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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein vergleichsweise kleines
Brennstoffzellensystem, das ideal ist als eine Stromquelle für tragbare
elektronische Vorrichtungen und ähnliches.
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Die
Basisstruktur einer Brennstoffzelle umfasst eine Elektrolytschicht,
die zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode angeordnet
ist, und ein Gleichstrom wird durch eine elektrochemische Reaktion
erzeugt, verursacht durch das Zuführen von Wasserstoff zu einer
Brennstoffelektrode und Sauerstoff zu der Luftelektrode. Weil die
elektromotorische Kraft einer einzelnen Zelle – welche die kleinste Einheit
darstellt, die in der Lage ist, einen Strom zu erzeugen – gering
ist, muss eine Mehrzahl von Zellen in Reihe geschaltet werden, um
zu ermöglichen,
dass das Brennstoffzellensystem eine adäquate Spannung bereitstellt,
um als die Stromquelle für
eine Vorrichtung zu dienen. Folglich sind die Mehrzahl von Zellen
aufeinander gestapelt, um eine Stapel-Konfiguration zu bilden. Die
Menge des Stroms, die von einer Brennstoffzelle entnommen werden
kann, kann durch das Erhöhen
des Reaktionsoberflächenbereichs
erhöht
werden. Weil jedoch die Stromquellen für tragbare elektronische Vorrichtungen
und ähnliches
kompakt gebildet sein müssen, ist
eine Struktur nötig,
bei welcher der Brennstoff jeder Zelle sanft und effektiv zugeführt werden
kann, um zu ermöglichen,
dass eine kräftige
Reaktion mit großem
Ausmaß innerhalb
eines begrenzten Reaktionsoberflächenbereichs
stattfindet.
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Das
häufigste
Verfahren, um Brennstoff zu jeder der Zellen innerhalb des vorstehend
genannten Stapels zuzuführen,
setzt ein Brennstoffzirkulationssystem ein, bei dem Brennstoff der
Reihe nach zu einer Mehrzahl von Zellen innerhalb des Stapels zugeführt wird,
und der Brennstoff, der von dem Stapel abgelassen wird, zirkuliert
und dem System erneut zugeführt
wird. Beispielweise wird in einem bekannten System nicht-reagiertes
Wasserstoff innerhalb des Brennstoffs, der durch die Mehrzahl von
Zellen innerhalb des Stapels zirkuliert und dann abgelassen wurde,
innerhalb des Brennstoff-Zuführungskanals
vermischt (siehe die
japanische
offengelegte Patentveröffentlichung
Nr. 2003-317753 ). In einer Brenn stoffzelle, die diesen
Typ Brennstoffzirkulationssystem verwendet, ist eine einzelne Pumpe
ausreichend, um den Brennstoff zuzuführen. Jedoch muss bei diesem Typ
von Brennstoffzirkulationssystem – weil die Brennstoffkonzentration
mit zunehmender Distanz entlang des Brennstoffzuführweges
abnimmt und genauso die Konzentration des wiederzugeführten Brennstoffs
abnimmt – eine
Hilfsvorrichtung so wie ein Brennstoffkonzentrationsregulator bereitgestellt werden.
In vergleichsweise großen
Brennstoffzellen kann die Pumpenleistung erhöht werden und die Installation
einer großen
Pumpe und/oder einer Hilfsvorrichtung stellt keine besonderen Probleme
dar, aber diese Lösung
ist unpassend für
kompakte Brennstoffzellen, die zur Benutzung innerhalb tragbarer
Vorrichtungsausstattung und ähnlichem
entwickelt wurden.
