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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Zellenstapel,
in dem eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt ist.
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Technischer Hintergrund
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Bisher
weist jede Einheitszelle einer üblichen Brennstoffzelle
eine Struktur auf, bei der auf beiden Seiten einer (im Folgenden
einfach als „MEA” bezeichneten) Membran/Elektroden-Anordnung
mit einer Elektrolytmembran, einer Anodenelektrode, die auf einer
Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, und einer
Kathodenelektrode, die auf deren anderer Oberfläche angeordnet
ist, Separatoren vorgesehen sind. Darüber hinaus ist in
der Brennstoffzelle eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt, um
einen Zellenstapel zu erhalten, und an beiden Enden des Zellenstapels,
in der Zellstapelrichtung gesehen, sind Stromsammlerplatten (Anschlussplatten),
Isolatoren, Druckplatten, Endplatten und dergleichen angeordnet.
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Tatsache
ist, dass in einer solchen Brennstoffzelle die Temperatur der Einheitszellen,
die an den Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind (im
Folgenden als „Endzellen” bezeichnet), niedriger
ist als die der anderen Einheitszellen des Zellenstapels. Der Grund
dafür ist, dass Endzellen durch die Wärmeabgabe
von den Anschlussplatten, den Isolatoren, den Druckplatten, den
Endplatten und dergleichen beeinflusst werden, und dass die Temperatur
eines Kühlmittels einer End-Kühlmittelleitung sinkt.
Genauer ist bekannt, dass in der Endzelle, die am Ende des Zellenstapels
auf der insgesamt negativen Seite angeordnet ist, die Temperatur
auf einer Anodenseite niedriger wird als auf einer Kathodenseite.
Dieser Temperaturabfall könnte eine Verschlechterung der
Brennstoffzellenleistung bewirken.
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Vor
einigen Jahren wurde eine weitere Brennstoffzelle eingeführt,
bei der eine Isolierschicht (eine Dummy- bzw. Leerzelle) auf der,
in der Zellstapelrichtung eines Zellenstapels gesehen, äußeren Seite
einer Anschlussplatte angeordnet ist, um eine Wärmeabgabe
von einer Endzelle zu unterdrücken und um eine Stromsammeleffizienz
zu erhöhen (siehe z. B. Patentdokument 1).
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Darüber
hinaus wurde noch eine weitere Brennstoffzelle eingeführt,
die eine Dummy-Zelle aufweist, die, in einer Zellstapelrichtung
eines Zellenstapels gesehen, an mindestens einem von dessen Enden
entsprechend einer Leistungserzeugerzelle angeordnet ist, und in
mindestens der Dummy-Zelle oder zwischen den Dummy-Zellen ist ein
Isolierraumabschnitt ausgebildet, wodurch die Dummy-Zelle selbst
als Isolierschicht wirkt (siehe z. B. Patentdokument 2).
- [Patentdokument
1] Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2006-332006
- [Patentdokument 2] Japanische
Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2006-147502
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Offenbarung der Erfindung
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Probleme, die der Erfindung zugrunde liegen
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Jedoch
wurden in der Brennstoffzelle, die den Brennstoffzellenstapel aufweist,
der mit der Isolierschicht (der isolierenden Dummy-Zelle) ausgestattet
ist, wie im Patentdokument 1 beschrieben, die physikalischen Eigenschaften
(z. B. eine Wärmeleitfähigkeit usw.) eines Isoliermaterials,
aus dem die Isolierschicht besteht, nicht untersucht. Darüber
hinaus besteht in dem im Patentdokument 2 beschriebenen Brennstoffzellenstapel
das Ende des Brennstoffzellenstapels aus der Dummy-Zelle, die den
Isolierraumabschnitt (eine Luftkammer) aufweist, aber außer
Luft wird kein anderes Isoliermaterial beschrieben, und auch in
dieser herkömmlichen Technik wurden die physikalischen
Eigenschaften (z. B. die Wärmeleitfähigkeit usw.)
