DE10036981A1 - Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten - Google Patents

Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten

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DE10036981A1
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Gang Xie
Harumi Hashiguchi
Norio Nakaya
Atsushi Tomita
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Abstract

Um die Gasdruchlässigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, wird eine Brennstoffzelle mit festem Polymer als Elektrolyten so gestaltet, dass sie einen Elektrolyten 100 in der Form einer Ionenaustauschmembran, eine Gasdiffusionsschicht 110/120, die auf jeder Seite des Elektrolyten 100 angeordnet sind, und eine Elektrodenkatalysatorsubstanz 3, die in der Gasdiffusionsschicht 110/120 dispergiert ist, einschließt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten.
Aus den Brennstoffzellen, die wirksam sind, dass sie mit globalen Umwelt- und Resourcenproblemen wie etwa einer CO2-Freisetzungsregulierung zur Verhinderung von atmosphärischer Verschmutzung und der Verknappung der Ölresourcen fertig werden, wurde die Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten auf Grund der sauberen Betriebsweise, der hohen Energiedichte und der ladungsfreien Charakteristik herausgestellt. So macht in vielen Ländern wie etwa Japan und weiteren bedeutenden Ländern die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten rasche Fortschritte.
Wie in Fig. 8 veranschaulicht ist, sind in einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten oder einer nach dem Stand der Technik zwei gasdurchlässige, poröse, elektrisch leitfähige Gasdiffusionsschichten, die sogenannten Gasdiffusionsschichten 910 und 920, auf beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran 900 bereitgestellt. Zwischen einer Seite der Polymerelektrolytmembran 900 und der Gasdiffusionsschicht 910 ist eine Katalysatorschicht 950 eingebracht, während zwischen der weiteren Seite der Polymerelektrolytmembran 900 und der Gasdiffusionsschicht 920 eine Katalysatorschicht 960 eingebracht ist. Ein äußerer Stromkreis 930 als eine äußere Last ist zwischen die Gasdiffusionsschichten 910 und 920 geschaltet. Die gasdurchlässigen, porösen, elektrisch leitfähigen Gasdiffusionsschichten 910 und die Katalysatorschicht 950 bilden eine Brennstoffelektrode während die gasdurchlässigen, porösen, elektrisch leitfähigen Gasdiffusionsschichten 920 und die Katalysatorschicht 960 eine Oxidanselektrode bilden.
In der die vorstehend beschriebene Struktur aufweisenden Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten fließt ein Brennstoffgas, welches in der Form eines Wasserstoffgases oder eines wasserstoffhaltigen Gases ist, durch die Gasdiffusionsschicht 910 hindurch und erreicht die Katalysatorschicht 950. Dann tritt die folgende elektrochemische Reaktion auf.
2H2 → 4H+ + 4e-
Das resultierende Proton H+ wandert durch Hindurchlaufen durch die Polymerelektrolytmembran 900 zu der Oxidanselektrode, an der Sauerstoff oder Luft als ein Oxidationsmittel verwendet wird. Gleichzeitig wandert das an der Brennstoffelektrode erzeugte Elektron e- über den äußeren Stromkreis 930 zu der Oxidanselektrode. Der elektrische Widerstand, der sich aus der in Serie geschalteten Katalysatorschicht 950 und der Gasdiffusionsschicht 910 ergibt, lässt die Spannung abfallen, wodurch sich die Zellleistung erniedrigt.
Andererseits bewegen sich auf der Seite der Oxidanselektrode das sauerstoffhaltige Oxidationsgas und das von dem äußeren elektrischen Stromkreis kommende Elektron e- durch die Gasdiffusionsschicht 920 hindurch und erreichen die Katalysatorschicht 960, an der die folgende elektrochemische Reaktion oder Reduktionsreaktion auftritt.
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Etwas von dem resultierenden Wasser erreicht die Polymerelektrolytmembran 900 und diffundiert aufgrund des Konzentrationsgradienten in Richtung der Brennstoffelektrode. Das verbliebene Wasser wird verdampft, diffundiert in einen Gasdurchlass (nicht gezeigt) über die Katalysatorschicht 960 und die Gasdiffusionsschicht 920 und wird zusammen mit dem Abgas des Oxidationsgases nach außen freigesetzt. Wenn in Abhängigkeit von der Länge der jeweiligen Katalysatorschicht 960 und der Gasdiffusionsschicht 920 der Diffusionsweg des Wassers länger wird, wird somit zusätzlich zu dem Anstieg des elektrischen Widerstands und dem Anstieg des Reaktionsgasdiffusionswiderstandes die Freisetzung des erzeugten Wassers erschwert, was eine leichte Kondensation des Wassers verursacht und was zu einer Beeinträchtigung der Versorgung mit Reaktionsgas führt. Somit wird die Katalysatorauslastung an dem Katalysator verringert, wodurch die Zellcharakteristik verringert wird.