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Außerdem,
um eine stromabwärts
erfolgende Abnahme in der Brennstoffkonzentration innerhalb einer
Brennstoffzelle zu verhindern, die ein Brennstoffzirkulationssystem
einsetzt, wurde ein System vorgeschlagen, bei dem der Querschnittsbereich
des Brennstoffkanals innerhalb der stromabwärts gelegenen Zellen erhöht ist,
wobei auf diese Weise die Brennstoffdurchflussmenge erhöht wird, und
die Stromdichte-Verteilung über
jeder der Zellen angeglichen wird (siehe die
japanische offengelegte Patentveröffentlichung
Nr. 2002-260710 ). Um jedoch die Brennstoffzufuhr einer
gleichen Konzentration von Brennstoff zu jeder der Mehrzahl von
Zellen zu ermöglichen,
die den Stapel bilden, erfordert dieses System vorzugsweise eine
unabhängige
Zufuhr zu jeder Zelle. Um jedoch die präzise Zufuhr einer vorgeschriebenen
Menge an Brennstoff zu jeder Zelle sicherzustellen, muss eine einzelne
Brennstoffzuführungs-Öffnung für jede der
Mehrzahl von Zellen vorgesehen sein. Unglücklicherweise ist in kompakten Brennstoffzellen,
die für
die Nutzung innerhalb von tragbaren elektronischen Vorrichtungen
gestaltet sind, die Bereitstellung einer individuellen Brennstoffzuführungsöffnung für jede Zelle
problematisch.
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Ein
Brennstoffzuführungssystem,
das angepasst ist für
kompakte Brennstoffzellen, ist ein nicht-zirkulierendes Brennstoffsystem,
bei dem nur die präzise
Menge an für
die Stromerzeugung benötigtem
Brennstoff zu jeder der Mehrzahl von Zellen zugeführt wird.
Wenn jedoch die Brennstoffzufuhr geleitet wird, durch die Verwendung
solch eines nicht-zirkulierenden Brennstoffsystems, um die präzise Zufuhr
einer vorgeschriebenen Menge von Brennstoff zu jeder Zelle sicherzustel len,
muss eine einzelne Brennstoffzuführungsöffnung für jede der
Mehrzahl von Zellen vorgesehen sein, wobei die Brennstoffzufuhr
dann von jeder dieser Zuführungsöffnungen
erfolgt. Mögliche
Mittel zum Zuführen
von Brennstoff zu einer Mehrzahl von Brennstoffzuführungsöffnungen
schließen
die Bereitstellung einer Brennstoffzuführungsvorrichtung an jeder
der Brennstoffzuführungsöffnungen
ein, oder das Bereitstellen einer Brennstoffzuführungsvorrichtung und dann
das Verteilen des Brennstoffs von dieser einzelnen Vorrichtung zu
jeder der Brennstoffzuführungsöffnungen. Das
Bereitstellen einer individuellen Brennstoffzuführungsvorrichtung an jeder
Brennstoffzuführungsöffnung stellt
eine exzellente Genauigkeit der Brennstoffzufuhr sicher, aber das
von den Brennstoffzuführungsvorrichtungen
benötigte
Volumen ist beträchtlich,
wodurch ein solches System für
kompakte Brennstoffzellen unpraktisch macht. Andererseits ist bei
einem System, bei dem eine einzelne Brennstoffzuführungsvorrichtung
vorgesehen ist und der Brennstoff von dieser einzelnen Vorrichtung
dann zu jeder der Brennstoffzuführungsöffnungen
verteilt wird, eine präzise
Steuerung des Brennstoffzuführungsvolumens
unmöglich.
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JP-A-2004-071415 und
EP-A-0778631 offenbaren
beide Brennstoffzellen-Stapel mit einer Brennstoffzuführungsleitung,
die durch den Stapel hindurchfährt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
vorzustellen, welches eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzuführungsvorrichtung
umfasst, und welches eine präzise Zufuhr
einer vorbestimmten Menge an Brennstoff zu jeder der Mehrzahl von
Zellen ermöglicht.
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Um
die vorstehend genannte Aufgabe zu erfüllen, umfasst die vorliegende
Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und
eine Brennstoffzuführungsvorrichtung
umfasst, wobei:
die Brennstoffzelle einen integrierten Stapel
darstellt, der ein Laminat umfasst, welches durch das Stapeln einer
Mehrzahl von Zellen gebildet ist, die zwischen zwei Endplatten eingerichtet
sind; eine Mehrzahl von individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen
zum Zuführen
von Brennstoff zu jeder der Mehrzahl von Zellen, unabhängig von
der Brennstoffzuführungsvorrichtung,
auf den Endplatten gebildet ist, und so einen individuellen Brennstoffzuführungskanal
bilden, der Brennstoff von jeder der Mehrzahl von individuellen
Brennstoffzuführungsöff nungen
zu einer Brennstoffelektrode der entsprechenden Zelle zuführt, dadurch
gekennzeichnet, dass:
die volumetrische Kapazität einer
Brennstoffzuführungsleitung,
von der individuellen Brennstoffzuführungsöffnung hindurch zu einem Anfangspunkt
eines Brennstoffkanals zum Zuführen
von Brennstoff zu der Brennstoffelektrode, über die Mehrzahl der Zellen konstant
ist.