des Isoliermaterials nicht untersucht. Daher ist es schwierig, das
Isoliermaterial auszuwählen, das optimale physikalische
Eigenschaften aufweist, um Isoliereigenschaften zu ergeben, die
in der Brennstoffzelle benötigt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vor diesem Hintergrund entwickelt, und
ihr Ziel ist die Schaffung einer Brennstoffzelle, in der ein Isolierabschnitt
angeordnet ist, der mit einem Isoliermaterial versehen ist, mit
dem die Wärmediffusion der Innen- und der Außenseite
der Brennstoffzelle unterdrückt werden kann, um die Ungleichmäßigkeit
einer Temperaturverteilung in einer Zellenebene zu korrigieren und
um die auf einen Temperaturabfall zurückgehende Verschlechterung
der Brennstoffzellenleistung zu unterdrücken. Darüber
hinaus werden die physikalischen Eigenschaften des Isoliermaterials
spezifiziert, mit denen geeignete Isoliereigenschaften, die in der Brennstoffzelle
benötigt werden, erhalten werden können, und das
Verhalten bei der Inbetriebnahme bzw. das Startverhalten wird verbessert.
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Mittel zur Lösung
des Problems
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Um
dieses Ziel zu erreichen, wird eine Brennstoffzelle geschaffen,
die einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Vielzahl von Einheitszellen
gestapelt sind, und Anschlussplatten aufweist, die, in der Zellstapelrichtung
des Zellenstapels gesehen, an dessen beiden Seiten angeordnet sind,
wobei die Brennstoffzelle aufweist: einen Isolierabschnitt, der ein
Isoliermaterial aufweist, und Halteplatten, die, in der Zellstapelrichtung
des Isoliermaterials gesehen, das Isoliermaterial von beiden Seiten
halten, wobei das Isoliermaterial zwischen den Halteplatten gehalten
wird, wobei das Isoliermaterial eine Wärmeleitfähigkeit
von 0,1 W/mK oder weniger und eine Porosität von 70% oder
mehr aufweist.
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Die
solchermaßen aufgebaute Brennstoffzelle weist den Isolierabschnitt
auf, in dem, in der Zellstapelrichtung gesehen, beide Seiten des
Isoliermaterials von den Halteplatten gehalten werden, wodurch die
Wärmediffusion der Innen- und der Außenseite der
Brennstoffzelle unterdrückt werden kann, um die Ungleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung in der Zellenebene zu korrigieren und um
die auf einen Temperaturabfall zurückgehende Verschlechterung
der Brennstoffzellenleistung zu unterdrücken. Da das Isoliermaterial
physikalische Eigenschaften aufweist wie die Wärmeleitfähigkeit
von 0,1 W/mK oder weniger und die Porosität von 70% oder
mehr, können die geeigneten Isoliereigenschaften, die in der
Brennstoffzelle benötigt werden, erhalten werden, und das
Startverhalten der Brennstoffzelle kann verbessert werden.
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Falls
die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials 0,1
W/mK überschreitet, ist es schwierig, die geeigneten Isoliereigenschaften
zu erhalten, die in der Brennstoffzelle benötigt werden.
Falls die Porosität des Isoliermaterials unter 70% liegt,
kommt es darüber hinaus leicht zu Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit.
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Als
eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung weist die Brennstoffzelle Leistungserzeugerzellen,
die zur Leistungserzeugung beitragen, und Nicht-Leistungserzeugerzellen,
die nicht zur Leistungserzeugung beitragen, auf und kann so aufgebaut
sein, dass der Isolierabschnitt in den Nicht-Leistungserzeugerzellen
angeordnet ist. Bei diesem Aufbau können die Nicht-Leistungserzeugerzellen,
in der Zellstapelrichtung gesehen, weiter innen als die Anschlussplatten
angeordnet sein. Ferner können bei diesem Aufbau unter
den Einheitszellen, aus denen der Brennstoffzellenstapel besteht, jeweils
Endzellen, die in Zellenstapelrichtung gesehen an beiden Enden des
Zellenstapels angeordnet sind, die Nicht-Leistungserzeugerzellen
sein.
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Hierbei
kommt es in der Brennstoffzelle, was die Leistungserzeugerzellen
betrifft, die, in der Zellstapelrichtung gesehen, in der Nähe
der Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, leicht zu
einem Temperaturabfall aufgrund einer Wärmeabgabe von Anschlusselektroden
(den Anschlussplatten), die eine Leistung abnehmen, von Endplatten,
die vorgesehen sind, um die gestapelten Leistungserzeugerzellen
zu halten, und dergleichen. Darüber hinaus kommt es in
den Leistungserzeugerzellen, in denen es zu einem Temperaturabfall
gekommen ist, leicht zu einer Kondenswasserbildung aus Dampf, wodurch
eine Verschlechterung eines Leistungserzeugungsverhaltens bewirkt
werden kann. In der vorliegenden Erfindung werden die Endzellen
als die Nicht-Leistungserzeugerzellen verwendet und sind daher mit
den Isolierabschnitten versehen, wodurch zusätzlich zu
den oben genannten Vorteilen die Wärmediffusion wirksam
verringert werden kann, um den Temperaturabfall noch weiter zu unterdrücken.
