DE102004031114A1

DE102004031114A1 - Brennstoffzellengehäuse und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004031114A1
Application number: DE102004031114A
Authority: DE
Inventors: Itaru Kokubu Ishii
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: JP4583005B2; CN1604376A; JP2005019236A; US20060115707A1; CN1319200C; DE102004031114B4; KR100617986B1; US20050048344A1; US20060115708A1; KR20050001475A; US7435500B2

Abstract

Das Brennstoffzellengehäuse umfaßt mehrere gestapelte Einheiten. Jede Einheit umfaßt einen Basiskörper (6) mit einer Ausnehmung zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe (3), einen im Basiskörper (6) ausgebildeten ersten Fluidkanal (8), einen im Basiskörper (6) ausgebildeten ersten Verdrahtungsleiter (10), einen Deckelkörper (7) zum hermetischen Abdichten der Ausnehmung, einen im Deckelkörper (7) ausgebildeten zweiten Fluidkanal (9) und einen im Deckelkörper (7) ausgebildeten zweiten Verdrahtungsleiter (11). Der erste Verdrahtungsleiter einer unteren Einheit ist elektrisch mit dem zweiten Verdrahtungsleiter einer oberen Einheit verbunden. Jede Einheit weist an einem auf der Seite einer daneben liegenden Einheit angeordneten Endabschnitt einer ihrer Seitenflächen eine Ausbuchtung (12) auf, und die nebeneinander liegenden Einheiten werden an den Ausbuchtungen (12) minteinander verbunden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technischer Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengehäuse, in dem eine Membranelektrodenbaugruppe untergebracht werden kann und das aus Keramik gefertigt, klein und hoch zuverlässig ist, sowie eine Brennstoffzelle, für die es verwendet wird.

2. Beschreibung der verwandten Technik

In den jüngsten Jahren wurde mit Hochdruck an der Entwicklung kompakter Brennstoffzellen gearbeitet, die bei einer niedrigeren Temperatur als je zuvor betrieben werden können. Brennstoffzellen werden entsprechend den verwendeten Elektrolyten klassifiziert. So sind beispielsweise (nachstehend als „PEFC" bezeichnete) Polymerelektrolytbrennstoffzellen, Phosphorsäurebrennstoffzellen und Feststoffoxidbrennstoffzellen bekannt.

Unter diesen kann insbesondere die PEFC bei niedrigen Temperaturen von 80 bis 100°C betrieben werden, wobei sie auch die folgenden, zahlreichen, ausgezeichneten Eigenschaften besitzt:

(1) ihre Energiedichte ist hoch, und eine Miniaturisierung und eine Verringerung des Gewichts sind möglich,
(2) da eine Elektrolytmembran nicht korrodierend ist, ist ihre Betriebstemperatur niedrig, und daher bestehen in bezug auf die für die Zelle verwendeten Materialien unter dem Aspekt der Korrosionsbeständigkeit wenig Einschränkungen, und
(3) die Aktivierung bei normalen Temperaturen ist möglich, und daher ist die Aktivierungszeit kurz. Es wurde in Betracht gezogen, die PEFC unter Ausnutzung derartiger Eigenschaften nicht nur als Antriebsenergiequelle für ein Fahrzeug, kombiniertes Haushalts-Energieerzeugungs- und Heizsystem oder dergleichen zu verwenden, sondern auch als Energiequellen für mobile elektronische Geräte, wie Mobiltelefone, PDAs (Personal Digital Assistants), Personal Computer des Notbook-Typs, digitale Kameras, Videorecorder und dergleichen, deren Ausgänge einige Watt bis einige zehn Watt betragen.

Im wesentlichen ist eine PEFC aus einer Brennstoffelektrode (Anode), einer Luftelektrode (Kathode) und einer zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordneten filmartigen Membranelektrodenbaugruppe zusammengesetzt. Die Brennstoffelektrode ist aus einer Kohlenstoffelektrode mit daran angebrachten feinen Katalysatorpartikeln aus Platin, Platin-Ruthenium oder dergleichen ausgebildet. Die Luftelektrode ist aus einer Kohlenstoffelektrode mit daran haftenden, feinen Katalysatorpartikeln aus Platin oder dergleichen ausgebildet. Hierbei wird der Brennstoffelektrode von einem Reformierabschnitt extrahiertes Wasserstoffgas (H₂) zugeführt, wogegen der Luftelektrode in der Luft vorhandenes Sauerstoffgas (O₂) zugeführt wird. Durch eine elektrochemische Reaktion wird elektrische Energie mit einem bestimmten Pegel erzeugt (Erzeugung von elektrischem Strom), wodurch als Antriebsenergie (Spannung/Strom) für eine Last fungierende elektrische Energie erzeugt wird.

Genauer wird, wie durch die folgende chemische Gleichung (1) ausgedrückt, durch die Wirkung des Katalysators ein Wasserstoffion (ein Proton, H⁺) erzeugt, dem ein Elektron (e^–) entzogen wurde, wenn der Brennstoffelektrode Wasserstoffgas (H₂) zugeführt wird, und das Proton passiert die Membranelektrodenbaugruppe zur Luftelektrode. Gleichzeitig wird das Elektron (e^–) von der Kohlenstoffelektrode abgegeben, die die Brennstoffelektrode bildet, und dann einer Last zugeführt. 3H₂ → 6H⁺ + 6e^– (1)

Wenn der Luftelektrode Luft zugeführt wird, reagieren andererseits das Elektron (e^–), das die Last erreicht hat, das Wasserstoffion (H⁺), das die Membranelektrodenbaugruppe passiert hat, und das in der Luft vorhandene Sauerstoffgas (O₂) durch die Wirkung des Katalysators miteinander, wie durch die folgende chemische Gleichung (2) ausgedrückt, wodurch Wasser (H₂O) erzeugt wird. 6H⁺ + 3/2O₂ + 6e^– → 3H₂O (2)

Eine derartige Folge elektrochemischer Reaktionen (siehe die Gleichungen (1) und (2)) findet üblicher Weise bei verhältnismäßig geringen Temperaturen von ca. 80 bis 100°C statt. Grundsätzlich ist das einzige Nebenprodukt neben elektrischen Strom Wasser (H₂O).

Als ionisch leitende Membran (Polymerfeststoffelektrolyt), die die Membranelektrodenbaugruppe bildet, waren bisher eine aus einer Polystyrenbasis mit einer Sulfonsäuregruppe zusammengesetzte Kationaustauschmembran, eine Mischmembran aus Fluorkohlenstoff-Sulfonsäure und Polyvinylidenfluorid, eine durch Pfropfen von Trifluorethylen auf eine Fluorkohlenstoffmatrix erhaltene Membran und dergleichen bekannt. In den jüngsten Jahren wurde beispielsweise eine (bei der DuPont Co. unter der Handelsbezeichnung „Nafion" erhältliche) Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäuremembran verwendet.

4 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer Brennstoffzelle (PEFC) mit einer herkömmlichen Konstruktion zeigt. In der Figur bezeichnen das Bezugszeichen 21 die PEFC, das Bezugszeichen 23 eine Membranelektrodenbaugruppe, die Bezugszeichen 24 und 25 zwei poröse Elektroden, die so auf der Membranelektrodenbaugruppe 23 angeordnet sind, daß die Membranelektrodenbaugruppe zwischen ihnen angeordnet ist, und die die Funktion einer Gasdiffusionsschicht und einer Katalysatorschicht, d.h. einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, haben, das Bezugszeichen 26 einen Gastrenner, das Bezugszeichen 28 einen Brennstoffkanal, das Bezugszeichen 29 einen Luftkanal, das Bezugszeichen 30 Stromsammelplatten, das Bezugszeichen 31 Klemmplatten und das Bezugszeichen 32 Schrauben.

Der Gastrenner 26 ist aus einem Stapelabschnitt, einem Gaseinlaß- und Auslaßrahmen, einem Trennungsabschnitt und Elektroden zusammengesetzt. Der Stapelabschnitt und der Gaseinlaß- und Auslaßrahmen bilden die äußere Form des Gastrenners 26. Der Trennungsabschnitt dient dem Trennen des Brennstoffkanals 28 von dem Luftkanal 29. Die Elektroden sind so angeordnet, daß sie den Trennungsabschnitt durchdringen und der Brennstoffelektrode 24 und der Luftelektrode 25 der Membranelektrodenbaugruppe 23 entsprechen. Mehrere Membranelektrodenbaugruppen 23 sind über die Gastrenner 26 so aufeinander gestapelt, daß die Brennstoff und die Luftelektrode 24 und 25 der Membranelektrodenbaugruppe 23 über einen elektrischen Anschluß in Reihe oder parallel geschaltet sind. Der elektrische Strom wird mittels der Stromsammelplatten 30 gewonnen. Der Gastrenner 26 wird unter Verwendung der Klemmplatten 31 durch die Schrauben 32 mit einem geeigneten Oberflächendruck eingeklemmt. Daraufhin wird ein Brennstoffzellenstapel, d.h. eine Mindesteinheit einer Zelle, konstruiert. Durch die Unterbringung des Brennstoffzellenstapels in einem Gehäuse wird ein üblicher PEFC-Hauptkörper realisiert.

Der Brennstoffelektrode 24 wird von einer Reformiervorrichtung über den im Gastrenner 26 ausgebildeten Brennstoffkanal 28 Brennstoffgas, das Wasserdampf enthält (wasserstoffreiches Gas), zugeführt, der Luftelektrode 25 wird über den Luftkanal 29 Luft als oxidierendes Gas aus der Luft zugeführt, und durch eine chemische Reaktion in der Membranelektrodenbaugruppe 23 wird elektrischer Strom erzeugt.

Als verwandte Techniken liegen die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP-A-2001-266910 und die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP-A 2001-507501 vor.

Die bisher als Hochspannungszelle mit hoher Kapazität vorgeschlagene und entwickelte Brennstoffzelle 21 ist jedoch eine schwere und große Zelle mit einer Stapelstruktur, deren Bauteile große Abmessungen aufweisen, und die Verwendung einer Brennstoffzelle als kleine Zelle wurde bisher kaum in Betracht gezogen.

Genauer tritt bei dem in der Brennstoffzelle 21 angeordneten, herkömmlichen Gastrenner 26 das Problem auf, daß die Konstruktion aufgrund eines Sturzes beim Transport leicht beschädigt werden kann und daß es schwer ist, die mechanische Zuverlässigkeit der gesamten Brennstoffzelle 21 zu garantieren, weil die Seitenflächen der Membranelektrodenbaugruppen 23 bei einem durch Stapeln der Membranelektrodenbaugruppen 23 unter Verwendung des Gastrenners erzeugten, gestapelten Körper nach außen hin freiliegen.

Überdies ist zur Installation der Brennstoffzelle 21 in einem mobilen elektronischen Gerät ein Brennstoffzellengehäuse erforderlich, das, anders als ein herkömmliches, großes Brennstoffzellengehäuse, hinsichtlich der Kompaktheit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit ausgezeichnet ist. Anders ausgedrückt sind für eine Anwendung als tragbare Stromquelle, wie eine chemische Mehrzweckzelle, zum Zwecke der Verkürzung der Zeit zur Erhöhung der Temperatur auf die Betriebstemperatur und des Niedrighaltens der Wärmekapazität eine Miniaturisierung und flache Gestaltung eines Brennstoffzellengehäuses erforderlich. Der Gastrenner 26, der bei einer herkömmlichen Brennstoffzelle 21 einen großen Teil der Wärmekapazität dominiert, genauer, der Gastrenner 26, bei dem durch eine spanabhebende Bearbeitung Kanäle auf der Oberfläche einer Kohlenstoffplatte erzeugt werden, wird jedoch zerbrechlich, wenn er dünnwandig wird, und daher benötigt er eine Dicke von einigen Millimetern. Dadurch tritt auch das Problem auf, daß eine Miniaturisierung und eine flache Gestaltung schwierig sind.