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Durch
das Einsetzen dieser Konfiguration – weil ein individueller Brennstoffzuführungskanal
zu jeder Zelle von einer der Mehrzahl von individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen
gebildet ist, die auf den schichtweise angeordneten Endplattengebildet ausgebildet
sind – ist
die Dicke der Separatoren, welche die Mehrzahl von Zellen unterteilen,
reduziert, wobei auf diese Weise die Produktion eines dünneren Stapels
ermöglicht
wird und ein kompakteres Brennstoffzellensystem, das ideal für tragbare
elektronische Ausstattung und ähnlichem
geeignet ist.
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In
einem weiteren Aspekt umfasst die Brennstoffzuführungsvorrichtung in dem vorstehend
genannten Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl von Pumpenmitteln,
die mit der Mehrzahl von individuellen Zellen korrespondieren. Jedes
der Pumpenmittel wird durch Antriebsmittel angetrieben und saugt Brennstoff
durch einen Einlass an und Isst dann den Brennstoff durch einen
Auslass ab und führt
ihn der korrespondierenden Zelle zu. Durch das Einsetzen dieser
Konfiguration wird nicht nur Brennstoff präzise und gleichmäßig zu jeder
individuellen Zelle zugeführt,
sondern die Brennstoffzufuhr zu jeder Zelle wird unabhängig gesteuert.
Wenn außerdem
eine Konfiguration verwendet wird, bei der ein einzelnes Antriebsmittel
verwendet wird, um eine Mehrzahl von Pumpenmittel zu betätigen, dann
ist die Vorrichtung in ihrer Größe weiter
reduziert, wobei auf diese Weise ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt
wird, welches ideal für
eine tragbare elektronische Ausstattung ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, welche die Konfiguration von Brennstoffzuführungskanälen in Brennstoffzellen
zeigt, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
perspektivische Ansicht, welche die Struktur einer Zelle in der
Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform
zeigt,
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3 eine
perspektivische Ansicht, welche einen Stapel zeigt, bei dem eine
Mehrzahl von Zellen aufeinander gestapelt ist;
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4 eine
Querschnittsansicht, die einen Brennstoffzuführungskanal zeigt, der innerhalb
von Separatoren gebildet ist;
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5 eine
Querschnittsansicht, die einen Brennstoffauslasskanal zeigt, der
innerhalb von Separatoren gebildet ist;
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6 eine
Querschnittsansicht, die eine grundlegende Konstruktion des Standes
der Technik für
die Brennstoffzuführung
zu individuellen Zellen zeigt;
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7 eine
Querschnittsansicht, welche die Struktur einer Brennstoffzuführungsvorrichtung
gemäß eines
ersten Beispiels zeigt; und
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8 eine
Querschnittsansicht, die eine Struktur einer Brennstoffzuführungsvorrichtung
gemäß eines
zweiten Beispiels zeigt.
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Es
folgt eine Beschreibung einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung, unter Bezugnahme auf die 1 bis 6.
Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf Anwendung der vorliegenden
Erfindung auf eine Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), die eine wässrige Lösung aus
Methanol als Brennstoff verwendet, aber das Brennstoffzellensystem
kann auch in jeder Form auf andere Brennstoffzellen angewendet werden.
