DE10146506B4

DE10146506B4 - Festpolymerbrennstoffzelle

Info

Publication number: DE10146506B4
Application number: DE10146506A
Authority: DE
Inventors: Kaoru Wako Fukuda; Keisuke Wako Andou; Nobuhiro Wako Saito; Masaaki Wako Nanaumi; Junji Wako Matsuo
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2021-09-22
Also published as: CA2357590C; US7022426B2; US20020064699A1; CA2357590A1; DE10146506A1

Abstract

Festpolymerbrennstoffzelle, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle sowohl von der Seite der Luftelektrode als auch von der Seite der Brennstoffelektrode befeuchtet wird, wobei die Russpartikel ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der inkorporierten Russpartikel steht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festpolymerbrennstoffzelle und insbesondere eine Festpolymerbrennstoffzelle, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist.

In DE 197 37 390 A1 wird eine elektrokatalytische Gasdiffusionselektrode auf Basis von Poly(vinylidenfluorid)-Kohlenstoff-Gemischen für Festpolymerbrennstoffzellen beschrieben. Die Elektrode umfasst eine aniostrope Gasdiffusionsschicht und eine katalytische Schicht, wobei die Gasdiffusionsschicht aus einer porösen Kohlenstoffmatrix besteht, durch welche die Kohlenstoffteilchen und Poly(vinylidenfluorid) so verteilt werden, dass die Matrix in seitlicher Richtung zum Gasstrom homogen porös und in Richtung zum Gasstrom für Gase asymmetrisch porös ist.

Es gibt herkömmlich bekannte Luft- und Brennstoffelektroden, wobei jede aus einer Polymerionenaustauschkomponente, die derart beschaffen ist, dass die Luft- und Brennstoffelektroden mit einer Protonenleitfähigkeit versehen werden und die als Bindemittel fungiert, aus Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und aus Polytetrafluorethylen (PTFE)-Partikeln gebildet ist. Die PTFE-Partikel weisen ein Wasserabweisungsvermögen auf und dienen zum Einstellen der Wasserretention von jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode.

Die Verwendung von PTFE-Partikeln als Komponente für die Bildung jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode macht es jedoch schwierig, der Anforderung zu entsprechen, die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode zu verringern, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und die Widerstandsüberspannung auf ein geringes Mass abzusenken, um eine weitere Steigerung der energieerzeugenden Leistung bereitzustellen.

Eine solche Brennstoffzelle verwendet ein Mittel, um Luft und Wasserstoff an der Luftelektrode beziehungsweise der Brennstoffelektrode nach einer Befeuchtungsbehandlung bereitzustellen, um den Nasszustand der Elektrolytmembran aufrechtzuerhalten und um die Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembran sicherzustellen. Aus diesem Grund wird das Montieren eines Befeuchters in eine Luftzufuhrleitung und eine Wasserstoffzufuhrleitung, ein luftdichter und wasserdichter Abdichtvorgang bei dem Montieren des Befeuchters und dergleichen benötigt. Wenn man auf einen Teil oder alle der oben beschriebenen Mittel verzichten könnte, würde dies die Kosten der Apparatur wirksam verringern und die Bauweise vereinfachen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge stellt ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Festpolymerbrennstoffzelle des oben beschriebenen Typs dar, wobei die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode verringert werden kann, um eine weitere Steigerung der energieerzeugenden Leistung bereitzustellen.

Um den obigen Gegenstand gemäss der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird eine Festpolymerbrennstoffzelle bereitgestellt, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird. Die Brennstoffzelle kann von sowohl von der Seite der Luftelektrode als auch von der Seite der Brennstoffelektrode befeuchtet werden und die Russpartikel können ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der inkorporierten Russpartikel steht.

Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, die wasserabweisenden Russpartikel mit der Fähigkeit zur Regulation der Wasserretention von jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode zu versehen, wodurch die Notwendigkeit für Polytetrafluorethylen (PTFE)-partikel entfällt. Dies ist für die Verringerung der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode von Bedeutung.