Es existiert ein weiteres Problem, das die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 21 betrifft. Wenn der Gastrenner 26 dicker gefertigt wird, wird der Widerstand erhöht, und daher werden Spannungsverluste in bezog auf den Ausgangsstrom gesteigert. Dadurch wird die Ausgangsspannung verringert. Ferner müssen die Kombinationen aus mehreren Membranelektrodenbaugruppen 23, den einander gegenüberliegenden Brennstoffelektroden 24 und Luftelektroden 25 und den Gastrennern 26 auf effiziente Weise wahlweise entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden, um die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom als Ganzes einzustellen. Bei der herkömmlichen Brennstoffzelle 21 wird zum Erhalt elektrischen Stroms von der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode, zwischen denen die Membranelektrodenbaugruppen 23 angeordnet ist, ein Verfahren angewendet, bei dem die Stromsammelplatten 30 mit einer externen elektrischen Schaltung verbunden und die Membranelektrodenbaugruppen über mehrere Gastrenner 26 als leitende Materialien gestapelt und durch die Klemmplatten 31 in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall müssen die Stromsammelplatte 30, die Klemmplatte 31 und die Schraube 32 ungünstiger Weise elektrisch voneinander isoliert werden. Daher treten bei der herkömmlichen Brennstoffzelle die Probleme einer Zunahme der Anzahl der Bauteile, der Schwierigkeit einer flacheren Gestaltung und einer mangelhaften Flexibilität bei der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den einzelnen Zellen auf, wenn sie kompakt gestaltet wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme des Stands der Technik entwickelt, und dementsprechend ist es ihre Aufgabe, ein kompaktes, robustes und hoch zuverlässiges Brennstoffzellengehäuse, in dem eine Membranelektrodenbaugruppe untergebracht werden kann und das eine hoch effiziente elektrische Verbindung ermöglicht, sowie eine Brennstoffzelle zu schaffen, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird.

Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse geschaffen, das
mehrere aufeinander gestapelte Brennstoffzellengehäuseeinheiten umfaßt, die jeweils
einen aus Keramik gefertigten Basiskörper mit einer auf seiner einen Oberfläche ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfaßt, die jeweils auf ihrer einen und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind,
einen ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt,
einen ersten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers führt,
einen Deckelkörper zum hermetischen Abdichten der Ausnehmung, der in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt,
einen zweiten Fluidkanal, der sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt, und
einen zweiten Verdrahtungsleiter umfassen, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf einer Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt,
wobei der erste Verdrahtungsleiter einer Brennstoffzellengehäuseeinheit elektrisch mit dem zweiten Verdrahtungsleiter einer weiteren Brennstoffzellengehäuseeinheit verbunden ist, die auf sie gestapelt und neben ihr angeordnet ist,
jede der Brennstoffzellengehäuseeinheiten eine Ausbuchtung aufweist, die an einem auf der Seite einer daneben liegenden Zellengehäuseeinheit angeordneten Endabschnitt einer ihrer Seitenflächen ausgebildet ist und die nebeneinander liegenden Brennstoffzellengehäuseeinheiten an ihren Ausbuchtungen miteinander verbunden sind.

Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse geschaffen, das
mehrere aufeinandergestapelte Brennstoffzellengehäuseeinheiten umfaßt, die jeweils
einen aus Keramik gefertigten Basiskörper, in dessen einer Oberfläche mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe ausgebildet sind, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfaßt, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind,
einen ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt,
einen dritten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen zweites Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers führt,
einen Deckelkörper zum hermetischen Abdichten der Ausnehmungen, der in der Nähe der Ausnehmungen so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß er die Ausnehmungen bedeckt,
einen zweiten Fluidkanal, der sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt,
einen vierten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf einer Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt, und
einen auf dem Basiskörper ausgebildeten fünften Verdrahtungsleiter umfassen, dessen eines Ende mit dem auf der Bodenfläche einer der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem auf der Bodenfläche einer weiteren der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter verbunden ist,
wobei der dritte Verdrahtungsleiter einer Brennstoffzellengehäuseeinheit elektrisch mit dem vierten Verdrahtungsleiter einer weiteren Brennstoffzellengehäuseeinheit verbunden ist, die auf sie gestapelt und neben ihr angeordnet ist,
jede der Brennstoffzellengehäuseeinheiten eine Ausbuchtung aufweist, die an einem auf der Seite einer daneben liegenden Zellengehäuseeinheit ausgebildeten Endabschnitt einer ihrer Seitenflächen ausgebildet ist und die nebeneinander liegenden Brennstoffzellengehäuseeinheiten an ihren Ausbuchtungen miteinander verbunden sind.

Durch die Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse geschaffen, das
mehrere aufeinandergestapelte Brennstoffzellengehäuseeinheiten umfaßt, die jeweils
einen aus Keramik gefertigten Basiskörper, auf dessen einer Oberfläche mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe ausgebildet sind, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfaßt, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind,
einen ersten Fluidkanal, der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt,
einen sechsten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers führt,
einen Deckelkörper zum hermetischen Abdichten der Ausnehmungen, der in der Nähe der Ausnehmungen so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß er die Ausnehmungen bedeckt,
einen zweiten Fluidkanal, der sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt,
einen siebten Verdrahtungsleiter umfassen, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe auf der Oberfläche des Deckelkörpers angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers führt,
wobei das Brennstoffzellengehäuse ferner
einen achten Verdrahtungsleiter, dessen eines Ende mit dem auf der Bodenfläche einer der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden sechsten Verdrahtungsleiter verbunden ist und dessen anderes Ende zu der einen Oberfläche des Basiskörpers führt, auf dem der Deckelkörper montiert ist, und
einen neunten Verdrahtungsleiter umfaßt, dessen eines Ende mit dem auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode einer in einer weiteren der mehreren Ausnehmungen untergebrachten Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden siebten Verdrahtungsleiter verbunden ist und dessen anderes Ende so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers führt, die auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß es dem anderen Ende des achten Verdrahtungsleiters gegenüberliegt,
der sechste Verdrahtungsleiter einer Brennstoffzellengehäuseeinheit elektrisch mit dem siebten Verdrahtungsleiter einer weiteren Brennstoffzellengehäuseeinheit verbunden ist, die auf sie gestapelt und neben ihr angeordnet ist,
jede der Brennstoffzellengehäuseeinheiten eine Ausbuchtung aufweist, die an einem auf der Seite einer daneben liegenden Zellengehäuseeinheit ausgebildeten Endabschnitt einer ihrer Seitenflächen ausgebildet ist und die nebeneinander liegenden Brennstoffzellengehäuseeinheiten an ihren Ausbuchtungen miteinander verbunden sind.

Ferner ist der achte Verdrahtungsleiter erfindungsgemäß auf der anderen Brennstoffzellengehäuseeinheit vorgesehen, und der neunte Verdrahtungsleiter ist auf der einen Brennstoffzellengehäuseeinheit vorgesehen
wobei der achte Verdrahtungsleiter und der neunte Verdrahtungsleiter über einen Verbindungsverdrahtungsleiter verbunden sind.

Erfindungsgemäß besteht ein zum Verbinden der Ausbuchtungen verwendeter Klebstoff aus einem Duromermaterial mit einer Aushärtungstemperatur von 200°C oder weniger.

Überdies weisen der Basiskörper und der Deckelkörper erfindungsgemäß jeweils eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr auf.

Überdies weisen der Basiskörper und der Deckelkörper erfindungsgemäß jeweils eine Dicke von 0,2 bis 5 mm auf.

Überdies bestehen der Basiskörper und der Deckelkörper erfindungsgemäß aus gesintertem Aluminiumoxid mit einer relativen Dichte von 90 % oder mehr.

Überdies wird durch die Erfindung eine Brennstoffzelle geschaffen, die
eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, und
das oben beschriebene Brennstoffzellengehäuse umfaßt,
wobei die Membranelektrodenbaugruppen in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses untergebracht sind, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet sind, daß zwischen der einen Hauptoberfläche und dem ersten Fluidkanal und zwischen der anderen Hauptoberfläche und dem zweiten Fluidkanal jeweils Fluid ausgetauscht werden kann, der erste Verdrahtungsleiter elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, der zweite Verdrahtungsleiter elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist und der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt.

Überdies wird durch die Erfindung eine Brennstoffzelle geschaffen, die
eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode umfaßt, die jeweils auf ihrer ersten Hauptoberfläche und auf ihrer zweiten Hauptoberfläche ausgebildet sind
und das oben beschriebene Brennstoffzellengehäuse umfaßt,
wobei die Membranelektrodenbaugruppen jeweils in den mehreren Ausnehmungen des Brennstoffzellengehäuses untergebracht sind, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet sind, daß zwischen der einen Hauptoberfläche und dem ersten Fluidkanal und zwischen der anderen Hauptoberfläche und dem zweiten Fluidkanal jeweils Fluid ausgetauscht werden kann, der dritte Verdrahtungsleiter elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, der vierte Verdrahtungsleiter elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist, der fünfte Verdrahtungsleiter elektrisch mit dem dritten Verdrahtungsleiter verbunden ist und der Deckelkörper in der Nähe der Ausnehmung so auf dem Basiskörper montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt.

Überdies wird durch die Erfindung eine Brennstoffzelle geschaffen, die
eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer zweiten Hauptoberfläche ausgebildet sind, und
das oben beschriebene Brennstoffzellengehäuse umfaßt,
wobei die Membranelektrodenbaugruppen jeweils in den mehreren Ausnehmungen des Brennstoffzellengehäuses untergebracht sind, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet sind, daß zwischen der einen Hauptoberfläche und dem ersten Fluidkanal und zwischen der anderen Hauptoberfläche und dem zweiten Fluidkanal jeweils Fluid ausgetauscht werden kann, der sechste Verdrahtungsleiter elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, der siebte Verdrahtungsleiter elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist, das eine Ende des achten Verdrahtungsleiters elektrisch mit dem sechsten Verdrahtungsleiter verbunden ist, das eine Ende des neunten Verdrahtungsleiters elektrisch mit dem siebten Verdrahtungsleiter verbunden ist, die anderen Enden des achten und des neunten Verdrahtungsleiters elektrisch miteinander verbunden sind und der Deckelkörper in der Nähe der Aus nehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt.

Erfindungsgemäß umfaßt das Brennstoffzellengehäuse einen aus Keramik gefertigten Basiskörper mit einer auf seiner einen Seite ausbildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, und einen Deckelkörper zum hermetischen Abdichten der Ausnehmung, der in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt. Bei dieser Konstruktion wird durch hermetisches Abdichten des Brennstoffzellengehäuses ein Austreten eines Fluids, wie eines Gases, verhindert werden. Da nicht die Notwendigkeit besteht, zusätzlich zu dem Gehäuse ein zusätzliches Paket herzustellen, können überdies eine Brennstoffzelle, die mit hoher Effizienz betrieben werden kann, realisiert und eine Miniaturisierung erreicht werden. Ferner wird die Brennstoffzelle konstruiert, indem mehrere Membranelektrodenbaugruppen in dem aus dem aus Keramik gefertigten Basiskörper, in dessen einer Oberfläche die Ausnehmung ausgebildet ist, und dem Deckelkörper zum Abdichten der Ausnehmung zusammengesetzten Gehäuse untergebracht werden. Daher tritt nie der Fall ein, daß die Membranelektrodenbaugruppe nach außen freiliegt, und daher kann die Membranelektrodenbaugruppe vor Beschädigungen geschützt werden, wodurch die mechanische Zuverlässigkeit der gesamten Brennstoffzelle verbessert werden kann. Daneben sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, der dritte bis fünfte Verdrahtungsleiter bzw. der sechste bis neunte Verdrahtungsleiter, deren eines Ende jeweils in dem aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuse angeordnet ist, die einzigen Bauteile, die in elektrischem Kontakt mit der Membranelektrodenbaugruppe stehen. Dies hält die gesamte Membranelektrodenbaugruppe frei von unnötigen elektrischen Anschlüs sen, wodurch eine hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgezeichnete Brennstoffzelle realisiert werden kann. Zudem kann die Brennstoffzelle durch die Verwendung von Keramik als Material zur Herstellung des Brennstoffzellengehäuses hoch beständig gegen durch Fluid, typisiert durch verschiedene gasförmige Stoffe, verursachte Korrosion gehalten werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß sich der erste Fluidkanal von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers erstreckt, wogegen sich der zweite Fluidkanal von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden einen Oberfläche des Deckelkörpers zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers erstreckt. Die Fluidkanäle sind einzeln an den entsprechenden inneren Wandflächen der Gehäuseeinheit ausgebildet, wobei die Membranelektrodenbaugruppe zwischen ihnen gehalten wird. Dadurch kann die gleichmäßige Zufuhr des der Membranelektrodenbaugruppe zuzuführenden Fluids verbessert werden.