Im Hinblick auf die vorstehenden Umstände besteht somit ein Bedarf nach der Bildung einer Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten, welche die vorstehenden Nachteile nicht aufweist.
Es ist deshalb eine wesentliche Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten bereitzustellen, welche einen solchen Bedarf erfüllt.
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird in einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten bereitgestellt, welche das folgende umfasst:
  • - einen Elektrolyten in der Form einer Ionenaustauschmembran;
  • - eine auf jeder Seite des Elektrolyten angeordnete Gasdiffusionsschicht; und
  • - Elektrodenkatalysatoreinrichtungen, die in der Gasdiffusionsschicht dispergiert sind.
Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist die Elektrodenkatalysatoreinrichtung in der Gasdiffusionsschicht dispergiert, wodurch eine Integration der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht nach dem Stand der Technik ermöglicht wird, um dadurch die Gasdurchlässigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß dem ersten Gesichtspunkt bereitzustellen, wobei die Elektrodenkatalysatoreinrichtung in Pulverform ist, das aus zahlreichen Teilchen besteht, wobei ein oder mehrere Elektrodenkatalysatorteilchen jeweils auf einer Vielzahl von Trägerelementen, welche über die Gasdiffusionsschicht verteilt sind, geträgert sind.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ist die Elektrodenkatalysatoreinrichtung in der Gasdiffusionsschicht dispergiert, wodurch eine Integration der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht nach dem Stand der Technik ermöglicht wird, um dadurch die Gasdurchlässigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Vor allem wird die Katalysatordispersion durch die Verteilung der Trägerelemente, auf denen der Katalysator geträgert ist, erreicht, wodurch eine gleichförmige Verteilung des Katalysators über die Gasdiffusionsschicht ermöglicht wird.
Ein dritter Gesichtspunkt der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß dem zweiten Gesichtspunkt bereitzustellen, wobei die Gasdiffusionsschicht darin zahlreiche Poren einschließt, wobei jede Pore größer als die Größe des Trägerelementes ist und wobei die Dispersion des Elektrodenkatalysators durch das Füllen von einem oder mehreren Trägerelementen in jede Pore erreicht wird.
Gemäß dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung ist die Elektrodenkatalysatoreinrichtung in der Gasdiffusionsschicht dispergiert, wodurch eine Integration der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht nach dem Stand der Technik ermöglicht wird, um dadurch die Gasdurchlässigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Vor allem wird die Katalysatordispersion durch die Verteilung der Trägerelemente, auf denen der Katalysator in der Pore geträgert ist, erreicht, wodurch eine gleichförmige und leichte Verteilung des Katalysators ermöglicht wird.
Ein vierter Gesichtspunkt der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß dem dritten Gesichtspunkt bereitzustellen, wobei die Trägerelemente in der Form eines elektrisch leitfähigen Teilchen sind.
Gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung wird das Katalysatorträgerelement aus einer elektrisch leitfähigen Substanz gebildet, wodurch eine merkliche Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit sowie die von dem dritten Gesichtspunkt abgeleiteten Vorteile ermöglicht werden.
Ein fünfter Gesichtspunkt der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß dem vierten Gesichtspunkt bereitzustellen, wobei das elektrisch leitfähige Teilchen irgendein Kohlenstoffteilchen und/oder ein metallisches Teilchen ist.
Gemäß dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung können zusätzlich zu den Vorteilen des fünften Gesichtspunktes solche Vorteile durch Verwendung kommerziell erhältlicher Elemente erhalten werden.
Ein sechster Gesichtspunkt der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß dem fünften Gesichtspunkt bereitzustellen, wobei die Gasdiffusionsschicht aus einem Kohlenstofffasermaterial wie etwa einem Kohlepapier oder einem Kohlenstoffgewebe gebildet ist.
Gemäß dem sechsten Gesichtspunkt der Erfindung wird, da die Gasdiffusionsschicht aus dem Kohlenstofffasermaterial wie etwa dem Kohlepapier oder dem Kohlenstoffgewebe gebildet ist, die Bildung der Gasdiffusionsschicht leichter auf Grund der Tatsache, dass das Kohlepapier oder das Kohlenstoffgewebe sehr leicht erhalten werden können.
Ein siebenter Gesichtspunkt der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß dem fünften Gesichtspunkt bereitzustellen, wobei die Gasdiffusionsschicht aus irgendeinem aus einem Kohlenstoffteilchen gesinterten Element und/oder aus irgendeinem aus einem Metall hergestellten Element gebildet ist.