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Bei
einer gestapelten Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von gestapelten
Zellen umfasst, wird – um
eine individuelle Brennstoffzuführung
zu jeder Zelle zu ermöglichen – eine Konstruktion
verwendet, wie die in 6 gezeigt wird. Nämlich ist
eine Rohrverbindung 51, die als eine Brennstoffzuführungsöffnung dient,
zwischen den Seitenoberflächen
von angrenzenden Separatoren 50 vorgesehen, wobei eine Mehrzahl
von ihnen verwendet wird, um die Mehrzahl von Zellen zu trennen,
so dass ein Brennstoffzuführungskanal 52,
der mit der Rohrverbindung 51 verbindet, zwischen den Separatoren 50 gebildet
ist. Dieser Brennstoff, der von einem Rohr 53 zugeführt wird, welches
mit dem Rohrverbund 51 verbunden ist, wird der Brennstoffelektrode
einer Elektroden-Membran-Einheit (MEA) zugeführt, welche zwischen den Separatoren 50 angeordnet
ist.
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Um
die Größe der Brennstoffzelle
zu reduzieren, muss die Dicke der Separatoren 50 reduziert werden,
aber in dem vorstehend beschriebenen Aufbau – weil die Rohrverbindung 51 an
den Seitenoberflächen
der Separatoren 50 angepasst ist, nämlich den Oberflächen, die
zur Dicke des Separators beitragen – kann die Dicke der Separatoren 50 nicht
weiter reduziert werden als der innere Durchmesser des Rohrs 53,
das mit der Rohrverbindung 51 verbunden ist. Der innere
Durchmesser des Rohrs 53 muss ausreichend sein, um der
vorgeschriebenen Menge an Brennstoff zu ermöglichen, der MEA zugeführt zu werden.
Wenn der Durchmesser unterhalb dieses Wertes reduziert wird, nimmt
der Stromverbrauch der Brennstoffpumpe zu, die den Brennstoff zuführt, und weil
ein Teil der Brennstoffzellen-Ausgangsleistung durch diese Brennstoffpumpe
verbraucht wird, nimmt die Gesamtausgangsleistung des Brennstoffzellensystems
ab. In einer vergleichsweise großen Brennstoffzelle, kann die
Dicke der Separatoren 50 auf Abmessungen festgelegt sein,
die denen eines inneren Durchmessers für das Rohr 53 entsprechen,
welches die gewünschte
Brennstoffdurchflussmenge ermöglicht.
Bei dem Typ von kompakter Brennstoffzelle für tragbare elektronische Vorrichtungen
jedoch, die durch die vorliegende Erfindung erzielt werden soll, besteht
durch das Bilden der Separatoren 50 mit einer ausreichenden
Dicke, um eine zufriedenstellende Brennstoffzuführung zu ermöglichen,
die Neigung, irgendwelche Reduzierungen in der Größe des Systems
zu verhindern. Bei der nachfolgend genannten Brennstoffzelle ist
dieses Problem überwunden,
und es wird eine Struktur bereitgestellt, welche die individuelle
Zuführung
einer vorbestimmten, gleichen Menge an Brennstoff zu jeder der Mehrzahl
von Zellen ermöglicht,
selbst für
eine Brennstoffzelle mit reduzierter Größe.
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1 zeigt
die Kanäle
für die
Brennstoffzuführung
und den Brennstoffauslass, welche das kennzeichnende Merkmal einer
Brennstoffzelle gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Brennstoffzelle in dieser
Ausführungsform
ist wie ein Stapel 1 gestapelt (wird später beschrieben), welcher eine
Mehrzahl von gestapelten Zellen umfasst. Der Stapel 1 umfasst
ein Laminat von acht individuellen Zellen, wobei jede von ihnen eine
MEA 6 umfasst, die zwischen zwei Separatoren 4a und 4b eingerichtet
ist, wie in 2 gezeigt, integriert in eine
einzelne Einheit durch das Anordnen der Zellen zwischen zwei Endplatten 5a und 5b.
Die MEA 6 umfasst eine Brennstoffelektrode auf einer Oberfläche einer
Polymermembran, die als das Elektrolyt dient, und eine Luft elektrode
auf der anderen Oberfläche,
und ist an einem Dichtungsgummi 10 angebracht und dann
zwischen den Separatoren 4a und 4b eingerichtet.