Überdies kann die Dicke des Basiskörpers und des Deckelkörpers verringert werden, da sie aus Keramik gefertigt sind, die eine größere Festigkeit als ein herkömmliches Kohlenstofformmaterial aufweist, wodurch ihr Widerstand verringert werden kann. Dadurch kann eine Hochleistungsbrennstoffzelle realisiert werden, bei der kaum Spannungsverluste auftreten.

Ferner sind die einzelnen Brennstoffzellengehäuseeinheiten mittels eines Klebstoffs an ihren Ausbuchtungen aneinander befestigt. Dies bedeutet, daß nicht die Notwendigkeit besteht, Stromsammelplatten und Klemmplatten zu erzeugen. Dies hilft, die Anzahl der Bauteile zu verringern und ebenso, eine Verringerung der Dicke zu erreichen.

Da die Fluidkanäle im Basiskörper und im Deckelkörper getrennt ausgebildet sind, ist zudem jeder der Fluidkanäle ausgezeichnet hermetisch. Dadurch kann eine Vermischung von zwei verschiedenen fluiden Stoffen (beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder Methanol oder dergleichen) verhindert werden, die durch die Fluidkanäle unbedingt voneinander getrennt gehalten werden müssen. Dementsprechend tritt nie der Fall ein, daß die Brennstoffzelle aufgrund einer Vermischung der Fluide nicht ordnungsgemäß funktioniert oder daß sich brennbare, fluide Stoffe durch eine Vermischung bei hohen Temperaturen entzünden und explodieren. Dadurch kann die Sicherheit der Brennstoffzelle gewährleistet werden.

Erfindungsgemäß ist die Membranelektrodenbaugruppe in den Brennstoffzellen in der Ausnehmung im Brennstoffzellengehäuse untergebracht, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe sind so angeordnet, daß zwischen der einen Hauptoberfläche und dem ersten Fluidkanal und zwischen der anderen Hauptoberfläche und dem zweiten Fluidkanal jeweils Fluid ausgetauscht werden kann, der erste Verdrahtungsleiter ist elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden, der zweite Verdrahtungsleiter ist elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden, und der Deckelkörper ist in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert, daß er die Ausnehmung bedeckt. Da die Verdrahtungsleiter bei dieser Konstruktion eine freie elektrische Verdrahtung ermöglichen, können die gewünschte Spannung und der gewünschte Strom gewonnen werden.

Es ist daher ersichtlich, daß durch die Erfindung unter Ausnutzung der Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses eine kompakte, robuste und hoch zuverlässige Brennstoffzelle geschaffen wird, die selbst hinsichtlich der Gaszufuhr und hocheffizienter elektrischer Anschlüsse erfolgreich ist.

Überdies ist erfindungsgemäß im Basiskörper des Brennstoffzellengehäuses der fünfte Verdrahtungsleiter ausgebildet. Das eine Ende des fünften Verdrahtungsleiters ist mit dem auf der Bodenfläche einer der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter verbunden, und sein anderes Ende ist mit dem auf der Bodenfläche einer weiteren der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter verbunden. Durch diese Konstruktion können mehrere Membranelektrodenbaugruppen über einen elektrischen Anschluß parallel geschaltet werden. Dadurch kann der Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle ordnungsgemäß eingestellt werden, wodurch die in der Membranelektrodenbaugruppe elektrochemisch erzeugte Elektrizität unter guten Bedingungen entnommen werden kann.

Ferner weist das Brennstoffzellengehäuse erfindungsgemäß den achten und den neunten Verdrahtungsleiter auf, die jeweils in dem Basiskörper mit den mehreren Ausnehmungen zur Unterbringung der Membranelektrodenbaugruppe und dem auf dem Basiskörper zu montierenden Deckelkörper ausgebildet sind. Das eine Ende des achten Verdrahtungsleiters ist mit dem auf der Bodenfläche einer der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden sechsten Verdrahtungsleiter verbunden, und sein anderes Ende führt zu einem Teil der einen Oberfläche des Basiskörpers, auf der der Deckelkörper montiert ist. Das eine Ende des neunten Verdrahtungsleiters ist mit dem auf einer Oberfläche des Deckelkörpers der zweiten Elektrode der in einer weiteren der mehreren Ausnehmungen untergebrachten Membranelektrodenbaugruppe gegenüberliegenden siebten Verdrahtungsleiter verbunden, und sein anderes Ende führt so zu einem Teil der einen Oberfläche des Deckelkörpers, die auf der einen Oberfläche des Basiskörpers montiert ist, daß es dem anderen Ende des achten Ver drahtungsleiters gegenüberliegt. Durch diese Konstruktion können mittels einer elektrischen Verbindung mehrere Membranelektrodenbaugruppen in Reihe geschaltet werden. Obwohl durch die Stromproduktion einer einzigen Membranelektrodenbaugruppe nur eine geringe Spannung gewonnen werden kann, kann dadurch mittels der Realisierung einer Reihenschaltung die Gesamtspannung ordnungsgemäß eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Entnahme der in der Membranelektrodenbaugruppe elektrochemisch erzeugten Elektrizität unter guten Bedingungen.

Erfindungsgemäß ist die Membranelektrodenbaugruppe in der Brennstoffzelle in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses untergebracht, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe sind so angeordnet, daß zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal Fluid ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode sind einzeln elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter, dem dritten bis fünften Verdrahtungsleiter bzw. dem sechsten bis neunten Verdrahtungsleiter verbunden, und der Deckelkörper ist in der Nähe der Ausnehmung so auf einer Oberfläche des Basiskörpers montiert, daß er die Ausnehmung bedeckt. Es ist daher ersichtlich, daß durch die Erfindung eine kompakte, robuste und hoch zuverlässige Brennstoff zelle realisiert wird, bei der durch die Nutzung der Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse hoch effiziente elektrische Verbindungen verwirklicht werden können. Überdies können durch eine Parallelschaltung mehrerer Membranelektrodenbaugruppen der Ausgangsstrom der gesamten Brennstoffzelle bzw. durch eine Reihenschaltung mehrerer Membranelektrodenbaugruppen die Gesamtspannung eingestellt werden. Dies ermöglicht die Entnahme der in der Membranelektrodenbaugruppe elektrochemisch erzeugten Elektrizität unter guten Bedingungen.

Daher werden erfindungsgemäß ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle geschaffen, die hinsichtlich ihrer Kompakt heit, Zweckmäßigkeit und Sicherheit ausgezeichnet sind, eine gleichmäßige Fluidzufuhr und hoch effiziente elektrische Verbindungen ermöglichen und über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden können.

Erfindungsgemäß ist die Membranelektrodenbaugruppe in der Brennstoffzelle in der Ausnehmung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuses untergebracht, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe sind so angeordnet, daß zwischen ihnen und dem ersten und dem zweiten Fluidkanal Fluid ausgetauscht werden kann, die erste und die zweite Elektrode sind jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Verdrahtungsleiter verbunden, und der Deckelkörper ist in der Nähe der Ausnehmung so auf einer Oberfläche des Basiskörpers montiert, daß er die Ausnehmung bedeckt. Durch diese Konstruktion tritt nie der Fall ein, daß die Membranelektrodenbaugruppe nach außen freiliegt und dadurch beschädigt wird. Überdies sind der erste und der zweite Verdrahtungsleiter, deren eines Ende jeweils innerhalb der aus der Ausnehmung und dem Deckelkörper zusammengesetzten Gehäuseeinheit angeordnet ist, die einzigen Bauteile, die elektrisch mit der Membranelektrodenbaugruppe in Kontakt stehen. Dadurch wird die Membranelektrodenbaugruppe von unnötigen elektrischen Anschlüssen frei gehalten, wodurch eine Brennstoffzelle realisiert werden kann, deren Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgezeichnet sind. Ferner sind der erste und der zweite Fluidkanal jeweils einzeln auf den entsprechenden inneren Wandflächen der Gehäuseeinheit, d.h, auf der Bodenfläche der Ausnehmung im Basiskörper und auf einer Oberfläche des Deckelkörpers, ausgebildet, so daß die Membranelektrodenbaugruppe zwischen ihnen angeordnet ist. Dadurch können die gleichmäßige Zuführbarkeit des der Membranelektrodenbaugruppe zuzuführenden Gases verbessert und so eine Abnahme des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe zuzuführenden Gases verhindert werden. Dadurch kann eine stabile Ausgangsspannung mit einem vorgegebenen Pegel gewonnen werden. Ferner können in der Membranelektrodenbaugruppe auftretende Spannungen erfolgreich unterdrückt werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle verbessert werden kann.

Da der erste bis neunte Verdrahtungsleiter bei den erfindungsgemäßen Brennstoffzellen eine freie dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen, können mehrere Membranelektrodenbaugruppen wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden, wodurch die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom insgesamt effizient eingestellt werden können. Dadurch kann in den Membranelektrodenbaugruppen elektrochemisch erzeugte Elektrizität unter guten Bedingungen entnommen werden.