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Darüber
hinaus kann als eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung jede der Nicht-Leistungserzeugerzellen eine
Isolierzelle sein, die zwischen den Leistungserzeugerzellen gehalten
wird. Bei diesem Aufbau können unter den Einheitszellen,
aus denen der Zellenstapel besteht, jeweils die Endzellen, die,
in der Zellstapelrichtung gesehen, an beiden Enden des Zellenstapels
angeordnet sind, aus den Nicht-Leistungserzeugerzellen bestehen.
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Ferner
kann als eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung darin bestehen, die Brennstoffzelle einen
Aufbau aufweisen, bei dem zwischen den Endzellen, die aus den Nicht-Leistungserzeugerzellen
bestehen und die, in der Zellstapelrichtung gesehen, an beiden Enden des
Zellenstapels angeordnet sind, ein Leistungserzeugerzellen-Stapel,
in dem die Vielzahl von Leistungserzeugerzellen gestapelt ist, die
Isolierzelle, die an dem Ende der Leistungserzeugerzelle auf der
insgesamt negativen Seite angeordnet ist, und die Leistungserzeugerzelle,
die auf der dem Leistungserzeugerzellen-Stapel entgegengesetzten
Seite der Isolierzelle angeordnet ist, angeordnet sind. Bei einem
solchen Aufbau kann zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen
die Wärmediffusion vom Ende der Brennstoffzelle auf der
insgesamt negativen Seite, wo es leicht passieren kann, dass die
Anodenseitentemperatur niedriger wird als die Kathodenseitentemperatur,
wirksam unterdrückt werden, wodurch die Verschlechterung
des Leistungserzeugungsverhaltens unterdrückt werden kann.
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Als
eine Gestaltung der Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung kann die Brennstoffzelle außerdem
so aufgebaut sein, dass die Nicht-Leistungserzeugerzellen auf den,
in der Zellstapelrichtung gesehen, äußeren Seiten
der Anschlussplatten angeordnet sind. Darüber hinaus können
bei diesem Aufbau die Nicht-Leistungserzeugerzellen fern auf den,
in der Zellstapelrichtung gesehen, inneren Seiten der Anschlussplatten
angeordnet sein.
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Das
Isoliermaterial weist vorzugsweise einen elektrischen Widerstand
auf. Dieser elektrische Widerstand ist vorzugsweise 400 mΩ oder
weniger, falls eine Last 0,2 MPa ist.
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Wirkung der Erfindung
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Die
Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung
weist den Isolierabschnitt auf, in dem das Isoliermaterial, das
physikalische Eigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit
von 0,1 W/mK oder weniger und die Porosität von 70% oder
mehr aufweist, zwischen den Halteplatten gehalten wird, wodurch
die geeigneten Isoliereigenschaften, die in der Brennstoffzelle
benötigt werden, erhalten werden können. Daher
kann die Wärmediffusion der Innen- und der Außenseite
der Brennstoffzelle unterdrückt werden, die Ungleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung in der Zellenebene kann korrigiert werden,
und das Startverhalten kann verbessert werden. Infolgedessen kann
die Brennstoffzelle geschaffen werden, die eine hohe Zuverlässigkeit
und eine gute Leistung aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Schnittdarstellung, die einen vergrößerten
Teil einer Endzelle zeigt, die in der in 1 dargestellten
Brennstoffzelle angeordnet ist;
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3 ist
eine Draufsicht auf einen Isolierabschnitt, bei dem es sich um einen
Bestandteil der Endzelle handelt, die in der in 1 dargestellten Brennstoffzelle
angeordnet ist;
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4 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Wärmeleitfähigkeit
(W/mK) und einer Porosität (%) eines Isoliermaterials zeigt;
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5 ist
eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß einer
anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
eine Schnittdarstellung, die einen vergrößerten
Teil einer Isolierzelle zeigt, die in der in 5 dargestellten
Brennstoffzelle angeordnet ist; und
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7 ist
eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beschreibung von Bezugszeichen
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1 ...
