick auf zum Beispiel effektives Kühlen der Zellen 10A ohne Verwendung einer großformatigen Anlage. Durch ein solches Konfigurieren des Brennstoffzellenmoduls können, wenn Wasser durch die Kühlröhren zirkuliert wird, die Zellen 10A, die in den Brennstoffzellenmodulen enthalten sind, effektiv gekühlt werden. In 5 werden aufbauende Elemente zum Zirkulieren des Kühlwassers nicht gezeigt.
6 und 7 sind externe Ansichten, welche schematisch ein Beispiel einer Konfiguration einer Brennstoffzelleneinrichtung zeigen, welche das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. 7 ist eine Rückansicht der in 6 gezeigten Brennstoffzelleneinrichtung, und Gitterelemente, die jeweils auf den Seitenoberflächen bereitgestellt sind, werden in 7 nicht gezeigt, so dass es möglich ist, eine interne Struktur der Brennstoffzelleneinrichtung leicht zu verstehen. Bezug nehmend auf 6 und 7 wird das Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in den 6 und 7 gezeigt wird, ist eine Brennstoffzelleneinrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert durch Enthalten einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 100, 100, ... in einem äußeren Behälter 600. Ein Reaktionsgas-(zum Beispiel Wasserstoff)Einführungsanschluss 500, ein Reaktionsgas-Ausgabeanschluss 510 und ein Kühlwasseranschluss 520 werden auf einer oberen Oberfläche des äußeren Behälters 600 bereitgestellt. Gitterelemente 550 werden auf einem Paar von Seitenoberflächen des äußeren Behälters 600 jeweils bereitgestellt. Wenn ein Gas, das zu dem Reaktionsgas-Einführungsanschluss 500 zugeführt wird, Wasserstoff ist, wird die Luft zu der Brennstoffzelleneinrichtung 1000 in einer Richtung des Durchdringens der Gitterelemente 500 zugeführt. Die Luft, die zu einem der in 6 gezeigten Gitterelemente 550 zugeführt wurde, wird von einem Gitterelement (in 7 nicht gezeigt) ausgegeben, so dass es auf der hinteren Oberfläche des äußeren Behälters 600 bereitgestellt wird. Eine Temperatur jedes der Brennstoffzellenmodule 100, 100, ..., die Wärme erzeugen, wenn die auf diese Weise konfigurierte Brennstoffzelleneinrichtung 1000 betrieben wird, wird durch ein Verfahren von zum Beispiel Zirkulieren von Wasser, das von dem Kühlwasseranschluss 520 zugeführt und ausgegeben wird, durch Kühlröhren, die in den entsprechenden Brennstoffzellenmodulen 100, 100, ... enthalten sind, gesteuert.
Wie verstanden werden kann, umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 100, 100, .... Aufgrund dessen kann durch Verbessern der Stromsammeleffizienzen der entsprechenden Brennstoffzellenmodule 100 die Stromsammeleffizienz der Brennstoffzelleneinrichtung 1000 verbessert werden.
Materialien zum Bilden der aufbauenden Elemente des Brennstoffzellenmoduls und der röhrenförmigen FC-Zelle, welche in der Brennstoffzelleneinrichtung eingeschlossen ist, und Konfigurationen davon werden nachstehend beschrieben.
In der röhrenförmigen FC-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung sind Materialien zum Bilden der Elektrolytmembran, der Anoden katalysatorschicht, der Kathoden katalysatorschicht, des Anodenstromkollektors und des Kathodenstromkollektors nicht auf spezifische begrenzt, solange diese elektrische Energie durch die elektrochemische Reaktion erzeugen können.
Spezifische Beispiele des Materials zum Bilden der Elektrolytmembran der röhrenförmigen FC-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung (hiernach als „Elektrolytmaterial” bezeichnet) können die auf Fluor beruhenden Ionenaustauschharzmembran, eine organische Elektrolytkomponente wie ein Kohlenwasserstoffharz, welches durch ein Amidharz typisiert wird, und eine anorganische Elektrolytkomponente, die hauptsächlich Siliziumoxid oder dergleichen enthält, einschließen. Zum leichten Bilden der Elektrolytmembran ist es insbesondere bevorzugt, dass das Elektrolytmaterial die anorganische Elektrolytkomponente ist, die hauptsächlich Siliziumoxid enthält. Wenn die anorganische Elektrolytkomponente als Elektrolytmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, können spezielle Beispiele der Elektrolytkomponente eine röhrenförmige Elektrolytmembran, die durch Bilden eines porösen Glases in eine Röhre, Reformieren der Innenoberfläche von Nanoporen und Aufprägen einer Protonen leitenden Eigenschaft auf die Röhre erhalten werden kann und eine röhrenförmige mit Phosphatglas versehene Membran einschließen.
Das Material der Anodenkatalysatorschicht und der Kathodenkatalysatorschicht (hiernach einfach als „Katalysatorschichten” bezeichnet) gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf ein spezifisches begrenzt, solange das Material eine Materie enthält, die als ein Katalysator für eine elektrochemische Reaktion wirkt (zum Beispiel Platin geträgerter Kohlenstoff, in welchem Platinteilchen durch Kohlenstoffteilchen getragen werden, hiernach „Katalysatormaterie”) enthält. Zum Beispiel kann das Material der Katalysatorschicht die Katalysatormaterie und einen Protonen leitende Materie enthalten, welche die Ausnutzungseffizienz der Katalysatormaterie verbessert. Spezifische Beispiele der Protonen leitenden Materie, die in den Katalysatorschichten gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann, kann die vorstehenden Perfluorkohlenstoffsulfonatpolymere einschließen. Darüber hinaus könne spezifische Beispiele der Katalysatormaterie gemäß der vorliegenden Erfindung eine Materie einschließen, in welcher eine Katalysatorkomponente durch ein leitfähiges Material wie ein Kohlenstoffmaterial, zum Beispiel kohlenstoffartige Teilchen oder kohlenstoffartige Fasern, getragen wird.