Zudem sind die einzelnen Brennstoffzellen an den nebeneinander liegenden Ausbuchtungen mittels eines Klebstoffs aneinander befestigt. Dadurch erübrigt sich die Bereitstellung eines zusätzlichen Montageelements, wodurch die Brennstoffzelle niedriger und flacher gestaltet werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen genauer aus der folgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
4 eine Schnittansicht, die ein herkömmliches Brennstoffzellengehäuse und eine herkömmliche Brennstoffzelle zeigt, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG
Nun werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoff zelle, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnen das Bezugszeichen 1 eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 2 ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 3 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 4 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 5 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 6 einen Basiskörper, das Bezugszeichen 7 einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 8 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 9 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 10 einen ersten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 11 einen zweiten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 12 eine Ausbuchtung, das Bezugszeichen 13 eine Brennstoffzellengehäuseeinheit und das Bezugszeichen 14 einen Klebstoff.
Die Membranelektrodenbaugruppe 3 besteht beispielsweise grundsätzlich aus einer ionisch leitfähigen Membran (aus Polymerfeststoffelektrolyten). Auf den beiden Hauptoberfläche der ionisch leitfähigen Membran sind einstückig eine (nicht dargestellte) als an odenseitige Elektrode fungierende Brennstoffelektrode und eine (nicht dargestellte) als kathodenseitige Elektrode fungierende Luftelektrode ausgebildet. Die erste Elektrode 4 ist auf der unteren Hauptoberfläche ausgebildet, die die eine Hauptoberfläche ist, und die zweite Elektrode 5 ist auf der oberen Hauptoberfläche ausgebildet, die die andere Hauptoberfläche ist. Der in der Membranelektrodenbaugruppe 3 erzeugte elektrische Strom wird zur ersten und zur zweiten Elektrode geleitet und danach entnommen.
Die ionisch leitfähige Membran (der Polymerfeststoffelektrolyt), die die Membranelektrodenbaugruppe 3 bildet, ist aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz, beispielsweise aus einem protonenleitenden Ionenaustauschharz, wie „Nafion" (Handelsbezeichnung, Erzeugnis von DuPont) gefertigt. Überdies sind die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode poröse Gasdiffusionselektroden, die sowohl die Funktion einer porösen Katalysatorschicht als auch die Funktion einer Gasdiffusionsschicht erfüllen. Die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode sind jeweils aus einer porösen Substanz gefertigt, die mittels eines hydrophoben Harzbindemittels, wie Polytetrafluorethylen, feine, leitfähige Partikel, die einen Katalysator aus Platin, Palladium oder einer diese enthaltenden Legierung tragen, beispielsweise feine Kohlenstoffpartikel, hält.
Die jeweils auf der unteren Hauptoberfläche und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 3 angeordnete erste Elektrode 4 und zweite Elektrode 5 werden durch ein Verfahren zum Warmpressen einer Kohlenstoffelektrode, auf der feine Partikels eines Katalysators, wie Platin oder Platin-Ruthenium, angeordnet sind, auf die Membranelektrodenbaugruppe 3 oder ein Verfahren zum Aufbringen oder Übertragen eines Gemischs aus einem Kohlenstoffelektrodenwerkstoff, auf dem feine Partikel aus einem Katalysator, wie Platin oder Platin-Ruthenium angeordnet sind, und einer Lösung, in der ein Elektrolytwerkstoff verteilt ist, auf eine Elektrolytmembran hergestellt.
Das Brennstoffzellengehäuse 2 ist aus mehreren aufeinandergestapelten Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13 zusammengesetzt. Die jeweiligen Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13 umfassen den Basiskörper 6 mit der Ausnehmung und den Deckelkörper 7, haben die Funktion der Aufnahme der Membranelektrodenbaugruppe 3 in der Ausnehmung und der hermetischen Abdichtung und sind aus einem Keramikmaterial, wie gesintertem Aluminiumoxid (Al₂O₃), gesintertem Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), gesintertem Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Aluminiumnitrid (AlN), gesintertem Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder gesinterter Glaskeramik, gefertigt.
Die gesinterte Glaskeramik ist aus einer Glaskomponente und einer Füllstoffkomponente zusammengesetzt. Beispiele für die Glaskomponente sind: SiO₂-B₂O₃-Verbundstoff, SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-Verbundstoff, SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-MO-Verbundstoff (wobei M Ca, Sr, Mg, Ba oder Zn repräsentiert), SiO₂-Al₂O₃-M¹O-M²O-Verbundstoff (wobei M¹ und M² identisch oder unterschiedlich sind und jeweils Ca, Sr, Mg, Ba oder Zn bezeichnen), SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-M¹O-M²O-Verbundstoff (wobei für M¹ und M² das gleiche wie oben gilt), SiO₂-B₂O₃-M³ ₂O-Verbundstoff (wobei M³ Li, Na oder K repräsentiert), SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-M³ ₂O-Verbundstoff (wobei für M³ das gleiche wie oben gilt), Pb-Glas und Bi-Glas.
Beispiele für die Füllstoffkomponente sind: ein durch Kombinieren von Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂ und einem Erdalkalimetalloxid erhaltenes Verbundstoffoxid, ein durch Kombinieren von TiO₂ und einem Erdalkalimetalloxid erhaltenes Verbundstoffoxid und ein zumindest entweder Al₂O₃ oder SiO₂ enthaltenes Verbundstoffoxid (beispielsweise Spinell, Mullit oder Cordierit).
Die Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 des Brennstoffzellengehäuses 2 umfaßt den Basiskörper mit der Ausnehmung und den Deckelkörper 7. Der Deckelkörper 7 ist in der Nähe der Ausnehmung so auf einem Teil des Basiskörpers 6 montiert, daß er die Ausneh mung bedeckt, wodurch die Ausnehmung hermetisch abgedichtet wird. Genauer wird der Deckelkörper 7 mittels eines Metallverbindungsmaterials, wie eines Lötmittels oder eines Silberhartlotfüllmittels, oder eines Harzmaterials, wie Epoxidharz, mit dem Basiskörper 6 verbunden. Alternativ kann der Deckelkörper mit dem Basiskörper 6 verschweißt werden. In diesem Fall wird beispielsweise ein aus einer Eisenlegierung oder einem ähnlichen Material gefertigter Dichtungsring in der Nähe der Ausnehmung mit der oberen Oberfläche des Basiskörpers 6 verbunden, die eine Hauptoberfläche ist, und dann werden der Basiskörper 6 und der Deckelkörper 7 einem Nahtschweißprozeß, einem Elektronenstrahlschweißprozeß oder einem Laserlichtschweißprozeß unterzogen. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Ausnehmung, wie sie im Basiskörper 6 ausgebildet ist, auch im Deckelkörper 7 ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise weisen der Basiskörper 6 und der Deckelkörper 7 jeweils eine Biegefestigkeit, d.h. eine mechanische Festigkeit, von 200 mPa oder mehr auf. Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß die Dicke des Basiskörpers 6 und des Deckelkörpers 7 verringert werden kann, wodurch die resultierende Brennstoffzelle eine geringere Dicke aufweist.
Der Basiskörper 6 und der Deckelkörper 7 sollten vorzugsweise aus gesintertem Aluminiumoxid mit einem dichtkörnigen Gefüge gefertigt sein, dessen relative Dichte 90 % oder mehr beträgt. In diesem Fall werden zunächst Seltenerdoxidpulver und Sinterhilfsmittel hinzugefügt und in das Aluminiumoxidpulver gemischt, und pulverförmige Materialen aus gesintertem Aluminiumoxid werden hergestellt. Anschließend werden ein organisches Bindemittel und ein Dispersionsmittel hinzugefügt und mit den pulverförmigen Materialien aus gesintertem Aluminiumoxid gemischt, um eine Paste zu erzeugen, und mittels eines Streichmesserverfahrens oder durch Hinzufügen eines organischen Bindemittels zu den pulverförmigen Materialien und Ausführen eines Preßformens, Walzformens oder dergleichen wird aus der Paste eine Rohplatte mit einer bestimmten Dicke hergestellt. Dann werden durch Stanzen mit einem Stempel, einen Mikrobohrer, einen Laser oder dergleichen als erste Fluidkanäle 8 und zweite Fluidkanäle 9 dienende Durchgangsbohrungen und als Fluidkanäle dienende Öffnungen sowie Durchgangsbohrungen zum Anordnen des ersten Verdrahtungsleiters 10 und des zweiten Verdrahtungsleiters 11 auf der Rohplatte erzeugt.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 10 und 11 sollten vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän bestehen sein, um eine Oxidation zu verhindern. In diesem Fall werden als anorganische Substanz beispielsweise 3 bis 20 Massenprozent Al₂O₃ und 0,5 bis 5 Massenprozent Nb₂O₅ zu 100 Massenprozent Wolfram und/oder Molybdänpulver hinzugefügt, um eine Leiterpaste zu erzeugen. Die Leiterpaste wird dann in die durch die Rohplatte gebohrte Durchgangsbohrung gefüllt, um eine als Durchgangsleiter fungierende Durchgangsbohrung zu erzeugen.
Zum Zwecke einer dichten Haftung des Basiskörpers 6 und des Deckelkörpers 7 an Keramik kann beispielsweise im Verhältnis von 0,05 bis 2 Volumen-% Aluminiumoxidpulver oder ein Pulver aus dem gleichen Verbundstoff mit der Keramikkomponente, aus der der Basiskörper 6 und der Deckelkörper 7 ausgebildet sind, in die Leiterpaste gegeben werden.
Der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 10 und 11 werden vor, nach oder gleichzeitig mit der durch Füllen der Leiterpaste in die Durchgangsbohrung realisierten Erzeugung des Durchgangsleiters in den äußeren und inneren Schichten des Basiskörpers 6 und des Deckelkörpers 7 erzeugt. Die Erzeugung der Verdrahtungsleiter erfolgt durch Druckbeschichtung der Rohplatte mit einer Leiterpaste, wie der hier gezeigten, in einem vorgegebenen Muster mittels eines Siebdrucksverfahrens, eines Gravurdruckverfahrens oder eines ähnlichen Druckverfahrens.
Anschließend wird eine vorgegebene Anzahl der plattenartigen Formkörper, die die aufgedruckte bzw. eingefüllte Leiterpaste tragen, einer Positionsausrichtung unterzogen und anschließend unter Druck aufeinander gestapelt. Der resultierende Stapelkörper wird dann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer hohen Temperatur von 1200 bis 1500°C gebrannt. Dadurch werden der aus Keramik gefertigte Basiskörper 6 und der aus Keramik gefertigte Deckelkörper 7 sowie der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 10 und 11 konstruktionsgemäß gefertigt.
Ferner sind der Basiskörper 6 und der Deckelkörper 7 vorzugsweise jeweils aus Keramik gefertigt und weisen jeweils eine Dicke von 0,2 mm oder mehr auf. Beträgt die Dicke mehr als 0,2 mm, neigt die Festigkeit dazu, abzunehmen, wodurch der Basiskörper 6 und der Deckelkörper 7 aufgrund der Spannungen reißen oder brechen können, die auftreten, wenn der Deckelkörper 7 auf dem Basiskörper 6 montiert wird. Wenn die Dicke dagegen mehr als 5 mm beträgt, wird es schwierig, eine flachere und schmalere Gestaltung zu verwirklichen, und daher wird die Brennstoffzelle ungeeignet für ein kompaktes elektrisches Gerät. Da überdies die Wärmekapazität gesteigert wird, wird es schwierig, die Zellentemperatur gleichmäßig auf ein bestimmtes Niveau einzustellen, das für die Bedingungen für eine elektrochemische Reaktion geeignet ist, die für die Membranelektrodenbaugruppe 3 eingestellt sind.
Der erste Verdrahtungsleiter 10 und der zweite Verdrahtungsleiter 11 sind jeweils elektrisch mit der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 3 der Membranelektrodenbaugruppe 3 verbunden, so daß sie als Strom tragender Pfad zur Entnahme des in der Membranelektrodenbaugruppe 3 erzeugten Stroms aus dem Brennstoffzellengehäuse 2 fungieren und auch als herkömmliche Stromsammelplatte dienen können.