Brennstoffzelle, 10 ... Zellenstapel, 11 ... Leistungserzeugerzellen-Stapel, 12 ...
Leistungserzeugerzelle, 13A, 13B ... Endzelle
(Nicht-Leistungserzeugerzelle), 21 ... Isoliermaterial, 22, 23 ...
Halteplatte und 24, 27 ... Isolierabschnitt.
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Beste Weise für die
Ausführung der Erfindung
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Nun
werden Brennstoffzellen gemäß bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
Es sei darauf hingewiesen, dass die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen
Erläuterungen sind, welche die vorliegende Erfindung erklären,
und dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf diese Ausführungsformen
beschränkt ist. Daher kann die vorliegende Erfindung in
verschiedenen Gestaltungen ausgeführt werden, ohne vom
Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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1 ist
eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Brennstoffzelle gemäß dieser
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist eine
Schnittdarstellung, die einen vergrößerten Teil einer
Endzelle zeigt, die in der in 1 dargestellten Brennstoffzelle
angeordnet ist, und 3 ist eine Draufsicht auf einen
Isolierabschnitt, bei dem es sich um einen Bestandteil der Endzelle
handelt, die in der in 1 dargestellten Brennstoffzelle
angeordnet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass in den Skizzen um der
leichteren Verständlichkeit willen die Dicke, die Größe,
das Vergrößerungs-/Verkleinerungsverhältnis
und dergleichen jedes Elements nicht den tatsächlichen
Werten entsprechen.
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Wie
in 1 bis 3 dargestellt, weist eine Brennstoffzelle 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform auf: einen Zellenstapel 10 mit
einem Leistungserzeugerzellen-Stapel 11, in dem eine Vielzahl von
Leistungserzeugerzellen 12, welche zur Leistungserzeugung
der Brennstoffzelle 1 beitragen, gestapelt sind, und mit
Endzellen 13A und 13B, die, in der Zellstapelrichtung
des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 gesehen, auf dessen
beiden Seiten angeordnet sind; Anschlussplatten 14A und 14B,
die, in der Zellstapelrichtung des Zellenstapels 10 gesehen,
jeweils auf dessen äußeren Seiten angeordnet sind;
Isolatoren 15A und 15B, die, in der Zellstapelrichtung
gesehen, jeweils auf den äußeren Seiten der Anschlussplatten 14A und 14B angeordnet
sind; und Endplatten 16A und 16B, die, in der
Zellstapelrichtung gesehen, jeweils auf den äußeren
Seite der Isolatoren 15A und 15B angeordnet sind.
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Jede
der Leistungserzeugerzellen 12 besteht aus einer Membran/Elektroden-Anordnung,
die eine Elektrolytmembran aus einer Ionentauschermembran und ein
Paar Elektroden, die beide Oberflächen dieser Membran halten,
aufweist, und aus einem Paar Separatoren, die diese Membran/Elektroden-Anordnung
von deren Außenseiten halten. Die Separatoren sind Leiter,
die beispielsweise aus einem Metall als einem Basismaterial bestehen,
und die Gasleitungen zum Liefern eines Kathodengases, wie Luft,
und eines Anodengases, wie Wasserstoffgas, zu Elektroden aufweisen,
und die dazu dienen, die Mischung verschiedener Arten von Fluiden,
die zu den aneinander angrenzend angeordneten Leistungserzeugerzellen 12 geliefert
werden sollen, zu blockieren. Dieser Aufbau kann eine elektrochemische
Reaktion in der Membran/Elektroden-Anordnung der Leistungserzeugerzelle 12 bewirken,
um eine elektromotorische Kraft zu erhalten. Darüber hinaus
ist diese elektrochemische Reaktion eine Wärme erzeugende
Reaktion, und daher ist der Separator mit einer Kühlmittelleitung
ausgestattett, durch die ein Kühlmittel (Kühlwasser
oder dergleichen) zum Abkühlen der Brennstoffzelle strömt.