Mit der Brennstoffzelleneinrichtung, welche die röhrenförmige FC-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, kann eine Elektrodenfläche pro Einheitsvolumen größer als die der flachen FC gemacht werden. Folglich ist es möglich, selbst wenn eine Katalysatorkomponente eine kleinere katalytische Aktivität als Platin, welches in geeigneter Weise als Katalysatorkomponente der flachen FC verwendet wird, verwendet wird, eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer hohen Ausgangsdichte pro Einheitsvolumen zu erhalten. Aufgrund dessen ist die Katalysatorkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf eine spezifische begrenzt, solange die Komponente eine katalytische Aktivität in einer Wasserstoffoxidationsreaktion an einer Anode und einer Sauerstoffreduktionsreaktion an einer Kathode aufweist. Spezifische Beispiele des Katalysators können ein einzelnes Metall wie Pt, Ru, Ir, Rh, Pd, Os, W, Pb, Fe, Cr, Co, Ni, Mn, V, Mo, Ga und Al und eine Legierung schließen, die eines dieser Metallelemente enthält. Um die Ausgangsdichte pro Einheitsvolumen zu verbessern, ist es bevorzugt, Platin und/oder eine Platinlegierung als Katalysatorkomponente zu verwenden.
Darüber hinaus ist die Form des Anodenstromkollektors gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf eine spezifische begrenzt. Spezifische Beispiele der Form des Anodenstromkollektors können eine Federform, eine Form, in welcher viele durchgehende Löcher, die eine Wandfläche eines Rohres durchdringen, in der Wandoberfläche davon gebildet sind, eine Form, in welcher die Wandoberfläche des Rohres eine Maschenoberfläche ist, und eine Form, in welcher eine Mehrzahl von linearen Leitern in einer axialen Richtung einer äußeren Umfangsoberfläche einer hohlen MEA angeordnet ist, einschließen. Um die Stromsammeleffizienz zu verbessern, ist der Anodenstromkollektor bevorzugt ein Federstromkollektor.
Der Zweckmäßigkeit halber wurde die röhrenförmige FC-Zelle, die keine Diffusionsschicht umfasst, beschrieben. Die Konfiguration der röhrenförmigen FC gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor beschriebene begrenzt. Die röhrenförmige FC gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Diffusionsschicht zwischen der MEA und dem Stromkollektor einschließen.
Darüber hinaus wurde die Konfiguration beschrieben, in welcher Wasserstoff zur Innenseite der röhrenförmigen FC-Zelle und die Luft zur Außenseite davon zugeführt wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration begrenzt. Die Luft (auf Sauerstoff beruhendes Gas) und der Wasserstoff (auf Wasserstoff beruhendes Gas) können jeweils zu der Innenseite und der Außenseite der röhrenförmigen FC-Zelle zugeführt werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie soweit angegeben wurde, werden das Brennstoffzellenmodul und die Brennstoffzelleneinrichtung, welche die Brennstoffzellenmodule gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt, geeignet als eine Energiequelle eines Batterieautos oder einer tragbaren Energiezufuhr angewendet.

Claims

Brennstoffzellen-Baugruppe (71; 72) umfassend: eine Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A), die parallel zueinander in einer vorgegebenen Richtung Y angeordnet sind; und einen ersten Stromkollektor (35), wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) durch den ersten Stromkollektor (35) in der Richtung Y verwoben ist, welche die axiale Richtung X der röhrenförmigen Brennstoffzellen jeweils kreuzt.
Brennstoffzellen-Baugruppe (71; 72) nach Anspruch 1, welches ferner einen zweiten Stromkollektor (40; 41) umfasst, der parallel zu der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) und der zweite Stromkollektor (40; 41) durch den ersten Stromkollektor (35) in der Richtung Y verwoben sind, welche die axiale Richtung X der röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) jeweils kreuzt.
Brennstoffzellen-Baugruppe (71) nach Anspruch 2, wobei der zweite Stromkollektor (40) an einem Ende einer Anordnung der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) angeordnet ist.
Brennstoffzellen-Baugruppe (72) nach Anspruch 2, wobei eine Mehrzahl von zweiten Stromkollektoren (41) parallel zu und jeweils abwechselnd mit der Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) angeordnet sind.
Brennstoffzellen-Baugruppe (71; 72) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Stromkollektor (35) gasdurchlässig ist.
Brennstoffzellen-Baugruppe (70), umfassend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen (71; 72) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, die ferner einen dritten Stromkollektor (30; 32) in Kontakt mit dem ersten Stromkollektor umfassen, wobei die Mehrzahl von röhrenförmigen Brennstoffzellen (10A) und der zweite Stromkollektor (40; 41), welche durch den ersten Stromkollektor verwoben sind, und der dritte Stromkollektor (30; 32) abwechselnd laminiert sind.
Brennstoffzellen-Baugruppe (70) nach Anspruch 6, wobei der dritte Stromkollektor (30; 32) ein Lattenrost oder eine flache Gitterplatte ist.
Brennstoffzellenmodul (100), umfassend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Baugruppen (70; 71; 72) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brennstoffzelleneinrichtung (1000), umfassend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen (100) nach Anspruch 8 in einem äußeren Behälter (600).