Das eine Ende des ersten Verdrahtungsleiters 10 ist gegenüber der ersten Elektrode 4 der Membranelektrodenbaugruppe 3 auf der Bodenfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 6 angeordnet, und ihr anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 6. Wie bereits beschrieben, ist der erste Verdrahtungsleiter 10 vorzugsweise einstückig mit dem Basiskörper 6 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die Bodenfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 6. Dadurch kann der erste Verdrahtungsleiter 10 leicht mit der ersten Elektrode 4 in Kontakt gebracht werden. Die gewünschte Höhe des ersten Verdrahtungsleiters 10 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, daß die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Überdies sollten die mehreren ersten Verdrahtungsleiter 10 vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie der ersten Elektrode 4 gegenüberliegen. Dies trägt zur Reduzierung des auf den ersten Verdrahtungsleiter 10 zurückzuführenden Verluststroms bei. Der Durchmesser des durch den Basiskörper 6 verlaufenden Teils des ersten Verdrahtungsleiters 10 sollte vorzugsweise auf 50 μm oder mehr eingestellt sein.
Das eine Ende des zweiten Verdrahtungsleiters 11 ist gegenüber der zweiten Elektrode 5 der Membranelektrodenbaugruppe 3 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 7 angeordnet, die eine Hauptoberfläche ist, und sein zweites Ende führt zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 7. Der zweite Verdrahtungsleiter 11 ist, wie der erste Verdrahtungsleiter 10, vorzugsweise einstückig mit dem Deckelkörper 7 ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 7. Dadurch kann leicht ein Kontakt zwischen dem zweiten Verdrahtungsleiter 11 und der zweiten Elektrode 5 hergestellt werden. Die gewünschte Höhe des zweiten Verdrahtungsleiters 11 kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, daß die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Überdies sollten die mehreren zweiten Verdrahtungsleiter 11 vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie der zweiten Elektrode 5 gegenüberliegen. Dies trägt zur Reduzierung des auf den zweiten Verdrahtungsleiter 11 zurückzuführenden Verluststroms bei. Der Durchmesser des durch den Deckelkörper 7 verlaufenden Teils des zweiten Verdrahtungsleiters 11 sollte vorzugsweise auf 50 μm oder mehr eingestellt sein.
Vorzugsweise werden die freiliegenden Oberflächen sowohl des ersten als auch des zweiten Verdrahtungsleiters 10 und 11 durch ein Galvanisierungsverfahren mit einem hoch leitfähigen Metallmaterial aus Nickel, Gold oder dergleichen beschichtet, das hoch korrosionsbeständig ist und eine ausgezeichnete Benetzbarkeit mit einem Hartlotfüllmaterial aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 10 und dem zweiten Verdrahtungsleiter 11 und zwischen dem ersten Verdrahtungsleiter 10, zweiten Verdrahtungsleiter 11 und einer externen elektrischen Schaltung.
Wenn die Membranelektrodenbaugruppe 3 greifend zwischen dem Basiskörper 6 und dem Deckelkörper 7 angeordnet wird, werden der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 10 und 11 jeweils mit der ersten und der zweiten Elektrode 4 und 5 in Druckkontakt gebracht. Zu diesem Zeitpunkt können der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 10 und 11 jeweils elektrisch an die erste und die zweite Elektrode 4 und 5 angeschlossen werden.
Auf der der ersten Elektrode 4 gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 6 und auf der der zweiten Elektrode 5 gegenüberliegenden unteren Oberfläche des Deckelkörpers 7 befinden sich jeweils der erste Fluidkanal 8 und der zweite Fluidkanal 9. Der erste Fluidkanal 8 erstreckt sich zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 6, wogegen sich der zweite Fluidkanal 9 zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 7 erstreckt. Der erste und der zwei te Fluidkanal 8 und 9 werden erzeugt, indem Durchgangsbohrungen oder Rillen in den Basiskörper 6 und den Deckelkörper 7 gebohrt werden. Der erste und der zweite Fluidkanal 8 und 9 dienen jeweils als Kanäle für fluide Stoffe, die der Membranelektrodenbaugruppe 3 zugeführt werden, beispielsweise Brennstoffgas, wie wasserstoffreiches Reformgas, oder Oxidationsgas, wie Luft, und sie dienen auch als Kanal für nach den Reaktionen von der Membranelektrodenbaugruppe 3 zu entfernendes Fluid, beispielsweise durch die Reaktionen erzeugtes Wasser.
Werden die in den Basiskörper 6 und den Deckelkörper 7 gebohrten Durchgangsbohrungen oder Rillen als erster und zweiter Fluidkanal 8 und 9 betrachtet, werden Durchmesser und Anzahl der Durchgangsbohrungen bzw. Breite, Tiefe und Anordnung der Rillen entsprechend den Spezifikationen der Brennstoffzelle 1 so bestimmt, daß der Membranelektrodenbaugruppe 3 ein Fluid, wie Brennstoffgas oder Oxidationsgas, gleichmäßig zugeführt werden kann. Genauer sollte die Öffnung zum Beispiel vorzugsweise eine Breite von 1 mm und eine Tiefe von 0,2 mm aufweisen. Eine weitere Verbesserung der gleichmäßigen Zufuhr des Fluids kann durch eine Verringerung der Breite der Öffnung auf 100 μm und eine Erhöhung der Anzahl der Öffnungen erzielt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 wird über eine im Basiskörper 6 und im Deckelkörper 7 ausgebildete Bohrung oder Rille Brennstoff oder Luft eingeleitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse 2 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 sollten der erste und der zweite Fluidkanal 8 und 9 vorzugsweise eine Öffnung mit einer Breite von 1 mm und einer Tiefe von 0,2 mm aufweisen. Noch bevorzugter sollte die Breite der Öffnung auf 100 μm verringert werden. Dies ermöglicht ein Strömen des fluiden Stoffs unter gleichmäßigem Druck in die Membranelektrodenbaugruppe 3.
Auf diese Weise ist der erste Fluidkanal 8 so angeordnet, daß er der unteren Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 3 gegenüberliegt, auf der die erste Elektrode 4 ausgebildet ist, wogegen der zweite Fluidkanal 9 so angeordnet ist, daß er der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 3 gegenüberliegt, auf der die zweite Elektrode 5 ausgebildet ist. Durch diese Anordnung kann zwischen der unteren und der oberen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 3 und dem entsprechenden ersten bzw, zweiten Fluidkanal 8 und 9 jeweils Fluid ausgetauscht werden, und das Fluid kann über die jeweiligen Fluidkanäle zugeführt und abgegeben werden. Überdies können bei der Zufuhr eines Gases als Fluid eine Abnahme des Partialdrucks des der ersten und der zweiten Elektrode 4 und 5 der Membranelektrodenbaugruppe 3 zuzuführenden Gases verhindert und so eine stabile Ausgangsspannung mit einem vorgegebenen Pegel erzielt werden. Da der Partialdruck des zugeführten Gases stabilisiert wird, kann ferner der Innendruck der Brennstoffzelle 1 gleichmäßig gehalten werden. Dadurch können in der Membranelektrodenbaugruppe 3 auftretende thermische Spannungen unterdrückt werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 1 führt.
Überdies weist die Ausbuchtung 12 bei dem Basiskörper 6 und dem Deckelkörper 7 eine identische Form auf. Bei dieser Ausführungsform sind die Ausbuchtungen 12 jeweils am Basiskörper 6 der auf der oberen Seite angeordneten Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 und am Deckelkörper 7 der auf der daneben auf der unteren Seite angeordneten Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 angeordnet. Genauer ist die Ausbuchtung 12 der oberen Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 so vorgesehen, daß sie neben der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 aus einem seitlichen Abschnitt ihres Basiskörpers 6 nach außen ragt. Die an den unteren Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13 vorgesehene Ausbuchtung 12 ist so vorgesehen, daß sie aus einem seitlichen Abschnitt ihres Deckelkörpers 7 neben den oberen Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13 nach außen ragt. Die an der oberen und der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 vorgesehenen Ausbuchtungen 12 liegen nebeneinander. Zum Erhalt einer gewünschten Spannung werden die obere und die untere Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 aufeinander gestapelt, dann werden die ersten Verdrahtungsleiter 10 und die zweiten Verdrahtungsleiter 11 unter Verwendung eines leitfähigen Elements 18 elektrisch aneinander angeschlossen, und danach werden die obere und die untere Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13 miteinander verbunden, indem sie mittels eines Klebstoffs 14 an ihren Ausbuchtungen aneinander befestigt werden. Dadurch erübrigen sich die Stromsammelplatten und die Klemmplatten, wodurch die Brennstoffzelle 1 flacher gestaltet werden kann.
Der zum Befestigen der Ausbuchtungen 12 verwendete Klebstoff 14 besteht vorzugsweise aus einem Material auf Harzbasis, wie der Epoxidgruppe, der Siliciumgruppe oder der Gruppe des verformbaren Urethans. Da die Membranelektrodenbaugruppe 3 keine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, weist der Klebstoff 14 vorzugsweise eine Aushärtungstemperatur von 200°C oder weniger auf. Die für die Aushärtung erforderliche Zeitspanne wird entsprechend den Spezifikationen des Klebstoffs 14 bestimmt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Befestigung anders als vorstehend beispielhaft beschrieben erfolgen kann. Statt dessen kann beispielsweise ein Metallverbindungsmaterial, wie ein Lötmittel oder ein Silberhartlotfüllmittel, verwendet werden, oder ein aus einer Eisenlegierung oder einem ähnlichen Material gefertigter Dichtungsring kann in der Nähe der Ausnehmung 12 mit der oberen Oberfläche verbunden werden, worauf ein Schweißvorgang, wie Nahtschweißen, ein Elektronenstrahlschweißen, oder ein Laserschweißen, ausgeführt wird. In diesem Fall kann die Befestigung augenblicklich abgeschlossen werden, ohne die Membranelektrodenbaugruppe 3 einer Temperaturbelastung auszusetzen.
Überdies werden der im Basiskörper 6 der oberen Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 vorgesehene erste Verdrahtungsleiter 10 und der im Deckelkörper 7 der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheit 13 vorgesehene zweite Verdrahtungsleiter 11 unter Verwendung des leitfähigen Elements 18 miteinander Verbunden.
Das verwendete leitfähige Element 18 ist vorzugsweise aus einem Band aus einer Metallfolie, wie einem Klebeband aus Kupferfolie oder einem Klebeband aus Aluminiumfolie, oder einem Klebstoff aus einem Material auf Harzbasis, wie Epoxidharz, verformbarem Urethanharz, Siliciumharz, Ployimidharz oder Acrylharz ausgebildet, zu dem ein leitfähiges Füllmittel hinzugefügt wird. Alternativ kann ein Metallblech, ein gitterartiges Metallblech oder dergleichen zwischen den Leitern angeordnet werden, um eine Anschlußverbindung herzustellen. Der elektrische Widerstand des leitfähigen Elements 18 sollte vorzugsweise auf 10 mΩ/cm² oder weniger, vorzugsweise auf 1 mΩ/cm² eingestellt sein. Dadurch können Spannungsverluste minimiert werden.
Durch die bislang beschriebene, in 1 gezeigte Konstruktion können ein kompaktes, robustes Brennstoffzellengehäuse 2, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 3 untergebracht werden kann, und eine Brennstoffzelle 1 geschaffen werden, die mit hoher Effizienz gesteuert werden kann.
Als nächstes ist 2 eine Schnittansicht, die ein Brennstoffzellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnen das Bezugszeichen 1A eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 2A ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 3 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 4 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 5 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 6a einen Basiskörper, das Bezugszeichen 7a einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 8 einen ersten Flu idkanal, das Bezugszeichen 9 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 10a einen dritten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 11a einen vierten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 12 eine Ausbuchtung, das Bezugszeichen 13a eine Brennstoffzellengehäuseeinheit, das Bezugszeichen 14 einen Klebstoff und das Bezugszeichen 15 einen fünften Verdrahtungsleiter. Bei dieser Ausführungsform sind die Bauteile, die mit denen gemäße der vorstehend beschriebenen Ausführungsform übereinstimmen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