Darüber hinaus ist die Leistungserzeugerzelle 12 mit
einem (nicht dargestellten) Durchgangsloch versehen, um eine Mehrfachleitung
(bzw. einen Verteiler) zu bilden. Wenn die vielen Leistungserzeugerzellen 12 übereinander
gelegt werden, um den Leistungserzeugerzellen-Stapel 11 zu
bilden, werden diese Löcher übereinander angeordnet,
wodurch (nicht dargestellte) Mehrfachleitungen für die
Zirkulation des Anodengases, die Zirkulation des Kathodengases und
die Zirkulation des Kühlmittels in der Zellstapelrichtung durch
den Stapel hindurch ausgebildet werden.
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Die
Endzellen 13A und 13B sind Nicht-Leistungserzeugerzellen,
die nicht zur Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 1 beitragen.
Genauer weist jede Endzelle, wie in 2 dargestellt,
einen Isolierabschnitt 24 auf mit einem flächengebildeartigen
Isoliermaterial 21, einer Halteplatte 22, die,
in der Zellstapelrichtung gesehen, an einer Oberfläche
des Isoliermaterials 21 angeordnet ist, und einer Halteplatte 23,
die, in der Zellstapelrichtung gesehen, an der anderen Oberfläche
des Isoliermaterials angeordnet ist, der so aufgebaut ist, dass
das Isoliermaterial 21, in der Zellstapelrichtung gesehen,
von beiden Seiten des Materials von den Halteplatten 22 und 23 gehalten
wird, und dass ein Harzmaterial 32 zwischen den Enden der
Halteplatten 22 und 23 angeordnet ist. Die Endzelle
ist so aufgebaut, dass ein Separator 35, der mit einer
Kathodengasleitung 37 versehen ist, auf einer Seite, auf
der sich eine Halteplatte 22 befindet, mit einem dazwischen
angeordneten Separator 36 an der Oberfläche des
Isolierabschnitts 24, angeordnet ist.
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Das
Isoliermaterial 21 weist physikalische Eigenschaften auf
wie eine Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/mK oder
weniger, eine Porosität von 70% oder mehr und einen elektrischen
Widerstand von etwa 250 mΩ unter einer Last von 0,2 MPa.
In der vorliegenden Ausführungsform werden als Materialien, aus
denen das Isoliermaterial 21 besteht, beispielsweise ein
leitfähiges Material aus Kohlenstoff oder dergleichen und
ein thermoplastisches Harz als ein Bindemittel dafür verwendet.
Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform
die Dicke des Isoliermaterials 21 (die Dicke in der Zellstapelrichtung) auf
etwa 2 mm eingestellt.
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Die
Halteplatte 22 besteht aus einem leitfähigen Material
(Edelstahl in der vorliegenden Ausführungsform), und ihre
Mitte ist mit einem konkaven Vertiefungsabschnitt 26 (siehe 3)
versehen, in dem das Isoliermaterial 21 befestigt ist.
Darüber hinaus ist, wie in 3 dargestellt,
die Halteplatte 22 mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 27A bis 27F versehen,
um Mehrfachleitungen zu bilden. Die Durchgangslöcher 27A, 27B und 27C werden
verwendet, um die jeweiligen Mehrfachleitungen für die Zufuhr
des Kathodengases, die Zufuhr des Kühlmittels und die Zufuhr
des Anodengases zu bilden, und die Durchgangslöcher 27D, 27E und 27F werden
verwendet, um die jeweiligen Mehrfachleitungen für die Abfuhr
des Kathodengases, die Abfuhr des Kühlmittels und die Abfuhr
des Anodengases zu bilden. In der Oberfläche der Halteplatte 22,
die der mit dem Vertiefungsabschnitt 26 versehenen Oberfläche
entgegengesetzt ist, ist eine Anodengasleitung 28 ausgebildet.
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Die
Halteplatte 23 besteht aus einem leitfähigen Material
(Edelstahl in der vorliegenden Ausführungsform), und ihre
Mitte ist mit einem konkaven Vertiefungsabschnitt 29 versehen
(siehe 2), in dem das Isoliermaterial 21 befestigt
ist. Darüber hinaus ist, auf die gleiche Weise wie bei
der Halteplatte 22, die Halteplatte 23 mit einer
Vielzahl von Durchgangslöchern (nicht dargestellt) versehen,
um Mehrfachleitungen zu bilden. In der Oberfläche der Halteplatte 23,
die der mit dem Vertiefungsabschnitt 29 versehenen Oberfläche
entgegengesetzt ist, ist eine Kühlwasserleitung 31 ausgebildet.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass auch die Separatoren 35 und 36,
auf die gleiche Weise wie in den Halteplatten 22 und 23,
mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (nicht dargestellt)
versehen sind, um Mehrfachleitungen zu bilden.