Gemäß dem siebenten Gesichtspunkt der Erfindung wird die Gasdiffusionsschicht aus irgendeinem Element von aus dem Kohlenstoffteilchen gesinterten Element und aus einem Metall hergestellten Element gebildet, wodurch eine Integration der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht nach dem Stand der Technik ermöglicht wird, um dadurch die Gasdurchlässigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung leichter verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gedeutet werden, welche einen Teil dieser ursprünglichen Offenbarungen bilden, und wobei:
Fig. 1 eine seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als einem Elektrolyten veranschaulicht;
Fig. 2 ein Vergleichsdiagramm veranschaulicht, in dem eine seitliche Schnittansicht der Struktur einer herkömmlichen Gasdiffusionsschicht und eine seitliche Schnittansicht einer Gasdiffusionsschicht, welche das Wesentliche der Erfindung ist, in vergleichender Weise dargestellt sind;
Fig. 3 in aufeinanderfolgender Weise veranschaulicht, wie eine Gasdiffusionsschicht der ersten Art hergestellt wird;
Fig. 4 in aufeinanderfolgender Weise veranschaulicht, wie eine Gasdiffusionsschicht der zweiten Art hergestellt wird;
Fig. 5 in aufeinanderfolgender Weise veranschaulicht, wie eine Gasdiffusionsschicht der dritten Art hergestellt wird;
Fig. 6 einen Zellpotential-versus-Stromdichteverhalten- Graphen veranschaulicht, wobei erfindungsgemäße Brennstoffzellen mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik verglichen werden;
Fig. 7 in aufeinanderfolgender Weise veranschaulicht, wie eine Gasdiffusionsschicht der vierten Art hergestellt wird; und
Fig. 8 eine seitliche Querschnittsansicht einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten oder einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik veranschaulicht.
Erste Ausführungsform
Als erstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Brennstoffzelle mit einem Polymerelektrolyten im festen Zustand veranschaulicht, welche eine Membran aus einem festen Polymerelektrolyten (SPE; solid polymer electrolyte) 100 einschließt, die zwischen den Gasdiffusionsschichten 110 und 120 in einer sandwichartigen Bauweise angeordnet ist. Zwischen der Gasdiffusionsschicht 110 und der Gasdiffusionsschicht 120 ist ein äußerer Stromkreis oder eine Last 130 geschaltet. Die Gasdiffusionsschichten 110 und 120 besitzen Gasdiffusionseigenschaften.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Gasdiffusionsschicht 110 und die Gasdiffusionsschicht 120 jeweils in der Form, dass die herkömmlichen Katalysatorschicht in die herkömmliche Gasdiffusionsschicht integriert ist. Im Detail schließt die poröse Elektrode zur Gasdiffusion 110 ein Kohlepapier 11 ein, dessen innere Struktur durch verstrickte Fasern 14 interstitiell ist. Das Kohlepapier baut nämlich eine zelluläre Dispersionsschicht 10 auf. In dem eine solche innere Struktur aufweisenden Kohlepapier 11 sind Kohlenstoffteilchen 21 vorhanden, von denen jedes eine Vielzahl pulverförmiger Katalysatoren 3 trägt. Als der Katalysator 3 wird Platin oder eine Platinlegierung verwendet. Das Kohlenstoffteilchen 21 bildet ein Katalysatorträgerelement 20.
In dem Kohlepapier 11 tritt eine Vielzahl von Poren oder porösen inneren Hohlräumen mit unterschiedlicher Gestalt auf und die Porengröße ist größer als irgendeines der Kohlenstoffteilchen 21, die den pulverförmigen Katalysator 3 tragen. Bevorzugt besitzen die Poren einen Durchmesser im Bereich des 10- bis 10 000-fachen des Durchmessers der Kohlenstoffteilchen 21. Natürlich kann der Porendurchmesser so eingestellt sein, dass er das 1- bis 10-fache oder mehr als das 10 000-fache des Durchmessers der Kohlenstoffteilchen 21 beträgt. Wenn der Porendurchmesser größer als das 10 000-fache des Durchmessers der Kohlenstoffteilchen 21 ist, kann die Katalysatorauslastung durch das Auffüllen von Teilchen mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit und mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser eines Kohlenstoffteilchen 21, vor dem Dispergieren der Kohlenstoffteilchen 21 in dem Kohlepapier 11 höher werden. Es ist anzumerken, dass die Teilchen mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit den Katalysator tragen können. In diesem Fall kann sich der Durchmesser und die Katalysatorträgermenge des Teilchens mit der guten elektrischen Leitfähigkeit von denen des Kohlenstoffteilchens 21 abweichen.