Das Brennstoffzellengehäuse 2A ist aus mehreren, aufeinandergestapelten Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13a zusammengesetzt. Die jeweiligen Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13a umfassen den Basiskörper 6a mit den mehreren Ausnehmungen und den Deckelkörper 7a, die aus Keramik gefertigt sind, wie der Basiskörper 6 und der Deckelkörper 7 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Der Deckelkörper 7a ist in der Nähe der Ausnehmung so auf einem Teil des Basiskörpers 6a montiert, daß er die Ausnehmung bedeckt, wodurch die Ausnehmung hermetisch abgedichtet wird. Genauer ist der Deckelkörper 7a mittels eines Metallverbindungsmaterials, wie eines Lötmittels oder eines Silberhartlotfüllmittels, oder eines Harzmaterials, wie Epoxidharz, mit dem Basiskörper 6a verbunden. Alternativ kann der Deckelkörper 7a an den Basiskörper 6a geschweißt werden. In diesem Fall wird beispielsweise ein aus einer Eisenlegierung oder einem ähnlichen Material gefertigter Dichtungsring in der Nähe der Ausnehmung mit der oberen Oberfläche des Basiskörpers 6a verbunden, und dann werden der Basiskörper 6a und der Deckelkörper 7a einem Nahtschweißprozeß, einem Elektronenstrahlschweißprozeß oder einem Laserlichtschweißprozeß unterzogen. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Ausnehmung, wie die im Basiskörper 6a ausgebildete, auch im Deckelkörper 7a vorgesehen sein kann.
Vorzugsweise weisen der Basiskörper 6a und der Deckelkörper 7a jeweils eine Biegefestigkeit, d.h. eine mechanische Festigkeit, von 200 MPa oder mehr auf. Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß die Dicke des Basiskörpers 6a und des Deckelkörpers 7a reduziert werden kann, wodurch die Brennstoffzelle 1A flacher gehalten werden kann. Der Basiskörper 6a und der Deckelkörper 7a sollten vorzugsweise zum Beispiel aus gesintertem Aluminiumoxid mit dichtkörnigem Gefüge gefertigt sein, dessen relative Dichte 90 % oder mehr beträgt.
Der dritte Verdrahtungsleiter 10a und der vierte Verdrahtungsleiter 11a sind jeweils so mit der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 der Membranelektrodenbaugruppe 3 verbunden, daß sie als Strom tragender Pfad zur Entnahme des in der Membranelektrodenbaugruppe 3 erzeugten Stroms aus dem Brennstoffzellengehäuse 2A fungieren und auch als herkömmliche Stromsammelplatte dienen können.
Das eine Ende des dritten Verdrahtungsleiters 10a ist gegenüber der ersten Elektrode 4 der Membranelektrodenbaugruppe 3 auf der Bodenfläche jeder Ausnehmung des Basiskörpers 6a angeordnet, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 6a. Wie vorstehend beschrieben, ist der dritte Verdrahtungsleiter 10a, wie der erste Verdrahtungsleiter 10, vorzugsweise einstückig mit dem Basiskörper 6a ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die Bodenfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 6a. Dadurch kann leicht ein Kontakt zwischen dem dritten Verdrahtungsleiter 10a und der ersten Elektrode 4 hergestellt werden. Die gewünschte Höhe des dritten Verdrahtungsleiters 10a kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, daß die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Überdies sollten die mehreren dritten Verdrahtungsleiter 10a vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie der ersten Elektrode 4 gegenüberliegen. Dies trägt zur Reduzierung des auf den dritten Verdrahtungsleiter 10a zurückzuführenden Verluststroms bei. Der Durchmesser des durch den Basiskörper 6a verlaufenden Teils des dritten Verdrahtungsleiters 10a sollte vorzugsweise auf 50 μm oder mehr eingestellt sein.
Das eine Ende des vierten Verdrahtungsleiters 11a ist gegenüber der zweiten Elektrode 5 der Membranelektrodenbaugruppe 3 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 7a angeordnet, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 7a.
Vorzugsweise ist der vierte Verdrahtungsleiter 11a, wie der zweite Verdrahtungsleiter 11, einstückig mit dem Deckelkörper 7a ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 7a. Dadurch kann leicht ein Kontakt zwischen dem vierten Verdrahtungsleiter 11a und der zweiten Elektrode 5 hergestellt werden. Die gewünschte Höhe des vierten Verdrahtungsleiters 11a kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, daß die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Überdies sollten die mehreren vierten Verdrahtungsleiter 11a vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie der zweiten Elektrode 5 gegenüberliegen. Dies trägt zur Reduzierung des auf den vierten Verdrahtungsleiter 11a zurückzuführenden Verluststroms bei. Der Durchmesser des durch den Deckelkörper 7a verlaufenden Teils des vierten Verdrahtungsleiters 11a sollte vorzugsweise auf 50 μm oder mehr eingestellt sein.
Der fünfte Verdrahtungsleiter 15 ist so ausgelegt, daß er eine Verbindung zwischen den auf den Bodenflächen mehrerer Ausnehmungen angeordneten dritten Verdrahtungsleitern 10a herstellt. Dies bedeutet, daß der fünfte Verdrahtungsleiter 15 auf dem Basiskörper 6a ausgebildet ist und daß sein eines Ende mit dem auf der Bodenfläche einer der Ausnehmungen der ersten Elektrode 4 der Membran elektrodenbaugruppe 3 gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter 10a und sein anderes Ende mit dem auf der Bodenfläche einer anderen der Ausnehmungen der ersten Elektrode 4 der Membranelektrodenbaugruppe 3 gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter 10a verbunden ist. Dadurch können die in den jeweiligen Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13a untergebrachten Membranelektrodenbaugruppen 3 parallelgeschaltet werden.
Um die gewünschte Spannung zu erhalten, werden die obere und die untere Brennstoffzellengehäuseeinheit 13a aufeinandergestapelt, dann werden die dritten und vierten Verdrahtungsleiter 10a und 11a mittels des fünften Verdrahtungsleiters 15, der ein leitfähiges Element ist, elektrisch miteinander verbunden, worauf die obere und die untere Brennstoffzellengehäuseeinheit 13a verbunden werden, indem sie an ihren Ausbuchtungen 12 mittels eines Klebstoffs 14 aneinander befestigt werden. Dadurch erübrigen sich Stromsammelplatten und Klemmplatten, wodurch die Brennstoffzelle 1A flacher gehalten werden kann.
Überdies werden der im Basiskörper 6a der oberen Brennstoff zellengehäuseeinheit 13a vorgesehene dritte Verdrahtungsleiter 10a und der im Deckelkörper 7a der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheit 13a vorgesehene vierte Verdrahtungsleiter 11a unter Verwendung des fünften Verdrahtungsleiters 15 miteinander verbunden, der ein leitfähiges Element ist.
Durch die bisher beschriebene Konstruktion können, wie in 2 gezeigt, ein kompaktes, robustes Brennstoffzellengehäuse 2A, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 3 untergebracht werden kann, und eine Brennstoffzelle 1A geschaffen werden, die mit hoher Effizienz gesteuert werden kann.
Als Nächstes ist 3 eine Schnittansicht, die ein Brennstoff zellengehäuse und eine Brennstoffzelle, für die das Brennstoffzellengehäuse verwendet wird, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnen das Bezugszeichen 1B eine Brennstoffzelle, das Bezugszeichen 2B ein Brennstoffzellengehäuse, das Bezugszeichen 3 eine Membranelektrodenbaugruppe, das Bezugszeichen 4 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 5 eine zweite Elektrode, das Bezugszeichen 6b einen Basiskörper, das Bezugszeichen 7b einen Deckelkörper, das Bezugszeichen 8 einen ersten Fluidkanal, das Bezugszeichen 9 einen zweiten Fluidkanal, das Bezugszeichen 10b einen sechsten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 11b einen siebten Verdrahtungsleiter, das Bezugszeichen 12 eine Ausbuchtung, das Bezugszeichen 13b eine Brennstoffzellengehäuseeinheit, das Bezugszeichen 14 einen Klebstoff, das Bezugszeichen 16 einen achten Verdrahtungsleiter und das Bezugszeichen 17 einen neunten Verdrahtungsleiter. Bei dieser Ausführungsform werden Bauteile, die mit denen gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform übereinstimmen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre genaue Beschreibung wird verzichtet.
Das Brennstoffzellengehäuse 2B ist aus mehreren aufeinander gestapelten Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13b zusammengesetzt. Die jeweiligen Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13b umfassen den Basiskörper 6b mit den mehreren Ausnehmungen und den Deckelkörper 7b und sind aus Keramik gefertigt, wie die Basiskörper 6 und 6a und die Deckelkörper 7 und 7a gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Der Deckelkörper 7b ist in der Nähe der Ausnehmung so auf einem Teil des Basiskörpers 6b montiert, daß er die Ausnehmung bedeckt, wodurch die Ausnehmung hermetisch abgedichtet wird. Genauer wird der Deckelkörper 7b unter Verwendung eines Metallverbindungsmaterials, wie eines Lötmittels oder eines Silberhartlotfüllmittels, oder eines Harzmaterials, wie Epoxidharz, mit dem Basiskörper 6b verbunden. Alternativ kann der Deckelkörper 7b auf den Basiskörper 6b geschweißt werden. In diesem Fall wird beispielsweise ein aus einer Eisenlegierung oder einem ähnlichen Material gefertigter Dichtungsring in der Nähe der Ausnehmung mit der oberen Oberfläche des Basiskörpers 6b verbunden, dann werden der Basiskörper 6b und der Deckelkörper 7b einem Nahtschweißprozeß, einem Elektronenstrahlschweißprozeß oder einem Laserlichtschweißprozeß unterzogen. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Ausnehmung, wie die im Basiskörper 6b ausgebildete, auch im Deckelkörper 7b ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise weisen der Basiskörper 6b und der Deckelkörper 7b jeweils eine Biegefestigkeit, d.h. eine mechanische Festigkeit, von 200 MPa oder mehr auf. Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß die Dicke des Basiskörpers 6b und des Deckelkörpers 7b verringert werden kann, wodurch die Brennstoffzelle 1B flacher wird. Der Basiskörper 6b und der Deckelkörper 7b sollten zum Beispiel vorzugsweise aus gesintertem Aluminiumoxid mit dichtkörnigem Gefüge gefertigt sein, dessen relative Dichte 90 % oder mehr beträgt.
Der sechste Verdrahtungsleiter 10b und der siebte Verdrahtungsleiter 11b sind jeweils elektrisch mit der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode der Membranelektrodenbaugruppe 3 verbunden, so daß sie als Strom tragender Pfad zur Entnahme der in der Membranelektrodenbaugruppe 3 erzeugten Elektrizität aus dem Brennstoffzellengehäuse 2B fungieren und auch als herkömmliche Stromsammelplatte dienen können.
Das eine Ende des sechsten Verdrahtungsleiters 10b ist gegenüber der ersten Elektrode 4 der Membranelektrodenbaugruppe 3 auf der Bodenfläche jeder Ausnehmung des Basiskörpers 6b angeordnet, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers 6b. Wie vorstehend beschrieben, ist der sechste Verdrahtungsleiter 10b, wie der erste Verdrahtungsleiter 10 einstückig mit dem Basiskörper 6b ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die Bodenfläche der Ausnehmung des Basiskörpers 6b. Dadurch kann leicht ein Kontakt zwischen dem sechsten Verdrahtungsleiter 10b und der ersten Elektrode 4 hergestellt werden. Die gewünschte Höhe des sechsten Verdrahtungsleiters 10b kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, daß die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Überdies sollten die mehreren sechsten Verdrahtungsleiter 10b vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie der ersten Elektrode 4 gegenüberliegen. Dies tragt zur Reduzierung des auf den sechsten Verdrahtungsleiter 10b zurückzuführenden Verluststroms bei. Der Durchmesser des durch den Basiskörper 6b verlaufenden Teils des sechsten Verdrahtungsleiters 10b sollte vorzugsweise auf 50 μm oder mehr eingestellt sein.