In eine Zelle 3a wird entlang der Brennstoffelektrode von
einem Brennstoffkanal 8 (siehe 1) Brennstoff
zugeführt,
der in einer Richtung innerhalb der gegenüberliegenden Oberfläche des
Separators 4b gebildet ist, wohingegen Luft von einem Luftkanal 9 entlang
der Luftelektrode zugeführt
wird, der in der gegenüberliegenden
Oberfläche des
Separators 4a gebildet ist. Der Wasserstoff innerhalb des
Brennstoffs und der Sauerstoff in der Luft reagieren dann über eine
Membran, erzeugen eine elektromotorische Kraft zwischen der Brennstoffelektrode
und der Luftelektrode. Acht Zellen 3a bis 3h,
die auf diese Art und Weise konstruiert sind, sind aufeinander gestapelt,
wobei die MEAs 6 zwischen den Separatoren 4a bis 4i eingerichtet
sind, und somit gestapelte Zellen 2 bilden, gezeigt in 3.
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Wie
in 1 und 4 gezeigt, sind auf der unteren
Endplatte 5a vier individuelle Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11d vorgesehen,
um Brennstoff individuell zu den Brennstoffkanälen 8 der vier Zellen 3a bis 3d auf
der Seite des Aufbaus zuzuführen.
Entsprechend sind auf der oberen Endplatte 5b vier weitere
individuelle Brennstoffzuführungsöffnungen 11e bis 11h vorgesehen,
um Brennstoff individuell zu den vier Zellen 3e bis 3h auf
der anderen Seite des Aufbaus zuzuführen. Ein Rohr ist mit jedem dieser
individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h verbunden,
und diese sind durch Rohre mit einer Brennstoffauslassöffnung 34 einer
Brennstoffzuführungsvorrichtung 31 oder 32 verbunden, die
später
beschrieben wird. Brennstoff, der von den Rohren zugeführt wird,
die mit den individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h verbunden
sind, wird von individuellen Brennstoffzuführungskanälen 12a bis 12h geführt, welche
durch die Dicke der Endplatten 5a und 5b gebildet
sind, zu individuellen Brennstoffeinlassöffnungen 13a bis 13h, die
in der Stapelrichtung der Zellen 3a bis 3h gebildet sind,
und wird dann den Brennstoffkanälen 8 innerhalb
der Separatoren 4b bis 4i zugeführt, die
den Zellen 3a bis 3h entsprechen, welche die Brennstoffzuführungsrichtung
darstellen. In 1 ist der Separator 4a,
bei dem ein Brennstoffkanal 8 gebildet ist, weggelassen.
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4 zeigt
den Brennstoffzuführungsweg
zu dem Brennstoffkanal 8 des Separators 4b, entsprechend
der Zelle 3a, und den Brennstoffzuführungsweg für den Brennstoffkanal 8 des
Separators 4f, entsprechend der Zelle 3e. Wie
in diesem Beispiel gezeigt, wird Brennstoff individuell zu jeder
der Zellen 3a bis 3h zugeführt, entweder von einer individuellen Brennstoffeinlassöffnung 13a bis 13e,
die durch jeden der unteren Separatoren 4a bis 4e gebildet
sind, zu einem vorbestimmten Separator 4b bis 4e,
oder von einer individuellen Brennstoffeinlassöffnung 13e bis 13i,
die durch jeden der oberen Separatoren 4e bis 4i gebildet
sind, zu einem vorbestimmten Separator 4e bis 4i.
Die individuellen Brennstoffeinlassöffnungen 13a bis 13h dringen
so weit wie der vorbestimmte Separator 4a bis 4i ein,
der den Brennstoff zu der Zuführungs-Zielzelle 3a bis 3h zuführt, und
ein Austreten von Brennstoff von dem Kanal wird durch O-Ringe 18 verhindert,
die innerhalb jeweiliger konkaven Abschnitte 21 um die
Zuführungsöffnungen
in Eingriff stehen.