Der Hohlraumanteil oder die Porenrauheit und der Porendurchmesser werden durch die Dimensionen der Pore und des Kohlenstoffteilchen 21 eingestellt. Anstelle der Kohlenstoffteilchen 21 können irgendwelche elektrisch leitfähigen Metallteilchen verwendet werden.
Fig. 3 veranschaulicht, wie die Gasdiffusionsschicht 110 (120) gebildet oder hergestellt wird. In Schritt (A) wird das Kohlepapier 11 hergestellt. In dem Kohlepapier 11 sind die Kohlenstofffasern 111 verstrickt und werden in einer flachen Schicht gebildet. Im nächsten Schritt (B) wird eine wasserabweisende Behandlung auf dem gesamten Kohlepapier 11 durchgeführt. In Schritt (C) werden die Kohlenstoffteilchen 21, welche die Katalysatoren 3 tragen, in die Poren zwischen die Fasern 111 und 111 imprägniert, so dass sie entlang der drei Dimensionen dispergiert sind.
In der vorstehenden Struktur sind die den Katalysator 3 tragenden Kohlenstoffteilchen 21 in der Gasdiffusionsschicht 110 (120) dispergiert, wodurch eine Integration oder eine Koexistenz der Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 und der Gasdiffusionsschicht 110 (120) ermöglicht wird, wobei sich die Vorteile oder Wirkungen ergeben, dass die elektrische Leitfähigkeit und die Gasdurchlässigkeit verbessert sind.
In der vorstehenden Struktur sind die Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 in den Poren des Kohlepapierblattes 11, welche jeweils größer als irgendein Kohlenstoffteilchen 21 sind, dispergiert, mit dem Ergebnis, dass die Dispersion der Katalysatoren 3 in ebener oder gleichförmiger Weise durchgeführt werden kann, wenn die vorangehende Integration der Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 und der Gasdiffusionsschicht 110 (120) geschaffen ist.
In der vorstehenden Struktur sind die Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 in dem Kohlepapier 11, welches eine der aus Kohlenstofffasern hergestellten Substanzen ist, dispergiert, wobei die Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 zwischen den Zwischenräumen oder Poren, die zwischen den Fasern bestimmt sind, dispergiert sein können.
Zusätzlich ermöglicht die vorstehende Integration der Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 und der Gasdiffusionsschicht 110 (120), dass die Gasdiffusionselektrode dünner gemacht werden kann, um dadurch eine kompakte Brennstoffzellenbaugruppe bereitzustellen.
Da die Katalysatoren 3 in der Gasdiffusionsschicht 110 (120) dispergiert sind, sind in der voranstehenden Struktur die elektrische Leitfähigkeit, die Gasdurchlässigkeit und die Katalysatorauslastung verbessert, wodurch die Herstellung einer Brennstoffzelle mit einem Polymerelektrolyten im festen Zustand ermöglicht wird, und welche eine ausgezeichnete Zellleistungscharakteristik aufweist.
Weiterhin sind in der vorstehenden Struktur die Katalysatoren 3 in der Gasdiffusionsschicht 3 dispergiert, wodurch eine geringe Überlappung der Katalysatoren gewährleistet wird, mit dem Ergebnis, dass die Katalysatorauslastung größer wird, um dadurch die erforderliche Menge an Platin als ein Rohmaterial des Katalysators 3 zu reduzieren, verglichen mit den herkömmlichen Strukturen zur Erlangung der gleichen Leistung.
Zweite Ausführungsform
In Fig. 4 ist eine Gasdiffusionsschicht 210 (220) veranschaulicht, welche eine Alternative zu der Gasdiffusionsschicht 110 (120) ist.
Kurz gesagt ist die Gasdiffusionsschicht 210 (220) aus einem metallischen, porösen Element 12 an Stelle des Kohlepapiers 11 der ersten Ausführungsform gebildet.
Im Detail schließt die poröse Elektrode zur Gasdiffusion 210 das metallische poröse Element 12 ein, dessen innere Struktur auf Grund der innen verteilten metallischen Teilchen 121 interstitiell ist. In dem eine solche innere Struktur aufweisenden metallischen porösen Element 12 sind die jeweils eine Vielzahl von pulverförmigen Katalysatoren 3 tragenden Kohlenstoffteilchen 21 vorhanden. Als der Katalysator 3 wird Platin oder eine Platinlegierung verwendet.
In dem metallischen porösen Element 12 sind eine Vielzahl von Poren oder porösen inneren Hohlräumen mit unterschiedlicher Gestalt gebildet und die Porengröße ist größer als irgendein Kohlenstoffteilchen 21, die auf den pulverförmigen Katalysatoren 3 geträgert sind.