Zusätzlich erfolgt das Hineinfliessen von Befeuchtungswasser in die Elektrolytmembran und das Herausfliessen einer überschüssigen Wassermenge aus jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode gleichmässig in der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode, wenn die Russpartikel das oben beschriebene Wasserabweisungsvermögen aufweisen. Ein solcher Effekt wird nicht erhalten, wenn die Menge A von adsorbiertem Wasser grösser als 80 cm³/g ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Wasserabweisungsvermögen der Russpartikel vermindert ist.

Desweiteren kann die Abnahme der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode aufgrund der Abwesenheit von PTFE-Partikeln gefördert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und kann der Anstieg der Widerstandsüberspannung verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu erhöhen, wenn das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte in dem oben beschriebenen Bereich liegt. Wenn das Verhältnis W_p/W_c jedoch kleiner als 0,4 ist, nimmt die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode weiter ab, jedoch wird die Beschichtungsrate der Katalysatorpartikel verringert, was zu einer verschlechterten energieerzeugenden Leistung führt. Andererseits ist der Dispersionsgrad D der Polymerionenaustauschkomponente vermindert und die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode ist erhöht, wenn W_p/W_c > 1,25 ist.

Es stellt einen anderen Gegenstand der vorliegenden Erfindung dar, eine Festpolymerbrennstoffzelle des oben beschriebenen Typs bereitzustellen, bei der die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode verringert werden kann, um eine weitere Steigerung der energieerzeugenden Leistung bereitzustellen und welche durch das Bereitstellen der besonderen Luft- und Brennstoffelektroden betrieben werden kann, wobei das Befeuchten von nur einer Seite der Luftelektrode erfolgt.

Um den obigen Gegenstand gemäss der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird eine Festpolymerbrennstoffzelle bereitgestellt, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle nur von der Seite der Luftelektrode befeuchtet wird, wobei die Russpartikel in der Luftelektrode ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c in einem Bereich von 0,2 ≤ W_p/W_c ≤ 0,8 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Russpartikel steht und wobei die Russpartikel in der Brennstoffelektrode ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,6 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Russpartikel steht.

Mit der obigen Anordnung kann jedes wasserabweisende Russpartikel und jedes hydrophile Russpartikel die Fähigkeit besitzen, die Wasserretention von jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode einzustellen, wodurch die Notwendigkeit für PTFE-Partikel entfällt. Dies ist bei der Verringerung der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode von Bedeutung.

Zusätzlich kann die Abnahme der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode aufgrund der Abwesenheit von darin enthaltenen PTFE-Partikeln gefördert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und kann ein Anstieg der Widerstandsüberspannung verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu erhöhen, wenn das Verhältnis W_p/W_c der in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode inkorporierten Gewichte W_p und W_c in dem oben beschriebenen Bereich liegt.

Wenn das Verhältnis W_p/W_c in der Luftelektrode jedoch kleiner als 0,2 ist, nimmt die Dicke der Luftelektrode weiter ab, jedoch vermindert sich die Beschichtungsrate der Katalysatorpartikel, was zu einer verschlechterten energieerzeugenden Leistung führt. Andererseits erhöht sich die Dicke der Luftelektrode, wenn W_p/W_c > 0,8 ist und der Fluss von Befeuchtungswasser verringert sich. Wenn das Verhältnis W_p/W_c in der Brennstoffelektrode kleiner als 0,6 ist, verringert sich die Wasserretention. Andererseits ist der Dispersionsgrad D der Polymerionenaustauschkomponente vermindert, wenn W_p/W_c > 1,25 in der Brennstoffzelle ist, was zu einer erhöhten Dicke der Brennstoffelektrode führt.

Wenn ein Befeuchter nur an einer Seite einer Luftzufuhrleitung angebracht ist, ist es desweiteren möglich, die Kosten der Apparatur zu verringern und die Bauweise zu vereinfachen.