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Die
Anschlussplatten 14A und 14B sind Anschlusselektroden
zum Abnehmen einer Leistung, und sie sind unter Verwendung eines
Metalls, wie Eisen, Edelstahl, Kupfer oder Aluminium, in Plattenform
ausgebildet. Die Anschlussplatten 14A und 14B der
vorliegenden Ausführungsform sind so angeordnet, dass sie
in direkten Kontakt mit den Endzellen 13A und 13B kommen.
Die Oberflächen der Anschlussplatten 14A und 14B,
die mit den Endzellen 13A und 13B in Kontakt kommen,
werden einer Oberflächenbehandlung, wie einer Galvanisierungs- bzw.
Plattierungsbehandlung unter Verwendung von Gold, Silber, Aluminium,
Nickel, Zink oder Zinn, unterzogen, und diese Oberflächenbehandlung
ermöglicht einen Kontaktwiderstand zwischen der Anschlussplatte 14A und
der Endzelle 13A und einen Kontaktwiderstand zwischen der
Anschlussplatte 14B und der Endzelle 13B. Darüber
hinaus sind beide oder ist eine der Anschlussplatten 14A und 14B mit
Löchern versehen, um, auf die gleiche Weise wie in den
Leistungserzeugerzellen 12, den Halteplatten 22 und 23 und
dergleichen, Mehrfachleitungen auszubilden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass eine Spannplatte (nicht dargestellt) über
den Endplatten 16A und 16B gespannt ist, und dass
die Spannplatte an den Endplatten 16A und 16B angeschraubt
ist, wodurch an die Brennstoffzelle 1 eine vorgegebene
Kompressionskraft (eine Befestigungslast) in ihrer Zellstapelrichtung
angelegt wird.
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In
der Brennstoffzelle 1, die solchermaßen aufgebaut
ist, sind, in der Zellstapelrichtung gesehen, beide Enden des Zellenstapels 10 mit
den Endzellen 13A und 13B versehen, und die Endzellen 13A und 13B sind
mit den Isolierabschnitten 24 versehen, wodurch ein Temperaturabfall,
der auf eine Wärmeabgabe von den Anschlussplatten 14A und 14B,
den Endplatten 16A und 16B oder dergleichen zurückgeht,
unterdrückt werden kann, und die Wärmediffusion
zwischen der Innen- und der Außenseite der Brennstoffzelle 1 wirksam
unterdrückt werden kann. Daher kann das Startverhalten
der Brennstoffzelle 1 nicht nur in einer Umgebung mit normalen
Temperaturen, sondern auch in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen
verbessert werden.
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Dann
wurde eine Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit
(W/mK) und der Porosität (%) des Isoliermaterials 21 überprüft,
und dieses Ergebnis wurde mit x in einen Graphen eingetragen, der
in 4 dargestellt ist. Aus 4 ist ersichtlich,
dass, wenn die Porosität (%) des Isoliermaterials 21 niedrig ist,
eine Schwankung der Wärmeleitfähigkeit (W/mK) auftritt.