Das eine Ende des siebten Verdrahtungsleiters 11b ist gegenüber der zweiten Elektrode 5 der Membranelektrodenbaugruppe 3 auf der unteren Oberfläche des Deckelkörpers 7b angeordnet, und sein anderes Ende führt zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers 7b. Vorzugsweise ist der siebte Verdrahtungsleiter 11b, wie der zweite Verdrahtungsleiter 11, einstückig mit dem Deckelkörper 7b ausgebildet und 10 μm oder mehr höher als die untere Oberfläche des Deckelkörpers 7b. Dadurch kann leicht ein Kontakt zwischen dem siebten Verdrahtungsleiter 11b und der zweiten Elektrode 5 hergestellt werden. Die gewünschte Höhe des siebten Verdrahtungsleiters 11b kann durch derartiges Einstellen der Druckbedingungen realisiert werden, daß die Leiterpaste bei dem vorstehend beschriebenen Druckbeschichtungsprozeß mit einer größeren Dicke aufgebracht wird. Überdies sollten die mehreren siebten Verdrahtungsleiter 11b vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie der zweiten Elektrode 5 gegenüberliegen. Dies trägt zur Reduzierung des auf den siebten Verdrahtungsleiter 11b zurückzuführenden Verluststroms bei. Der Durchmesser des durch den Deckelkörper 7b verlaufenden Teils des siebten Verdrahtungsleiters 11b sollte vorzugsweise auf 50 μm oder mehr eingestellt sein.
Der achte Verdrahtungsleiter 16 ist in der unteren Brennstoff zellengehäuseeinheit 13b vorgesehen, sein eines Ende ist mit dem auf der Bodenfläche einer der Ausnehmungen der ersten Elektrode 4 der Membranelektrodenbaugruppe 3 gegenüberliegenden sechsten Verdrahtungsleiter 10b verbunden, und sein anderes Ende führt zur oberen Oberfläche, auf der der Deckelkörper 7b auf dem Basiskörper 6b montiert ist. Der neunte Verdrahtungsleiter 17 ist in der oberen Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b vorgesehen, sein eines Ende ist mit dem der zweiten Elektrode 5 der Membranelektrodenbaugruppe 3 gegenüberliegenden siebten Verdrahtungsleiter 11b in einer weiteren der Ausnehmungen verbunden, und sein anderes Ende führt so zu der auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 6b zu montierenden unteren Oberfläche des Deckelkörpers 7b, daß es dem anderen Ende des achten Verdrahtungsleiters 16 gegenüberliegt. Ein Verbindungsverdrahtungsleiter 19 ist so ausgebildet, daß er durch den Basiskörper 6b der oberen Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b und den Deckelkörper 7b der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13b verläuft und elektrisch an das andere Ende des achten Verdrahtungsleiters 16 und das andere Ende des neunten Verdrahtungsleiters 17 angeschlossen ist.
Zum Erhalt der gewünschten Spannung werden die obere und die untere Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b aufeinandergestapelt, eine Seite des sechsten Verdrahtungsleiters 10b der oberen Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b und eine Seite des siebten Verdrahtungsleiters 11b der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b werden unter Verwendung des leitfähigen Elements 18 elektrisch miteinander verbunden, die andere Seite des sechsten Verdrahtungsleiters 10b der oberen Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b und die andere Seite des siebten Verdrahtungsleiters 11b der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b werden unter Verwendung des leitfähigen Elements 18 elektrisch miteinander verbunden, das andere Ende des achten Verdrahtungsleiters 16 und das andere Ende des neunten Verdrahtungsleiters 17 werden unter Verwendung des Verbindungsverdrahtungsleiters 19 elektrisch miteinander verbunden, und die obere und die untere Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b werden dann verbunden, indem sie unter Verwendung eines Klebstoffs 14 an ihren Ausbuchtungen 12 aneinander befestigt werden. Dadurch können die in den jeweiligen Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13b untergebrachten Membranelektrodenbaugruppen 3 in Reihe geschaltet werden. Dadurch erübrigen sich die Stromsammelplatte und die Klemmplatte, wodurch die Brennstoffzelle 1B flacher gehalten werden kann.
Überdies werden der im Basiskörper 6b der oberen Brennstoff zellengehäuseeinheit 13b vorgesehene sechste Verdrahtungsleiter 10b und der im Deckelkörper 7b der unteren Brennstoffzellengehäuseeinheit 13b vorgesehene siebte Verdrahtungsleiter 11b unter Verwendung des leitfähigen Elements 18 miteinander verbunden.
Durch die vorstehend beschriebene, in 3 gezeigte Konstruktion können ein kompaktes, robustes Brennstoffzellengehäuse 2B, in dem die Membranelektrodenbaugruppe 3 untergebracht werden kann, und eine Brennstoffzelle 1B geschaffen werden, die mit hoher Effizienz gesteuert werden kann.
Überdies werden bei der Ausführungsform im Brennstoffzellengehäuse 2B vier Membranelektrodenbaugruppen 3 unter Verwendung von zwei Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13b in Reihe geschaltet, es können jedoch auch zwei Membranelektrodenbaugruppen 3 der jeweiligen Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13b in Reihe geschaltet werden. In diesem Fall werden die ersten Elektroden 4 auf einer Seite der Membranelektrodenbaugruppen 3 und die eine Seite des sechsten Verdrahtungsleiters 10b miteinander verbunden, eine Seite des sechsten Verdrahtungsleiters 10b und das eine Ende des achten Verdrahtungsleiters 16 werden miteinander verbunden, die zweiten Elektroden 5 auf der anderen Seite der Membranelektrodenbaugruppen 3 und die andere Seite des siebten Verdrahtungsleiters 11b werden miteinander verbunden, die andere Seite des siebten Verdrahtungsleiters 11b und das eine Ende des neunten Verdrahtungsleiters 17 werden miteinander verbunden, und das andere Ende des achten Verdrahtungsleiters 16 und das andere Ende des neunten Verdrahtungsleiters 17 werden miteinander verbunden. Dadurch werden die jeweiligen Membranelektrodenbaugruppen 3 in einer Brennstoffzellengehäuseeinheit in Reihe geschaltet.
Überdies können das Brennstoffzellengehäuse und die Brennstoffzelle konstruiert werden, indem mehrere der vorstehend beschriebenen Brennstoffzellengehäuseeinheiten aufeinander gestapelt werden. In diesem Fall werden die andere Seite des sechsten Verdrahtungsleiters 10b einer der Brennstoffzellengehäuseeinheiten 13b und eine Seite des siebten Verdrahtungsleiters 11b der anderen Brennstoffzellengehäuseeinheit miteinander verbunden. Dadurch werden die Membranelektrodenbaugruppen 3 in Reihe geschaltet.
Wie in den 1, 2 und 3 gezeigt, ist bei den erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäusen 2, 2A und 2B und den erfindungsgemäßen Brennstoffzellen 1, 1A und 1B in jeder von einer oder mehreren Ausnehmungen des Basiskörpers 6, 6a und 6b eine Membranelektrodenbaugruppe 3 untergebracht. Überdies sind der fünfte Verdrahtungsleiter 15 bzw. der achte und neunte Verdrahtungsleiter 16 und 17 so angeordnet, daß sie sich über den Bereich zwischen den nebeneinander liegenden Ausnehmungen erstrecken. Dadurch sind die jeweiligen ersten Elektroden 4 bzw. die ersten und zweiten Elektroden 4 und 5 mehrerer Membranelektrodenbaugruppen 3 elektrisch miteinander verbunden. Zum Erhalt des Gesamtausgangs sind jeweils der erste Verdrahtungsleiter 10, der dritte Verdrahtungsleiter 10a bzw. der sechste Verdrahtungsleiter 10b und der zweite Verdrahtungsleiter 11, der vierte Verdrahtungsleiter 11a bzw. der siebte Verdrahtungsleiter 11b über einen elektrischen Anschluß mit den letzten Membranelektrodenbaugruppen 3 verbunden. Daher ist ersichtlich, daß der erste und der zweite Verdrahtungsleiter 10 und 11, der dritte, vierte und fünfte Verdrahtungsleiter 10a, 11a und 15 bzw. der sechste, siebte, achte und neunte Verdrahtungsleiter 10b, 11b, 16 und 17 eine freie dreidimensionale Verdrahtung ermöglichen. So können mehrere Membranelektrodenbaugruppen 3 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden, wodurch die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom insgesamt effizient eingestellt werden können. Dadurch kann die in mehreren Membranelektrodenbaugruppen 3 elektrochemisch erzeugte Elektrizität unter guten Bedingungen aus der Brennstoffzelle entnommen werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt ist, und daher sind verschiedenste Änderungen und Modifikationen möglich, ohne vom Geist bzw. Rahmen der Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise der Einlaß und der Auslaß sowohl des ersten als auch des zweiten Fluidkanals durch Anordnen eines Metallrohrs oder dergleichen auf der Seitenfläche des Basiskörpers oder des Deckelkörpers erzeugt werden. In diesem Fall wird die Brennstoffzelle insgesamt effektiv schmaler gestaltet und ist daher für ein tragbares elektronisches Gerät geeignet. Obwohl die anderen Enden des ersten und des zweiten Verdrahtungsleiters sowie des sechsten und des siebten Verdrahtungsleiters jeweils zu den äußeren Oberflächen des Basiskörpers und des Deckelkörpers führen, können sie überdies auch zu der gleichen Seitenfläche führen. In diesem Fall können die Verdrahtungsleitungen, die Fluidkanäle, etc, auf nur einer Seitenfläche der Brennstoffzelle zusammengeführt werden. Dies hilft, die Miniaturisierung und den Schutz der extern angeschlossenen Abschnitte zu erleichtern. Dadurch kann eine hoch zuverlässige Brennstoffzelle konstruiert werden, die dementsprechend über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden kann. Überdies werden gemäß der Ausführungsform zwei Brennstoffzellengehäuseeinheiten zur Konstruktion des Brennstoffzellengehäuses verwendet, die vorstehende Anzahl stellt jedoch keine Einschränkung dar, es können auch drei oder mehr verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist so konstruiert, daß sie als Stromquelle in eine Vielzahl elektronischer Geräte eingesetzt werden kann. Konkrete Beispiele hierfür umfassen: tragbare elektronische Geräte, wie Mobiltelefone, PDAs (Personal Digital Assistants), Digitalkameras, Videokameras und Spielzeuge, wie tragbare Spielgeräte, elektrische Haushaltsgeräte, wie Laptop PCs (Personal Computer), tragbare Drucker, Faksimilegeräte, Fernsehgeräte, Kommunikationsgeräte, Audio- und Videosysteme und elektrische Ventilatoren sowie elektronische Geräte, wie mit Strom betriebene Werkzeuge. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 trägt die Vorteile dieses Typs von elektronischen Vorrichtungen weiter. So können beispielsweise die Dicke des Basiskörpers und des Deckelkörpers und ihr Widerstand verringert werden, da sie aus einem keramischen Material gefertigt sind, das eine größere Festigkeit als ein herkömmliches Kohlenstofformmaterial aufweist. Dadurch kann ein elektronisches Gerät, in das eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle eingebaut ist, eine hoch effiziente Elektrizitätserzeugung, eine Verringerung der Spannungsverluste und einen stabilen Betrieb über einen längeren Zeitraum bieten.
Ein weiterer Vorteil ist der Folgende. Da die einzelnen Brennstoffzellengehäuseeinheiten mittels eines Klebstoffs an ihren Ausbuchtungen aneinander befestigt sind, erübrigen sich Stromsammelplatten und Klemmplatten. Dies hilft, die Anzahl der Bauteile zu reduzieren und dadurch eine schmalere Gestaltung zu ermöglichen. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Zellensystems, das hinsichtlich seiner Kompaktheit und Zweckmäßigkeit ausgezeichnet ist, kann der Hauptkörper des elektronischen Geräts kompakt, dünnwandig und leicht gestaltet werden. Selbst wenn der Hauptkörper beispielsweise eines Mobiltelefons aufgrund eines Sturzes oder eines ähnlichen Unfalls einem Stoß ausgesetzt wird, kann die Konstruktion überdies eine höhere Stoßfestigkeit und eine höhere Wasserbeständigkeit bieten, als je zuvor.
Ferner sollte der externe Verbindungsanschluß oder eine ähnliche Komponente bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellengehäuse vorzugsweise einstückig mit diesen ausgebildet sein, er kann jedoch einsetzbar und von ihnen abnehmbar gestaltet werden. Dadurch muß, wenn die Batterie leer ist, einfach nur die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellengehäuse durch eine bzw, ein neues ersetzt werden, und dementsprechend ist zum Laden keine Zeit erforderlich. Dadurch kann das Zellensystem selbst im Freien und selbst dann aktiviert bleiben, wenn ein Notfall, wie ein Stromausfall, eintritt.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt sein, ohne daß von ihrem Rahmen oder ihren essentiellen Eigenschaften abgewichen würde. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht als einschränkend zu betrachten. Der Rahmen der Erfindung ist vielmehr in den beiliegenden Ansprüchen und nicht in der vorstehenden Beschreibung definiert, und sämtliche Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz zu den Ansprüchen fallen, sind daher als damit beabsichtigt und darin enthalten zu verstehen.