Im Fall, dass die Befeuchtung von einer Seite der Luftelektrode erfolgt, fliesst das Befeuchtungswasser gleichmässig in die Elektrolytmembran, weil die Russpartikel in der Luftelektrode wasserabweisend sind. Zusätzlich findet auch eine Diffusion eines Teiles des in der Luftelektrode erzeugten Wassers zurück zu der Elektrolytmembran statt und somit wird die Elektrolytmembran in einen Nasszustand versetzt. Andererseits fliesst ein Teil des Wassers in der Elektrolytmembran in die Brennstoffelektrode und wird in der Brennstoffelektrode zurückbehalten, weil die Russpartikel in der Brennstoffelektrode hydrophil sind. Der Nasszustand der Elektrolytmembran wird durch das Zurückbehalten des Wassers in der Brennstoffelektrode und durch das Befeuchten der Luftelektrode aufrechterhalten. Eine überschüssige Wassermenge in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode wird nach aussen abgeführt.

Wenn die durch die Russpartikel in der Luftelektrode adsorbierte Wassermenge A jedoch grösser als 80 cm³/g ist, ist das Wasserabweisungsvermögen der Russpartikel vermindert, was zu einer Verschlechterung des Flusses des Befeuchtungswassers führt. Andererseits ist das Wasserbindungsvermögen der Russpartikel vermindert, wenn die durch die Russpartikel in der Brennstoffelektrode adsorbierte Wassermenge A kleiner als 150 cm³/g ist, was zu einer unzureichenden Wasserretention führt.

Es stellt einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung dar, eine Festpolymerbrennstoffzelle des oben beschriebenen Typs bereitzustellen, bei der die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode verringert werden kann, um eine weitere Steigerung der energieerzeugenden Leistung bereitzustellen und welche durch das Bereitstellen der besonderen Luft- und Brennstoffelektrode betrieben werden kann, wobei das Befeuchten von nur einer Seite der Brennstoffelektrode erfolgt.

Um den obigen Gegenstand gemäss der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird eine Festpolymerbrennstoffzelle bereitgestellt, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle nur von der Seite der Brennstoffelektrode befeuchtet wird, wobei die Russpartikel in der Brennstoffelektrode ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,2 ≤ W_p/W_c ≤ 0,8 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Polymerionenaustausch-komponente steht und W_c für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Russpartikel steht und wobei die Russpartikel in der Luftelektrode ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,6 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Russpartikel steht.

Mit der obigen Anordnung kann jedes wasserabweisende Russpartikel und jedes hydrophile Russpartikel die Fähigkeit aufweisen, die Wasserretention von jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode, ohne die Einbeziehung der PTFE-Partikel, einzustellen. Dies ist bei der Verringerung der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode von Bedeutung.

Zusätzlich kann die Abnahme der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode aufgrund der nicht vorhandenen PTFE-Partikel gefördert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und kann ein Anstieg der Widerstandsüberspannung verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu erhöhen, wenn das Verhältnis W_p/W_c der in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode inkorporierten Gewichte W_p und W_c in dem oben beschriebenen Bereich liegt.

Wenn das Verhältnis W_p/W_c in der Brennstoffelektrode jedoch kleiner als 0,2 ist, ist die Dicke der Brennstoffelektrode weiter verringert, die Beschichtungsrate der Katalysatorpartikel ist jedoch verringert, was in einer verschlechterten energieerzeugenden Leistung resultiert. Andererseits erhöht sich die Dicke der Brennstoffelektrode, wenn W_p/W_c > 0,8 ist und der Fluss des Befeuchtungswasser ist verringert. Wenn das Verhältnis W_p/W_c in der Luftelektrode kleiner als 0,6 ist, verschlechtert sich die Wasserretention: Andererseits wird der Dispersionsgrad der Polymerionenaustauschkomponente herabgesetzt, wenn W_p/W_c > 1,25 in der Luftelektrode ist, was zu einer erhöhten Dicke der Luftelektrode führt.

Es ist desweiteren möglich, die Kosten der Apparatur zu senken und die Bauweise zu vereinfachen, wenn ein Befeuchter nur an der Seite einer Wasserstoffzufuhrleitung angebracht wird.