Fig. 4 veranschaulicht auch, wie die Gasdiffusionsschicht 210 gebildet oder hergestellt wird. Im Schritt (A) wird das die vorstehende innere Struktur aufweisende metallische poröse Element 12 hergestellt. Im nächsten Schritt (B) wird eine Wasserabweisungsbehandlung auf der gesamten Gasdiffusionsschicht 210 durchgeführt. Im Schritt (C) werden die Kohlenstoffteilchen 21, welche die Katalysatoren 3 tragen, in die Poren zwischen den metallischen Teilchen 121 und 121 imprägniert, so dass sie entlang der drei Dimensionen dispergiert oder verteilt sind.
In der voranstehenden Struktur sind die den Katalysator 3 tragenden Kohlenstoffteilchen 21 in der Gasdiffusionsschicht 210 (220) dispergiert, wodurch eine Integration oder Koexistenz der Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 und der Gasdiffusionsschicht 210 (220) ermöglicht wird, wobei sich Vorteile oder Wirkungen darin ergeben, dass die elektrische Leitfähigkeit, die Gasdurchlässigkeit, die Katalysatorauslastung und die Zellcharakteristik verbessert werden.
In der voranstehenden Struktur sind die Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 in den Poren des metallischen porösen Elements 21 dispergiert, dessen Größe jeweils größer als die der Kohlenstoffteilchen 21 ist, mit dem Ergebnis, dass die Dispersion der Katalysatoren in ebener oder einheitlicher Weise durchgeführt werden kann, wenn die vorangehende Integration der Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 und der Gasdiffusionsschicht 210 (220) geschaffen ist.
In der vorstehenden Struktur sind die Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 in dem metallischen porösen Element 12 dispergiert, in dem zahlreiche Poren durch metallische Teilchen 121 bestimmt sind, wobei die Gasdurchlässigkeit und die elektrische Leitfähigkeit verbessert sind.
Zusätzlich ermöglicht die vorstehende Integration der Katalysator tragenden Kohlenstoffteilchen 21 und der Gasdiffusionsschicht 210 (220), dass die Gasdiffusionselektrode dünner gemacht werden kann, um dadurch eine kompakte Brennstoffzellenbaugruppe bereitzustellen.
Weiterhin sind in der vorstehenden Struktur die Katalysatoren 3 in der Gasdiffusionsschicht 210 (220) dispergiert, wodurch eine geringe Überlappung der Katalysatoren 3 ermöglicht wird, mit dem Ergebnis, dass die Katalysatorauslastung größer wird, um dadurch die erforderliche Menge an Platin als ein Ausgangsmaterial für den Katalysator 3 zu reduzieren, verglichen mit der herkömmlichen Struktur zur Erhaltung der gleichen Leistung.
Dritte Ausführungsform
In Fig. 5 ist eine Gasdiffusionsschicht 310 (320) veranschaulicht, welche eine Alternative zu der Gasdiffusionsschicht 110 (120) ist.
Kurz gesagt ist die Gasdiffusionsschicht 310 (320) aus einem Kohlenstoffgewebe 13 an Stelle des Kohlepapiers 11 der ersten Ausführungsform gebildet.
Im Detail schließt die poröse Elektrode zur Gasdiffusion 310 das Kohlenstoffgewebe 13 ein, dessen innere Struktur interstitiell ist und in der zahlreiche Poren gebildet sind. In dem eine solche innere Struktur aufweisenden Kohlenstoffgewebe 13 sind Kohlenstoffteilchen 21, welche jeweils eine Vielzahl von pulverigen Katalysatoren 3 tragen, dispergiert oder verteilt. Als der Katalysator 3 wird Platin oder eine Platinlegierung verwendet.
Fig. 5 veranschaulicht auch, wie die Gasdiffusionsschicht 310 (320) gebildet oder hergestellt wird. Im Schritt (A) wird das die vorstehende innere Struktur aufweisende Kohlenstoffgewebe 13 hergestellt. Im nächsten Schritt (B) wird eine Wasserabweisungsbehandlung auf dem gesamten Kohlenstoffgewebe 13 durchgeführt. Im Schritt (C) wird eine Katalysatorpaste in das resultierende Kohlenstoffgewebe 13 mittels eines Rakelstreichverfahrens infiltriert, um die Katalysatorpaste überall in dem Kohlenstoffgewebe 13 zu dispergieren. Letztendlich bildet die Gasdiffusionsschicht 310, die das resultierende Kohlenstoffgewebe 13 einschließt, eine Oxidationselektrode.