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Als
nächstes
erfolgt eine Beschreibung des Brennstoffstroms durch die Brennstoffzuführungswege
entsprechend der Zellen 3a und 3e, die in 4 gezeigt
sind. In dem Fall der Zelle 3a tritt Brennstoff, der in
die individuelle Brennstoffzuführungsöffnung 11a eintritt,
von dem individuellen Brennstoff-Zuführungskanal 12a durch
die individuelle Brennstoffeinlassöffnung 13a, die in
den Separator 4a eindringt, und tritt in einen individuellen
Brennstoffeinlass 14b ein, der in dem Separator 4b gebildet
ist. Der Brennstoff fließt
dann durch einen individuellen Brennstoffführungskanal 15b, der
in dem Separator 4b gebildet ist, und erreicht einen Stromerzeugungs-Anfangspunkt 16 an
dem Einlass zu dem Brennstoffkanal 8. Der Brennstoff, der
in den Brennstoffkanal 8 von dem Stromerzeugungs-Anfangspunkt 16 fließt, wird
zu der Brennstoffelektrode der MEA 6 der Zelle 3a zugeführt, und
trägt zur
Stromerzeugung bei. Der Brennstoff fließt dann durch zu einem Stromerzeugungs-Endpunkt 17 an
dem Brennstoffkanal-Auslass, gezeigt in 5, fließt in eine
Brennstoffauslassöffnung 19 und
wird von einer Brennstoffauslassöffnung 20 nach
außen
abgelassen, die in der Endplatte 5a vorgesehen ist.
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In
dem Fall der Zelle 3e passiert der Brennstoff, der in die
individuelle Brennstoffzuführungsöffnung 11e eintritt,
von dem individuellen Brennstoffzuführungskanal 12e durch
die individuelle Brennstoffeinlassöffnung 13e – die in
die Separatoren 4i, 4h, 4g und 4f dringt –, und tritt
in einen individuellen Brennstoffeinlass 14f ein, der in
dem Separator 4f gebildet ist. Der Brennstoff fließt dann
durch einen individuellen Brennstoffführungskanal 15f, der
in dem Separator 4f gebildet ist, und erreicht einen Stromerzeugungs-Anfangspunkt 16 an
dem Einlass zu dem Brennstoffkanal 8. Der Brennstoff, der
in den Brennstoffkanal 8 von dem Stromerzeugungs-Anfangspunkt 16 fließt, wird
der Brennstoffelektrode der MEA 6 der Zelle 3e zugeführt und
trägt zur
Stromerzeugung bei. Der Brennstoff fließt dann durch zu einem Stromerzeugungs-Endpunkt 17 an
einem Brennstoffkanal-Auslass,
gezeigt in 5, fließt in die Brennstoffauslassöffnung 19 und
wird von der Brennstoffauslassöffnung 20 nach
außen
abgelassen, die in der Endplatte 5a vorgesehen ist.
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Derselbe
Brennstoffzuführungsprozess
wird auf die Zellen 3a bis 3h angewendet, und
die Kanäle von
den individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h durch
zu den Stromerzeugungs-Anfangspunkten 16 der jeweiligen
Zellen 3a bis 3h sind alle mit derselben volumetrischen
Kapazität
gebildet. Mit anderen Worten ist das System so konstruiert, dass
die kombinierte Summe der Kanalkapazität der individuellen Brennstoffeinlassöffnungen 13a bis 13h und
die Kanalkapazität
der entsprechenden individuellen Brennstoffführungskanäle 15b bis 15i,
die in dem Separator 4b bis 4i gebildet sind,
zwischen den individuellen Brennstoffeinlässen 14b bis 14h,
gezeigt in 1, und dem Stromerzeugungs-Anfangspunkt 16,
für jede
Zelle 3a bis 3h gleich ist. Folglich erreicht
die Brennstoffzuführung
in die individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h den Stromerzeugungs-Anfangspunkt 16 der
Zellen 3a bis 3h nahezu gleichzeitig, was bedeutet,
dass die Stromerzeugung mit den Zellen 3a bis 3h ebenfalls gleichzeitig
erfolgt. Dieses ermöglicht
eine größere Stabilität der Stromerzeugungsleistung
des Stapels 1, umfassend die acht Zellen 3a bis 3h,
die in Reihe miteinander verbunden sind.