Falls die Befeuchtung von der Seite der Brennstoffelektrode durchgeführt wird, fliesst das Befeuchtungswasser gleichmässig in die Elektrolytmembran, weil die Russpartikel in der Brennstoffelektrode wasserabweisend sind. Zusätzlich findet auch eine Diffusion eines Teiles des in der Luftelektrode erzeugten Wassers zurück zu der Elektrolytmembran statt und somit wird die Elektrolytmembran in einen Nasszustand versetzt. Andererseits werden ein Teil des erzeugten Wassers und das Wasser, das von der Elektrolytmembran in die Brennstoffelektrode fliesst, in der Luftelektrode zurückbehalten, weil die Russpartikel in der Luftelektrode hydrophil sind. Der Nasszustand der Elektrolytmembran wird durch das Zurückbehalten des Wassers in der Luftelektrode und durch das Befeuchten der Brennstoffelektrode aufrechterhalten. Eine überschüssige Wassermenge in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode wird nach aussen abgeführt.

Wenn die in den Russpartikeln in der Brennstoffelektrode adsorbierte Wassermenge A grösser als 80 cm³/g ist, ist das Wasserabweisungsvermögen der Russpartikel vermindert, was zu einer Verschlechterung im Fluss des Befeuchtungswassers führt. Andererseits ist das Wasserbindungsvermögen der Russpartikel vermindert, wenn die durch die Russpartikel in der Luftelektrode adsorbierte Wassermenge A kleiner als 150 cm³/g ist, was zu einer unzureichenden Wasserretention führt.

Es stellt noch einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung dar, eine Festpolymerbrennstoffzelle des oben beschriebenen Typs bereitzustellen, die durch das Bereitstellen von besonderen Luft- und Brennstoffelektroden in einem nicht-befeuchteten Zustand betrieben werden kann.

Um den obigen Gegenstand gemäss den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird eine Festpolymerbrennstoffzelle bereitgestellt, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente, eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle in einem nicht-befeuchteten Zustand (ohne einen Befeuchter) betrieben werden kann, wobei die Russpartikel vorzugsweise ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c vorzugsweise im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der inkorporierten Russpartikel steht.

Wenn die Russpartikel ein wie oben beschriebenes Wasserbindungsvermögen aufweisen, erfolgt die Erzeugung und das Zurückbehalten des Wassers in der Luftelektrode und die Diffusion des erzeugten Wassers zurück zu der Elektrolytmembran. Das zurückdiffundierte Wasser wird als Wasser verwendet, das die Protonenbewegung innerhalb der Elektrolytmembran mitreisst und fliesst zusätzlich in die Brennstoffelektrode und wird dort zurückbehalten. Auf diese Art und Weise behalten beide Elektroden immer Wasser zurück und dadurch wird der Nasszustand der Elektrolytmembran sichergestellt und die Zurückdiffusion des erzeugten Wassers und der mitgeführten Protonen wird innerhalb der Membran wiederholt durchgeführt. Folglich ist die Protonenleitung im nicht-befeuchteten Zustand sichergestellt. Eine überschüssige Menge an Wasser in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode wird nach aussen abgeführt. Wenn die durch die Russpartikel adsorbierte Wassermenge A jedoch kleiner als 150 cm³/g ist, ist es schwierig die Rückdiffusion zu erzeugen.

Die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode kann verringert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und die Zunahme der Widerstandsüberspannung kann verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu erhöhen, wenn das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c in dem oben beschriebenen Bereich liegt. Zusätzlich ist es nicht erforderlich, dass PTFE-Partikel in jeder Elektrode enthalten sind. Dies stellt ebenfalls eine Abnahme der Dicke von jeder Elektrode bereit. Wenn das Verhältnis W_p/W_c jedoch kleiner als 0,4 ist, nimmt die Dicke der Elektrode ab, jedoch nimmt die Beschichtungsrate der Katalysatorpartikel ab, was zu einer Verschlechterung der energieerzeugenden Leistung führt. Andererseits ist der Dispersionsgrad der Polymerionenaustauschkomponente vermindert, wenn W_p/W_c grösser als 1,25 ist und folglich nimmt die Dicke der Elektrode zu.