Genauer ist zu sehen, dass es, wenn die Porosität (%) des
Isoliermaterials 21 unter 70% liegt, leicht zu einer Schwankung
der Wärmeleitfähigkeit (W/mK) kommt, und dass,
wenn die Porosität (%) des Isoliermaterials 21 bei
70% oder darüber liegt, die Schwankung der Wärmeleitfähigkeit
(W/mK) abnimmt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Ausführungsform
beschrieben wurde, dass die Endzellen 13A und 13B,
bei denen es sich um Nicht-Leistungserzeugerzellen handelt, in der
Zellstapelrichtung gesehen, auf beiden Seiten des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet
sind, und dass die Anschlussplatten 14A und 14B jeweils auf
den, in der Zellstapelrichtung gesehen, äußeren Seiten
der Endzellen 13A und 13B angeordnet sind, aber
die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt. Wie beispielsweise in 5 dargestellt
ist, kann eine Isolierzelle 20, bei der es sich um eine
Nicht-Leistungserzeugerzelle handelt, auf der insgesamt negativen
Seite eines Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet
sein, eine Leistungserzeugerzelle 12 kann auf der dem Leistungserzeugerzellen-Stapel 11 entgegengesetzten
Seite der Isolierzelle 20 angeordnet sein, eine Endzelle 13B kann
auf der insgesamt negativen Seite des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet
sein, und eine Endzelle 13A kann auf der insgesamt positiven
Seite des Leistungserzeugerzellen-Stapels 11 angeordnet
sein. Wie in 6 dargestellt, weist die Isolierzelle 20 einen
Isolierabschnitt 27 mit einem Isoliermaterial 21 und
mit Halteplatten 23 auf, die, in der Zellstapelrichtung
gesehen, auf beiden Oberflächen des Isoliermaterials 21 angeordnet
sind, der so aufgebaut ist, dass das Isoliermaterial 21,
in der Zellstapelrichtung gesehen, von beiden Seiten des Materials
von den Halteplatten 23 gehalten wird, und dass ein Harzmaterial 32 zwischen
den Enden der Halteplatten 23 angeordnet ist. Bei diesem Aufbau
sind die Isolierzelle 20 und die Endzelle 13B auf
der insgesamt negativen Seite des Zellenstapels 10 angeordnet,
und daher kann die Wärmediffusion zwischen der Innen- und
der Außenseite der Brennstoffzelle 1 noch wirksamer
unterdrückt werden.
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Darüber
hinaus können in der Brennstoffzelle 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung, wie in 7 dargestellt,
Endzellen 13A und 13B an den, in der Zellstapelrichtung
gesehen, äußeren Seiten von Anschlussplatten 14A und 14B angeordnet
sein. Auch in diesem Fall kann ein Temperaturabfall, der auf eine Wärmeabgabe
von den Anschlussplatten 14A und 14B, den Endplatten 16A und 16B oder
dergleichen zurückgeht, unterdrückt werden, und
die Wärmediffusion zwischen der Innen- und der Außenseite
der Brennstoffzelle 1 kann auf die gleiche Weise wie in der
obigen Ausführungsform wirksam unterdrückt werden.
Daher kann das Startverhalten der Brennstoffzelle 1 nicht
nur in einer Umgebung mit normalen Temperaturen verbessert werden,
sondern auch in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen. Es sei darauf
hingewiesen, dass bei diesem Aufbau Isolierzellen 20 auf
den, in der Zellstapelrichtung gesehen, inneren Seiten der Anschlussplatten 14A und 14B angeordnet
sein können.
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Ferner
kann in der Brennstoffzelle 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung eine übliche Brennstoffzelle, die
nicht mit dem Isoliermaterial 21 versehen ist, verwendet
werden, und die einzige Isolierzelle 20 kann nach Wunsch
angeordnet werden.
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Selbstverständlich
kann die vorliegende Erfindung auch auf die Brennstoffzelle 1 angewendet werden,
die so aufgebaut ist, dass viele Zellenstapel über eine
Verbindungsplatte elektrisch miteinander verbunden sind.
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Ferner
wurde in der vorliegenden Erfindung beschrieben, dass die Halteplatten 22 und 23 aus Edelstahl
bestehen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt, und die Halteplatten 22 und 23 können
aus einem anderen Material, wie einem Harz, bestehen, solange das Material
leitfähig ist und die Funktion der Brennstoffzelle 1 nicht
beeinträchtigt. Genauer können die Halteplatten 22 und 23,
wenn ein leitfähiges Harz als das Material der Halteplatten 22 und 23 verwendet
wird, auf einfache Weise beispielsweise anhand von Spritzgießen
oder dergleichen gebildet werden, und somit kann die Verarbeitbarkeit
verbessert werden.
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Darüber
hinaus hat das leitfähige Harz im Vergleich zu Edelstahl
ausgezeichnete Isoliereigenschaften und kann somit die Isoliereigenschaften
im Vergleich zu den aus Edelstahl bestehenden Halteplatten 22 und 23 verbessern.
Wenn die aus Edelstahl bestehenden Halteplatten 22 und 23 verwendet werden,
ist somit das Harzmaterial 32, das zwischen den Halteplatten 22 und 23 angeordnet
wird, um in einer Richtung, die im Wesentlichen vertikal ist zur
Zellstapelrichtung, Isoliereigenschaften bereitzustellen, nicht
erforderlich, und die Zahl der Komponenten kann verringert werden.