Die voranstehende Wasserabweisungsbehandlung wird folgendermaßen durchgeführt: Eine unverdünnte Dispersionslösung mit einem Konzentrationsgehalt von 60%, die von DAIKIN KOGYO unter der Marke "POLYFLOND1 grade" bereitgestellt wird, wird mit Wasser so verdünnt, dass der Konzentrationsgehalt von Tetrafluorethylen (PTFE) 15 Gew.-% erreicht. Das Kohlenstoffgewebe 13 im Schritt (A) wird in die resultierende verdünnte Lösung für deren Imprägnierung eingetaucht. Als nächstes wird das . resultierende Gewebe 13 in ein Trocknungsgerät hineingelegt, dessen Innenraum auf einer Temperatur von 80°C gehalten wird, um das Wasser in dem hineingelegten Kohlenstoffgewebe 13 vollständig zu verdampfen. Danach wird das vom Wasser befreite Kohlenstoffgewebe 13 zur Sinterung bei einer Temperatur von 390°C für eine Zeitdauer von 60 Minuten gehalten. Das in Schritt (B) PTFE-gesinterte Kohlenstoffgewebe 13 oder das wasserabweisende Kohlenstoffgewebe 13 wird erhalten.
Die voranstehende Katalysatorpaste wird durch gründliches Vermischen eines Kohlenstoffs, der Platin mit einem Konzentrationsgehalt von 40 Gew.-% als einen Katalysator trägt, mit einem Ionenaustauschharz, Wasser und Isopropylalkohol hergestellt.
Auf ähnliche Weise wird eine Brennstoffelektrode aus der Gasdiffusionsschicht 320, die das Kohlepapier 13 einschließt, hergestellt, außer dass an Stelle des Platin tragenden Kohlenstoffs ein Kohlenstoff verwendet wird, der eine Legierung aus Platin und Ruthenium trägt, dessen Konzentrationsgehalte 30 Gew.-% beziehungsweise 15 Gew.-% betragen.
Eine Ionenaustauschmembran als die Elektrolytmembran wird in einer sandwichartigen Bauweise mit den so aufgebauten Elektroden durch Heißpressen in Verbindung gebracht.
Eine Brennstoffzelle vom Einzellentyp wird durch Verwendung der resultierenden Baugruppe aufgebaut. Ein Experiment zur Elektrizitätserzeugung unter Verwendung dieser Brennstoffzelle wird als ein erstes Beispiel in einer solchen Weise durchgeführt, dass die Zelltemperatur auf 80°C gesetzt wird, Luft mit einer Verwertbarkeit von 40% zu der Oxidationselektrode bei 2,5-fachem atmosphärischen Druck zugeführt wird und Wasserstoff mit einer Verwertbarkeit von 80% zu der Brennstoffelektrode bei 2,5-fachem atmosphärischen Druck zugeführt wird. Als Ergebnis wird ein Zellpotential erhalten, welches durch einen Graphen mit gepunkteter Linie in Fig. 6 beschrieben wird.
Vierte Ausführungsform
In Fig. 7 ist eine Gasdiffusionsschicht 410 (420) veranschaulicht, welche ähnlich zu der in Fig. 5 gezeigten Gasdiffusionsschicht 310 (320) ist, außer dass die erstere gröber in der Maschenweite des Kohlenstoffgewebes als die letztere ist.
Die Gasdiffusionsschicht 410 (420) wird folgendermaßen hergestellt: Als erstes wird in Schritt (A) das Kohlenstoffgewebe 13, dessen Maschenweite gröber als die in Fig. 6 gezeigte ist, hergestellt. In Schritt (B) wird eine Rußpaste in das Kohlenstoffgewebe 13 mittels Siebdruck infiltriert. Die Rußpaste wird durch Rühren einer Mischung aus Ruß und eines Formbildungshilfsmittels wie etwa Ethylenglykol erhalten. Das mit der Rußpaste infiltrierte Kohlenstoffgewebe 13 wird getrocknet. Danach wird in Schritt (C) eine Wasserabweisungsbehandlung durchgeführt. Im Detail wird, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform, das mit der Rußpaste infiltrierte Kohlenstoffgewebe 13 in eine Dispersionslösung eingetaucht. Das Kohlenstoffgewebe 13, das aus der Dispersionslösung herausgenommen worden ist, wird dann in ein Vakuumtrocknungsgerät hineingegeben oder so eingebaut, dass es für eine Zeitspanne von zwei Stunden getrocknet wird, wobei der Innenraum auf einer Temperatur von 80°C gehalten wird. Nach dem Verdampfen der Lösung wird das Kohlenstoffgewebe 13 zur Sinterung bei einer Temperatur von 390°C gehalten. So wird im Schritt (C) das PTFE-gesinterte oder wasserabweisende Kohlenstoffgewebe 13 erhalten.