Desweiteren wird kein Befeuchter benötigt und somit ist es möglich, eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, die günstig ist und von einer einfacheren Bauweise ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen klar werden, in denen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Festpolymerbrennstoffzelle in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen dieser Erfindung ist;

2 ein Diagramm ist, das ein erstes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Wasserretention jeder Elektrode zeigt;

3 ein Diagramm ist, das ein erstes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Elektrode zeigt;

4 ein Diagramm ist, das ein erstes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt;

5 ein Diagramm ist, das ein erstes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt;

6 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt;

7 ein Diagramm ist, das ein erstes Beispiel der Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Elektrode zeigt;

8 ein Diagramm ist, das ein erstes Beispiel der Beziehung zwischen den Kombinationen der Luftelektroden und Brennstoffelektroden und der Klemmenspannung zeigt;

9 ein Diagramm ist, das ein zweites Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Wasserretention von jeder Luft- und Brennstoffelektrode zeigt;

10 ein Diagramm ist, das ein zweites Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Luft- und Brennstoffelektrode zeigt;

11 ein Diagramm ist, das ein zweites Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt;

12 ein Diagramm ist, das ein zweites Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt;

13 ein Diagramm ist, das ein zweites Beispiel der Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Luft- und Brennstoffelektrode zeigt;

14 ein Diagramm ist, das ein zweites Beispiel der Beziehung zwischen den Kombinationen der Luftelektroden und Brennstoffelektroden und der Klemmenspannung zeigt;

15 ein Diagramm ist, das ein drittes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Wasserretention von jeder Luft- und Brennstoffelektrode zeigt;

16 ein Diagramm ist, das ein drittes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Luft- und Brennstoffelektrode zeigt;

17 ein Diagramm ist, das ein drittes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt;

18 ein Diagramm ist, das ein drittes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt;

19 ein Diagramm ist, das ein drittes Beispiel der Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Luft- und Brennstoffelektrode zeigt;

20 ein Diagramm ist, das ein drittes Beispiel der Beziehung zwischen den Kombinationen der Luftelektroden und Brennstoffelektroden und der Klemmenspannung zeigt;

21 ein Diagramm ist, das einen Zustand von Wasser, das in jeder Elektrolytmembran und jeder Luft- und Brennstoffelektrode verteilt ist, zeigt;

22 ein Diagramm ist, das ein viertes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Wasserretention von jeder Elektrode zeigt;

23 ein Diagramm ist, das ein viertes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Elektrode zeigt;

24 ein Diagramm ist, das ein viertes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt;

25 ein Diagramm ist, das ein viertes Beispiel der Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt;

26 ein Diagramm ist, das ein viertes Beispiel der Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Elektrode zeigt; und