Da die Halteplatten 22 und 23 aus dem leitfähigen
Harz bestehen, kann ferner die Zunahme der Wärmekapazität
der Halteplatten 22 und 23 unterdrückt
werden, und die Leistungserzeugungseffizienz während einer
Inbetriebnahme bei hohen Temperaturen kann verbessert werden. Außerdem
können die Eigengewichte der Halteplatten 22 und 23 gesenkt
werden.
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Ferner
wurde in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben,
dass als die Materialien, aus denen das Isoliermaterial 21 besteht,
beispielsweise das leitfähige Material aus Kohlenstoff
oder dergleichen und das thermoplastische Harz als dessen Bindemittel
verwendet werden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese
Ausführungsform beschränkt. Solange das Isoliermaterial 21 die
Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/mK oder weniger und
die Porosität von 70% oder mehr aufweist und nicht die Leistung
der Brennstoffzelle 1 beeinträchtigt, kann ein
anderes Material verwendet werden, beispielsweise ein Nickelschaummaterial,
ein poröses Material, das einer Oberflächenbehandlung
unterzogen wird, um einen elektrischen Widerstand zu erhalten, ein
Flächengebilde, das durch Mischen eines leitfähigen
Materials wie Kohlenstoff (leitfähigem Ruß) und Fluorkohlenstoffharz
erhalten wird, Graphit, eine Kohlenstoff-Nanoröhre, chemisch
modifizierter Ruß, ein Flächengebilde, das durch
Mischen von Metallpulver (z. B. Gold, Silber, Platin oder dergleichen)
mit einem einzigen Material aus PTFE, ETFE, PVdF, PFA oder dergleichen
erhalten wird, oder einer Vielzahl von Fluorkohlenstoffharz-Typen
oder dergleichen.
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Darüber
hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform das Isoliermaterial 21,
das physikalische Eigenschaften wie einen elektrischen Widerstand
von etwa 250 mΩ unter einer Last von 0,2 MPa aufweist,
verwendet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt, und der elektrische Widerstand des Isoliermaterials 21 kann
nach Wunsch ausgewählt werden, ist aber vorzugsweise beispielsweise
etwa 400 mΩ oder weniger unter einer Last von 0,2 MPa.
Ferner wurde in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben,
dass die Dicke des Isoliermaterials 21 auf etwa 2 mm eingestellt
wird, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt, und die Dicke des Isoliermaterials 21 kann
beliebig, auf eine solche Dicke eingestellt werden, dass gewünschte Isoliereigenschaften
gemäß der Wärmeleitfähigkeit und
Porosität des Isoliermaterials 21, dem Aufbau des
Brennstoffzellenstapels, den anderen Einsatzbedingungen und dergleichen
erhalten werden.
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Zusammenfassung
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BRENNSTOFFZELLE
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Es
wird eine Brennstoffzelle offenbart, in der ein Isoliermaterial
angeordnet ist, durch das die Wärmediffusion der Innen-
und der Außenseite einer Brennstoffzelle unterdrückt
werden kann, um die auf einen Temperaurabfall zurückgehende
Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung zu unterdrücken. Darüber
hinaus werden die physikalischen Eigenschaften des Isoliermaterials
spezifiziert, mit denen geeignete Isoliereigenschaften, die in der
Brennstoffzelle benötigt werden, erhalten werden können
und das Startverhalten verbessert werden kann. Eine Brennstoffzelle 1 weist
einen Zellenstapel 10, in dem eine Vielzahl von Einheitszellen
gestapelt sind, und Anschlussplatten 14A und 14B auf,
die, in der Zellstapelrichtung gesehen, auf beiden Seiten des Zellenstapels 10 angeordnet
sind. Die Brennstoffzelle weist einen Isolierabschnitt 24 mit
einem Isoliermaterial 21 und mit Halteplatten 22 und 23 auf,
die das Isoliermaterial 21, in der Zellstapelrichtung gesehen, von
beiden Seiten des Isoliermaterials halten, das Isoliermaterial 21 wird
zwischen den Halteplatten 22 und 23 gehalten,
und das Isoliermaterial 21 weist eine Wärmeleitfähigkeit
von 0,1 W/mK oder weniger und eine Porosität von 70% oder
mehr auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-332006 [0005]
- - JP 2006-147502 [0005]