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Der
Brennstoff, der durch die Brennstoffkanäle 8 der jeweiligen
Separatoren 4b bis 4i geströmt ist und der den jeweiligen
Brennstoffelektroden zugeführte
Wasserstoff erreichen die jeweiligen Stromerzeugungs-Endpunkte 17 der
Brennstoffkanäle 8,
die in 5 gezeigt sind. Der Brennstoff fließt dann
von diesen Stromerzeugs-Endpunkten 17 abwärts durch die
Brennstoffauslassöffnung 19,
welche durch die Dickerichtung der Separatoren 4a bis 4i hindurchtritt, und
wird von der Brennstoffauslassöffnung 20 nach außen abgelassen,
die in der Endplatte 5a vorgesehen ist. Ein Austreten von
Brennstoff von der Brennstoff-Auslassöffnung 19 wird durch
O-Ringe 23 verhindert, die innerhalb konkaver Auslass-Abschnitte 22 in
Eingriff stehen, die um die Brennstoffauslassöffnung 19 in jedem
der Separatoren 4a bis 4h gebildet sind.
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Bei
der vorstehend genannten Konfiguration sind die Brennstoffzuführungskanäle für die Zellen 3a bis 3h gebildet
mit gleicher Kanal-Kapazität
zwischen der individuellen Brennstoffzuführungsöffnung 11a bis 11h und
dem Anfangs-Punkt 16 des entsprechenden Brennstoffkanals 8,
und die Brennstoffkanäle 8 sind
für jede
Zelle gleich gebildet. Infolgedessen, durch das Zuführen einer
gleichen Menge von Brennstoff zu jeder der individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h,
wird die Menge an Strom, die von jeder Zelle 3a bis 3h erzeugt
wird, konstant gehalten, welches eine gute Stabilität der gewünschten Ausgabehöhe ermöglicht.
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Als
nächstes
erfolgt eine Beschreibung einer Brennstoffzuführungsvorrichtung zum Bilden
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
unter Bezugnahme auf die 7 und 8.
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7 zeigt
die Struktur einer Brennstoffzuführungsvorrichtung 31 gemäß eines
ersten Beispiels. In diesem Beispiel verursacht eine Nocke (Antriebskörper) 36,
die durch einen in der Figur nicht dargestellten Motor rotiert wird,
aufeinander folgende Auslassoperationen innerhalb von vier Pumpen 37a bis 37d.
Jede der Pumpen 37a bis 37d umfasst einen Zylinder 38,
der mit einem Auslassventil 40 ausgestattet ist, das sich
in Richtung auf die vorstehend genannte Brennstoffauslassöffnung 34 öffnet, und
ein Einlassventil 41, das sich in Richtung auf eine Brennstoffeinlassöffnung 35 öffnet. Ein
Kolben 39 ist im Inneren des Zylinders 38 untergebracht
und ist in der Lage, sich im Inneren des Zylinders frei vor und
zurück
zu bewegen. Eine Ansaugfeder 43, die zwischen dem Zylinder 38 und
einem federnden Lager 44 angeordnet ist, welches an einer
Kolbenstange 42 befestigt ist, hält den Kolben 39 in
einem zurückgezogenem
Zustand, und dieses verursacht, dass eine Rolle mit aktivem Ende 45 auf
dem Kolbenstab 42 mit der äußeren Oberfläche der
Nocke 36 in Kontakt tritt.
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Wenn
die Kraft der Ansaugfeder 43 verursacht, dass sich der
Kolben 39 zurückzieht, öffnet der daraus
resultierende negative Druck das Einlassventil 41, und
Brennstoff wird in den Zylinder 38 von einem Brennstoffbehälter (nicht
in der Fi gur gezeigt) angesaugt, wobei letzterer mit der Brennstoffeinlassöffnung 35 verbunden
ist. Wenn die Rotation der Nocke 36 den vorstehenden Abschnitt
der Nocke in eine Position bringt, wo sie auf die Rolle mit aktivem
Ende 45 stößt, dann
wird – wie
durch den Zustand der Pumpe 37c in der Figur gezeigt – der Kolbenstab 42 hineingedrückt, gegen
den Widerstand der Ansaugfeder 43, wobei verursacht wird,
dass sich der Kolben 39 vorwärts bewegt. Dieses komprimiert
den Brennstoff, der in den Zylinder 38 angesaugt wurde,
wobei auf diese Weise das Auslassventil 40 geöffnet wird, und
verursacht, dass eine Menge an Brennstoff, entsprechend einer Distanz
des Vorwärtsbewegens
des Kolbens 39, durch die Brennstoffauslassöffnung 34 abgelassen
wird. Dieser abgelassene Brennstoff wird zu einer der individuellen
Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h durch
ein Verbindungsrohr (nicht in der Figur gezeigt) zugeführt.