27 ein Diagramm ist, das ein viertes Beispiel der Beziehung zwischen den Kombinationen der Luftelektroden und Brennstoffelektroden und der Klemmenspannung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezug nehmend auf 1, umfasst eine Festpolymerbrennstoffzelle 1, die in den Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet werden kann, eine Elektrolytmembran 2, ein Paar Elektroden, die sich in unmittelbarem Kontakt mit den gegenüberliegenden Seiten der dazwischengelegten Elektrolytmembran befinden, nämlich, eine Luftelektrode 3 und eine Brennstoffelektrode 4, ein Paar Diffusionsschichten 5 und 6, die sich in unmittelbarem Kontakt mit den Elektroden 3 beziehungsweise 4 befinden und ein Paar Abstandhalter 7 und 8, die sich in engem Kontakt mit den Diffusionsschichten 5 und 6 befinden. In diesem Fall kann ein Befeuchten von beiden Seiten der Elektroden 3 und 4 erfolgen. Die Elektrolytmembran 2, die Luftelektrode 3, die Brennstoffelektrode 4 und die Diffusionsschichten 5 und 6 sind in einer Membranelektrodenanordnung 9 enthalten.
Die Elektrolytmembran 2 kann aus einer Polymerionenaustauschkomponente mit einer Protonenleitfähigkeit gebildet sein, z.B. in einigen Ausführungsformen dieser Erfindung aus einer aromatischen Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente. Jede Luftelektrode 3 und jede Brennstoffelektrode 4 kann aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend Pt-Partikel als Metallkatalysatorpartikel, die auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen werden und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet sein, die eine Protonenleitfähigkeit aufweist und als Bindemittel fungiert, die gleich oder verschieden zu der oben beschriebenen Polymerionenaustauschkomponente ist, z.B. einer aromatischen Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente der Ausführungsformen und die keine PTFE-Partikel als dritte Komponente enthält.
Jede der Diffusionsschichten 5 und 6 kann aus einem porösen Kohlepapier, einer Kohleplatte oder dergleichen gebildet sein und die Abstandhalter 7 und 8 können aus turbostratischem Graphit gebildet sein, um die gleiche Form aufzuweisen. Luft kann mehreren Vertiefungen 10, die in dem zu der Luftelektrode 3 benachbarten Abstandhalter 7 bereitgestellt werden, zugeführt werden und Wasserstoff kann mehreren Vertiefungen 11, die quer zu den Vertiefungen 10 in dem zu der Brennstoffelektrode 4 benachbarten Abstandhalter 8 bereitgestellt werden, zugeführt werden.
Die aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente kann so beschaffen sein, dass sie frei von Fluor ist und in einem Lösungsmittel löslich ist. Beispiele solcher Polymerionenaustauschkomponenten, die verwendet werden können, sind verschiedene in der Tabelle 1 gezeigte sulfonierte aromatische Kohlenwasserstoffpolymere.
Tabelle 1
Beispiele eines Lösungsmittels, das verwendet werden kann, sind verschiedene in Tabelle 2 gezeigte polare Lösungsmittel.
Tabelle 2
Die in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 verwendeten Russpartikel sind diejenigen, die ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder weniger als 80 cm³/g war.
Wenn die Russpartikel wie oben beschrieben mit einem Wasserabweisungsvermögen versehen werden, erfolgt das Hineinfliessen von Befeuchtungswasser in die Elektrolytmembran und das Herausfliessen von einer überschüssigen Menge an Wasser aus beiden Elektroden 3 und 4 gleichmässig.
Das Verhältnis W_p/W_c zwischen den Gewichten W_p und W_c liegt in einem Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25, wenn W_p für das in jede Luftelektrode 3 und jede Brennstoffelektrode 4 inkorporierte Gewicht der Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das in jede Luftelektrode 3 und jede Brennstoffelektrode 4 inkorporierte Gewicht der Russpartikel steht.
Die Abnahme der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 kann gefördert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und die Zunahme der Widerstandsüberspannung kann verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu steigern, wenn das Verhältnis W_p/W_c zwischen den Gewichten W_p und W_c in einem solchen Bereich liegt.
Besondere Beispiele werden unten beschrieben
1. Herstellung der Elektrode
Die Platin (Pt)-Partikel wurden auf Russpartikeln (unter dem Markennamen Vulcan XC-72) getragen, die ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich 72 cm³/g war, wodurch die Katalysatorpartikel hergestellt wurden. Der Gehalt der Pt-Partikel in den Katalysatorpartikeln betrug 50 Gew.-%.
(Beispiel I)
Das in Tabelle 1 als Beispiel 1 gezeigte sulfonierte PEEK wurde als aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente hergestellt- und in NMP, das in Tabelle 2 gezeigt ist, unter Rückfluss gelöst. Der Gehalt von sulfoniertem PEEK in Lösung betrug 6 Gew.-%. Die Katalysatorpartikel wurden so in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung gemischt, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel gleich 0,2 war. Dann wurden die Katalysatorpartikel unter Verwendung einer Kugelmühle in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung dispergiert, um eine Suspension für eine Elektrode herzustellen. Die Suspension wurde jeweils auf eine Oberfläche von mehreren porösen Kohlepapieren aufgebracht, so dass der Gehalt an Pt 0,5 mg/cm² betrug. Die Suspension auf jedem Papier wurde dann getrocknet, um eine Elektrode mit einer Diffusionsschicht bereitzustellen. Diese Elektroden werden als Beispiel (1) bezeichnet.