Eine Katalysatorpaste, die ähnlich der in der dritten Ausführungsform verwendeten ist, wird hergestellt. Eine solche Katalysatorpaste wird in Schritt (D) in das PTFE­ gesinterte oder wasserabweisende Kohlenstoffgewebe 13 infiltriert. Das sich ergebende Kohlenstoffgewebe 13 bildet die Gasdiffusionsschicht 410, die als eine Oxidanselektrode verwendet wird.
Auf ähnliche Weise wird eine Brennstoffelektrode aus der Gasdiffusionsschicht 420 hergestellt, welche das gleiche Kohlenstoffgewebe 13 einschließt.
Eine Ionenaustauschmembran als die Elektrolytmembran wird in einer sandwichartigen Bauweise mit den so aufgebauten Elektroden mittels Heißpressen in Verbindung gebracht.
Eine Brennstoffzelle vom Einzellentyp ist durch Verwendung der sich ergebenden Baugruppe aufgebaut. Ein Experiment zur Elektrizitätserzeugung unter Verwendung dieser Brennstoffzelle wird als ein zweites Beispiel in einer solchen Weise durchgeführt, dass die Zellentemperatur auf 80°C gesetzt wird, Luft mit einer Verwertbarkeit von 40% zu der oxidierenden Elektrode bei 2,5-fachem atmosphärischen Druck zugeführt wird und Wasserstoff mit einer Verwertbarkeit von 80% zu der Brennstoffelektrode bei 2,5-fachem atmosphärischen Druck zugeführt wird. Als Ergebnis wird ein Zellpotential erhalten, welches in Fig. 6 durch einen Graphen mit Punkt-Strich-Linie beschrieben wird.
Vergleichsbeispiel
Ein Kohlepapier, das von Toray Corporation (Marke: Torayca TGP-060 180 µm) bereitgestellt wird, wird in eine zu der in der ersten Ausführungsform ähnlichen Dispersionslösung eingetaucht. Das herausgenommene Kohlepapier wird zur Verdampfung des darin überschüssigen Wassers durch das Hineinlegen in ein Trocknungsgerät getrocknet, dessen Innenraum auf einer Temperatur von 80°C (PTFE-Sintern) gehalten wird. Danach wird das sich ergebende Kohlepapier für eine Zeitspanne von 60 Minuten bei einer Temperatur von 80°C gesintert.
Als nächstes wird eine Katalysatorpaste durch Vermischen einer Ionenaustauschharzlösung, von Wasser, einem organischen Lösungsmittel wie etwa Isopropylalkohol als ein Formbildungshilfsmittel und von Kohlenstoff, der Platin mit einer Trägerungskonzentration von 40 Gew.-% trägt, hergestellt. Eine dünne Katalysatorfilmschicht mit einer Dicke von 300 µm wird auf dem PTFE-gesinterten oder wasserabweisenden Kohlepapier hergestellt. Das sich ergebende Kohlepapier wird als eine Oxidanselektrode verwendet. Auf ähnliche Weise wird eine Brennstoffelektrode hergestellt.
Eine Ionenaustauschmembran wird als die Elektrolytmembran in einer sandwichartigen Bauweise mit den so aufgebauten Elektroden mittels Heißpressen in Verbindung gebracht.
Eine Brennstoffzelle vom Einzellentyp ist durch Verwendung der resultierenden Baugruppe aufgebaut. Ein Experiment zur Elektrizitätserzeugung unter Verwendung dieser Brennstoffzelle wird in einer solchen Weise durchgeführt, dass die Zelltemperatur auf 80°C gesetzt wird, Luft mit einer Verwertbarkeit von 40% zu der Oxidationselektrode bei 2,5-fachem atmosphärischen Druck zugeführt wird und Wasserstoff mit einer Verwertbarkeit von 80% zu der Brennstoffelektrode bei 2,5-fachem atmosphärischen Druck zugeführt wird. Als Ergebnis erhält man ein Zellpotential, welches in Fig. 6 durch einen Graphen mit ununterbrochener Linie beschrieben wird.
Wie aus den Ergebnissen des ersten Beispiels, des zweiten Beispiels und des Vergleichsbeispiels, die graphisch in Fig. 6 dargestellt sind, ersichtlich ist, sind das erste Beispiel und das zweite Beispiel gegenüber dem Vergleichsbeispiel in der Zellleistungscharakteristik überlegen.
Die Erfindung wurde somit dargestellt und unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben, es soll jedoch verstanden werden, dass die Erfindung in keiner Weise auf die Details der veranschaulichten Strukturen beschränkt ist, sondern Änderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
Um die Gasdurchlässigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, wird eine Brennstoffzelle mit festen Polymer als Elektrolyten so gestaltet, dass sie einen Elektrolyten 100 in der Form einer Ionenaustauschmembran, eine Gasdiffusionsschicht 110/120, die auf jeder Seite des Elektrolyten 100 angeordnet sind, und eine Elektrodenkatalysatorsubstanz 3, die in der Gasdiffusionsschicht 110/120 dispergiert ist, einschließt.