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Die
Brennstoffzuführungsvorrichtung 31,
die in 7 gezeigt wird, umfasst vier Pumpen 37a bis 37d,
während
die Anzahl von korrespondierenden individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h acht
beträgt.
Folglich wird durch das Bereitstellen von zwei dieser Brennstoffzuführungsvorrichtungen 31 die
individuelle Brennstoffzuführung
zu jeder der acht Zellen 3a bis 3h geleitet. Acht
Pumpen könnten
auch um den Umfang einer einzelnen Nocke 36 herum positioniert
sein, aber dieses erfordert eine beträchtliche Zunahme in der Größe der Brennstoffzuführungsvorrichtung 31,
welches bei der Konstruktion von kompakten Brennstoffzellen zur
Verwendung innerhalb tragbarer elektronischer Ausstattung und ähnlichem
nicht wünschenswert
ist. Eine bevorzugte Option ist es, die Brennstoffzuführungsvorrichtung 31 mit
vier Pumpen 37 zu verwenden, wie in dem vorstehenden Beispiel
beschrieben, und dann die Anzahl dieser Vorrichtungen in Übereinstimmung
mit der Anzahl von Zellen zu erhöhen.
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8 zeigt
die Struktur einer Brennstoffzuführungsvorrichtung 32 gemäß einem
zweiten Beispiel. In diesem Beispiel sind vier Nocken 36a bis 36d,
die an einer Rotationswelle 47 befestigt sind, welche durch
einen Motor 46 rotiert wird, über vier Pumpen 37a bis 37d positioniert,
welche parallel in einer geraden Linie ausgerichtet sind. Bei diesem
gezeigten Aufbau ist der Befestigungswinkel für alle Nocken 36a bis 36d derselbe,
so dass das Ansaugen von Brennstoff und der Auslass von Brennstoff gleichzeitig
innerhalb der vier Pumpen 37a bis 37d erfolgt.
Alternativ könnte
der Befestigungswinkel von jeder Nocke 36a bis 36d zur Rotationswelle 47 auch verschieden
sein, so dass die Brennstoffzufuhr von jeder der Pumpen 37a bis 37d nacheinander
erfolgt.
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Der
Brennstoff, der zu jeder der individuellen Brennstoffzuführungsöffnungen 11a bis 11h von
der Brennstoffauslassöffnung 40 einer
vorstehend genannten Brennstoffzuführungsvorrichtung 31 oder 32 zugeführt wird,
wird geleitet von den individuellen Brennstoffzuführungskanälen 12a bis 12h,
die durch die Dicke der Endplatten 5a und 5b gebildet
sind, zu den individuellen Brennstoffeinlassöffnungen 13a bis 13h,
die in der Stapelrichtung der Zellen 3a bis 3h gebildet
sind. Von hier wird der Brennstoff den Brennstoffkanälen 8 innerhalb
der Separatoren 4b bis 4i zugeführt, die
mit den Zellen 3a bis 3h korrespondieren, welche
das Brennstoffzuführungsziel
darstellen.
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Die
Brennstoffzuführungsvorrichtungen 31 und 32,
die vorstehend beschrieben wurden, setzen beide Pumpen 37a bis 37d ein,
welche sich auf die Vor- und Zurückbewegung
eines Kolbens 39 stützen, aber
die Vorrichtungen könnten
ebenso Rotationspumpen verwenden.
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Wie
vorstehend beschrieben, ermöglicht eine
Brennstoffzelle und eine Brennstoffzuführungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die präzise
Zufuhr einer vorbestimmten Menge an Brennstoff zu jeder der Mehrzahl
von Zellen, und ermöglicht
auch die Steuerung der Brennstoffzuführung zu jeder Zelle. Infolgedessen
ist es möglich,
ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches die Verringerung
der Größe und des
Gewichts eines Stapels ermöglicht,
der eine Mehrzahl von gestapelten Zellen umfasst und kompakt genug
ist, um als die Stromquelle für
tragbare elektronische Ausstattung und ähnlichem zu dienen.