Claims

Brennstoffzellengehäuse (2) mit mehreren aufeinander gestapelten Brennstoffzellengehäuseeinheiten (13), die jeweils einen aus Keramik gefertigten Basiskörper (6) mit einer in seiner einen Oberfläche ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe (3), die eine erste Elektrode (4) und eine zweite Elektrode (5) umfaßt, die jeweils auf ihrer einen und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, einen ersten Fluidkanal (8), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (6) erstreckt, einen ersten Verdrahtungsleiter (10), dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode (4) der Membranelektrodenbaugruppe (3) auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (6) führt, einen Deckelkörper (7) zum hermetischen Abdichten der Ausnehmung, der in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (6) montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt, einen zweiten Fluidkanal (8), der sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers (7) zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (7) erstreckt, und einen zweiten Verdrahtungsleiter (11) umfassen, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode (5) der Membranelektrodenbaugruppe (3) auf der Oberfläche des Deckelkörpers (7) an geordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (7) führt, wobei der erste Verdrahtungsleiter (10) einer Brennstoffzellengehäuseeinheit elektrisch mit dem zweiten Verdrahtungsleiter (11) einer weiteren Brennstoffzellengehäuseeinheit verbunden ist, die auf sie gestapelt und neben ihr angeordnet ist, jede der Brennstoffzellengehäuseeinheiten eine Ausbuchtung (12) aufweist, die an einem auf der Seite einer daneben liegenden Zellengehäuseeinheit angeordneten Endabschnitt einer ihrer Seitenfläche ausgebildet ist und die nebeneinander liegenden Brennstoffzellengehäuseeinheiten an ihren Ausbuchtungen (12) miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellengehäuse (2A) mit mehreren aufeinandergestapelten Brennstoffzellengehäuseeinheiten (13a), die jeweils einen aus Keramik gefertigten Basiskörper (6a), in dessen einer Oberfläche mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe (3) ausgebildet sind, die eine erste Elektrode (4) und eine zweite Elektrode (5) umfaßt, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, einen ersten Fluidkanal (8), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (6a) erstreckt, einen dritten Verdrahtungsleiter (10a), dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode (4) der Membranelektrodenbaugruppe (3) auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (6a) führt, einen Deckelkörper (7a) zum hermetischen Abdichten der Ausnehmungen, der in der Nähe der Ausnehmungen so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (6a) montiert ist, daß er die Ausnehmungen bedeckt, einen zweiten Fluidkanal (9), der sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden Oberfläche des Deckelkörpers (7a) zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (7a) erstreckt, einen vierten Verdrahtungsleiter (11a), dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode (5) der Membranelektrodenbaugruppe (3) auf der Oberfläche des Deckelkörpers (7a) angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (7a) führt, und einen auf dem Basiskörper (6a) ausgebildeten fünften Verdrahtungsleiter (15) umfassen, dessen eines Ende mit dem auf der Bodenfläche einer der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode (4) der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter (10a) verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem auf der Bodenfläche einer weiteren der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode (4) der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden dritten Verdrahtungsleiter (10a) verbunden ist, wobei der dritte Verdrahtungsleiter (10a) einer Brennstoffzellengehäuseeinheit elektrisch mit dem vierten Verdrahtungsleiter (11a) einer weiteren Brennstoffzellengehäuseeinheit verbunden ist, die auf sie gestapelt und neben ihr angeordnet ist, jede der Brennstoffzellengehäuseeinheiten eine Ausbuchtung (12) aufweist, die an einem auf der Seite einer daneben liegen den Zellengehäuseeinheit ausgebildeten Endabschnitt einer ihrer Seitenflächen ausgebildet ist und die nebeneinander liegenden Brennstoffzellengehäuseeinheiten an ihren Ausbuchtungen (12) miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellengehäuse (2B) mit mehreren aufeinandergestapelten Brennstoffzellengehäuseeinheiten (13b), die jeweils einen aus Keramik gefertigten Basiskörper (6b), auf dessen einer Oberfläche mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme einer Membranelektrodenbaugruppe (3) ausgebildet sind, die eine erste Elektrode (4) und eine zweite Elektrode (5) umfaßt, die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, einen ersten Fluidkanal (8), der sich von der der einen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden Bodenfläche der Ausnehmung zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (6b) erstreckt, einen sechsten Verdrahtungsleiter (10b), dessen eines Ende gegenüber der ersten Elektrode (4) der Membranelektrodenbaugruppe (3) auf der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Basiskörpers (6b) führt, einen Deckelkörper (7b) zum hermetischen Abdichten der Ausnehmungen, der in der Nähe der Ausnehmungen so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (6b) montiert ist, daß er die Ausnehmungen bedeckt, einen zweiten Fluidkanal (9), der sich von der der anderen Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenü berliegenden Oberfläche des Deckelkörpers (7b) zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (7b) erstreckt, einen siebten Verdrahtungsleiter (11b) umfassen, dessen eines Ende gegenüber der zweiten Elektrode (5) der Membranelektrodenbaugruppe (3) auf der Oberfläche des Deckelkörpers (7b) angeordnet ist und dessen anderes Ende zur äußeren Oberfläche des Deckelkörpers (7b) führt, wobei das Brennstoffzellengehäuse (2B) ferner einen achten Verdrahtungsleiter (16), dessen eines Ende mit dem auf der Bodenfläche einer der mehreren Ausnehmungen der ersten Elektrode (4) der Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden sechsten Verdrahtungsleiter (10b) verbunden ist und dessen anderes Ende zu der einen Oberfläche des Basiskörpers (6b) führt, auf der der Deckelkörper (7b) montiert ist, und einen neunten Verdrahtungsleiter (17) umfaßt, dessen eines Ende mit dem auf der einen Oberfläche des Deckelkörpers (7b) der zweiten Elektrode (5) einer in einer weiteren der mehreren Ausnehmungen untergebrachten Membranelektrodenbaugruppe (3) gegenüberliegenden siebten Verdrahtungsleiter (11b) verbunden ist und dessen anderes Ende so zu der einen Oberfläche des Deckelkörpers (7b) führt, die auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (6b) montiert wird, daß es dem anderen Ende des achten Verdrahtungsleiters (16) gegenüberliegt, der sechste Verdrahtungsleiter (10b) einer Brennstoffzellengehäuseeinheit elektrisch mit dem siebten Verdrahtungsleiter (11b) einer weiteren Brennstoffzellengehäuseeinheit verbunden ist, die auf sie gestapelt und neben ihr angeordnet ist, jede der Brennstoffzellengehäuseeinheiten eine Ausbuchtung (12) aufweist, die an einem auf der Seite einer daneben liegen den Zellengehäuseeinheit ausgebildeten Endabschnitt einer ihrer Seitenflächen ausgebildet ist und die nebeneinander liegenden Brennstoffzellengehäuseeinheiten an ihren Ausbuchtungen (12) miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellengehäuse (2B) nach Anspruch 3, bei dem der achte Verdrahtungsleiter (16) auf der anderen Brennstoffzellengehäuseeinheit (13b) und der neunte Verdrahtungsleiter (17) auf der einen Brennstoffzellengehäuseeinheit (13b) vorgesehen ist, wobei der achte Verdrahtungsleiter (16) und der neunte Verdrahtungsleiter (17) über einen Verbindungsverdrahtungsleiter (19) verbunden sind.
Brennstoffzellengehäuse (2, 2A, 2B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein zum Verbinden der Ausbuchtungen (12) verwendeter Klebstoff (14) aus einem Duromermaterial mit einer Aushärtungstemperatur von 200°C oder weniger besteht.
Brennstoffzellengehäuse (2, 2A, 2B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Basiskörper (6, 6a, 6b) und der Deckelkörper (7, 7a, 7b) jeweils eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr aufweisen.
Brennstoffzellengehäuse (2, 2A, 2B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Basiskörper (6, 6a, 6b) und der Deckelkörper (7, 7a, 7b) jeweils eine Dicke von 0,2 bis 5 mm aufweisen.
Brennstoffzellengehäuse (2, 2A, 2B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Basiskörper (6, 6a, 6b) und der Deckelkörper (7, 7a, 7b) aus gesintertem Aluminiumoxid mit einer relativen Dichte von 90 % oder mehr bestehen.
Brennstoffzelle (1) mit einer Membranelektrodenbaugruppe (3) mit einer ersten Elektrode (4) und einer zweiten Elektrode (5), die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, und dem Brennstoffzellengehäuse (2) nach Anspruch 1, wobei die Membranelektrodenbaugruppen (3) in der Ausnehmung des Brennstoffzellengehäuses (2) untergebracht sind, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) so angeordnet sind, daß zwischen der einen Hauptoberfläche und dem ersten Fluidkanal (8) und zwischen der anderen Hauptoberfläche und dem zweiten Fluidkanal (9) jeweils Fluid ausgetauscht werden kann, der erste Verdrahtungsleiter (10) elektrisch mit der ersten Elektrode (4) verbunden ist, der zweite Verdrahtungsleiter (11) elektrisch mit der zweiten Elektrode (5) verbunden ist und der Deckelkörper (7) in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (6) montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt.
Brennstoffzelle (1A) mit einer Membranelektrodenbaugruppe (3) mit einer ersten Elektrode (4) und einer zweiten Elektrode (5), die jeweils auf ihrer ersten Hauptoberfläche und auf ihrer zweiten Hauptoberfläche ausgebildet sind, und dem Brennstoffzellengehäuse (2A) nach Anspruch 2, wobei die Membranelektrodenbaugruppen (3) jeweils in den mehreren Ausnehmungen des Brennstoffzellengehäuses (2A) untergebracht sind, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) so angeordnet sind, daß zwischen der einen Hauptoberfläche und dem ersten Fluidkanal (8) und zwischen der anderen Hauptoberfläche und dem zweiten Fluidkanal (9) jeweils Fluid ausgetauscht werden kann, der dritte Verdrahtungsleiter (10a) elektrisch mit der ersten Elektrode (4) verbunden ist, der vierte Verdrahtungsleiter (11a) elektrisch mit der zweiten Elektrode (5) verbunden ist, der fünfte Verdrahtungsleiter (15) elektrisch mit dem dritten Verdrahtungsleiter (10a) verbunden ist und der Deckelkörper (7a) in der Nähe der Ausnehmung so auf dem Basiskörper (6a) montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt.
Brennstoffzelle (1B) mit einer Membranelektrodenbaugruppe (3) mit einer ersten Elektrode (4) und einer zweiten Elektrode (5), die jeweils auf ihrer einen Hauptoberfläche und auf ihrer anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, und dem Brennstoffzellengehäuse (2B) nach Anspruch 3, wobei die Membranelektrodenbaugruppen (3) jeweils in den mehreren Ausnehmungen des Brennstoffzellengehäuses (2B) untergebracht sind, die eine und die andere Hauptoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (3) so angeordnet sind, daß zwischen der einen Hauptoberfläche und dem ersten Fluidkanal (8) und zwischen der anderen Hauptoberfläche und dem zweiten Fluidkanal (9) jeweils Fluid ausgetauscht werden kann, der sechste Verdrahtungsleiter (10b) elektrisch mit der ersten Elektrode (4) verbunden ist, der siebte Verdrahtungsleiter (11b) elektrisch mit der zweiten Elektrode (5) verbunden ist, das eine Ende des achten Verdrahtungsleiters (16) elektrisch mit dem sechsten Verdrahtungsleiter (10b) verbunden ist, das eine Ende des neunten Verdrahtungsleiters (17) elektrisch mit dem siebten Verdrahtungsleiter (11b) verbunden ist, die anderen Enden des achten und des neunten Verdrahtungsleiters (16, 17) elektrisch miteinander verbunden sind und der Deckelkörper (7b) in der Nähe der Ausnehmung so auf der einen Oberfläche des Basiskörpers (6b) montiert ist, daß er die Ausnehmung bedeckt.