Claims (25)

1. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten, die eine Gasdiffusionsschicht, eine Gasdiffusionsschicht und eine Katalysatorschicht umfasst, welche auf jeder Seite eines Elektrolyten in der Form einer Ionenaustauschmembran so angeordnet sind, dass der Elektrolyt in einem sandwichartigen Zustand ist, wobei die Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Elektrodenkatalysator in einer zellulären Dispersionsschicht dispergiert ist, welche die Gasdiffusionsschicht aufbaut.
2. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 1, wobei der Elektrodenkatalysator auf einem Trägerelement geträgert ist.
3. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 2, wobei die Gasdiffusionsschicht darin mit einer Vielzahl von Poren gebildet ist, welche jeweils größer als das Elektrodenkatalysator tragende Element ist, wobei die Gasdiffusionsschicht durch die zelluläre Dispersionsschicht aufgebaut ist, in der das Elektrodenkatalysator tragende Element in einer Dispersionsform gefüllt worden ist.
4. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 3, wobei das Elektrodenkatalysator tragende Element in der Form eines elektrisch leitfähigen Teilchens ist.
5. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 4, wobei das elektrisch leitfähige Teilchen ein Kohlenstoffteilchen und/oder ein metallisches Teilchen ist.
6. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 5, wobei die zelluläre Dispersionsschicht aus einem Kohlenstofffasermaterial wie etwa einem Kohlepapier oder einem Kohlenstoffgewebe gebildet ist.
7. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 5, wobei die zelluläre Dispersionsschicht aus einem aus Kohlenstoffteilchen gesinterten Element und/oder aus einem aus einem Metall hergestellten Element gebildet ist.
8. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten, die folgendes umfasst:
einen Elektrolyten in der Form einer Ionenaustauschmembran;
eine Gasdiffusionsschicht, die auf jeder Seite des Elektrolyten angeordnet ist; und
Elektrodenkatalysatoreinrichtungen, die in der Gasdiffusionsschicht dispergiert sind.
9. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 8, wobei die Elektrodenkatalysatoreinrichtung in pulveriger Form ist, das aus einer Vielzahl von Teilchen besteht, wobei ein oder mehrere Elektrodenkatalysatorteilchen jeweils auf einer Vielzahl von Trägerelementen, die über die Gasdiffusionsschicht verteilt sind, geträgert sind.
10. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 9, wobei die Gasdiffusionsschicht darin zahlreiche Poren einschließt, wobei jede der Poren größer als die Größe des Trägerelements ist und wobei die Dispersion des Elektrodenkatalysators durch Füllen von einem oder mehreren Trägerelementen in jede der Poren bewirkt wird.
11. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 10, wobei die Trägerelemente in der Form eines elektrisch leitfähigen Teilchens sind.
12. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 11, wobei das elektrisch leitfähige Teilchen ein Kohlenstoffteilchen und/oder ein metallisches Teilchen ist.
13. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 12, wobei die Gasdiffusionsschicht aus einem Kohlenstofffasermaterial wie etwa einem Kohlepapier oder einem Kohlenstoffgewebe gebildet ist.
14. Brennstoffzelle mit einem festen Polymer als Elektrolyten gemäß Anspruch 12, wobei die Gasdiffusionsschicht aus einem aus Kohlenstoffteilchen gesinterten Element und/oder einem aus einem Metall hergestellten Element gebildet ist.
15. Gasdiffusionsschicht, die folgendes umfasst:
ein flaches Ausgangselement, in dem eine Vielzahl von Poren gebildet sind; und
eine Vielzahl von Katalysator tragenden Teilchen, wobei ein oder mehrere Katalysator tragende Teilchen in jeder der Poren des flachen Grundelements dispergiert sind.
16. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 15, wobei das flache Grundelement aus einem Kohlenstofffasermaterial gebildet ist.
17. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 16, wobei das Kohlenstofffasermaterial ein Kohlepapier und/oder ein Kohlepapier ist.
18. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 16, wobei das flache Grundelement aus einem Metall gebildet ist.
19. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 15, wobei der Katalysator Platin ist.
20. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 15, wobei der Katalysator eine Platinlegierung ist.
21. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 15, wobei das Teilchen aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist.
22. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 21, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Kohlenstoff ist.
23. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 15, wobei die Poren jeweils größer als die Größe eines jeden Teilchens sind.
24. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 15, wobei der Katalysator in einer Zufallsverteilung auf dem entsprechenden Teilchen vorliegt.
25. Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 15, wobei das flache Grundelement in der Form eines aus Kohlenstoff gesinterten Elements ist.
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