(BEISPIEL II)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,4 betrug, wodurch mehrere Elektroden erzeugt wurden, die alle eine Diffusionsschicht aufwiesen. Diese Elektroden werden als Beispiel (2) bezeichnet.
(BEISPIEL III)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,6 betrug, wodurch mehrere Elektroden erzeugt wurden, die alle eine Diffusionsschicht aufwiesen. Diese Elektroden werden als Beispiel (3) bezeichnet.
(BEISPIEL IV)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,8 betrug, wodurch mehrere Elektroden erzeugt wurden, die alle eine Diffusionsschicht aufwiesen. Diese Elektroden werden als Beispiel (4) bezeichnet.
(BEISPIEL V)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,25 betrug, wodurch mehrere Elektroden erzeugt wurden, die alle eine Diffusionsschicht aufwiesen. Diese Elektroden werden als Beispiel (5) bezeichnet.
(BEISPIEL VI)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,75 betrug, wodurch mehrere Elektroden erzeugt wurden, die alle eine Diffusionsschicht aufwiesen. Diese Elektroden werden als Beispiel (6) bezeichnet.
II. Elektroden betreffende Überlegungen
Tabelle 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel und die Wasserretention der Elektrode für die Elektrodenbeispiele (1) bis (6). Die Wasserretention wurde anhand der unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C durch eine Gasadsorptionsvorrichtung adsorbierte Wassermenge berechnet.
Tabelle 3
2 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 3 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Wasserretention der Elektrode zeigt. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Wasserretention der Elektrode mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Dicke der Elektrode für die Elektrodenbeispiele (1) bis (6).
Tabelle 4
3 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 4 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Dicke der Elektrode zeigt. Aus 3 ist ersichtlich, dass die Dicke der Elektrode mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Die Tabelle 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel für die Elektrodenbeispiele (1) bis (6).
Tabelle 5
Das Beschichtungsverhältnis C_c der Katalysatorpartikel wurde gemäss C_c = {(A_e – A_c)/A_e} × 100 (%) berechnet, wobei A_e für einen Bereich einer Fläche der Elektrode steht und A_c für die Summe von Bereichen der auf der Fläche der Elektrode exponierten Katalysatorpartikeln steht.
4 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 5 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel der Elektrode zeigt. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel für die Elektrodenbeispiele (1) bis (6).
Tabelle 6
Der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel wurde auf die folgende Art und Weise bestimmt: zuerst wurde eine theoretische Platin (Pt)-Konzentration T_p als eine theoretische Konzentration des Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln und eine theoretische Schwefel (S)-Konzentration T_s in dem sulfonierten PEEK anhand der Mengen von sulfoniertem PEEK und Katalysatorpartikeln, die zum Herstellungszeitpunkt der Elektrode inkorporiert wurden, berechnet und ein theoretisches Verhältnis T_s/T_p wurde dann aus den theoretischen Werten T_p und T_s bestimmt. Die Elektrodenoberfläche wurde durch EPMA beobachtet und eine tatsächliche Konzentration A_p von Pt als tatsächliche Konzentration des Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln und eine tatsächliche Konzentration A_s von S in dem sulfonierten PEEK wurde durch eine Oberflächenanalyse bestimmt und ein tatsächliches Verhältnis A_s/A_p wurde aus solchen tatsächlichen A_s- und A_p-Werten bestimmt. Danach wurde ein Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel gemäss der folgenden Gleichung bestimmt: D = ({(Ts/Tp) – (As/Ap)}/(Ts/Tp)) × 100 (%)
5 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 6 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 5 ist ersichtlich, dass der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel für die Elektrodenbeispiele (1) bis (6).
Tabelle 7
6 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 7 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 6 ist ersichtlich, dass die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Dispersionsgrades D der Katalysatorpartikel ansteigt.
Tabelle 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke der Elektrode für die Elektrodenbeispiele (1) bis (6).
Tabelle 8
7 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 8 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke der Elektrode zeigt. Aus 7 ist ersichtlich, dass die Dicke der Elektrode mit einer Zunahme des Dispersionsgrades D der Katalysatorpartikel ansteigt.
III. Energieerzeugende Leistung der Brennstoffzelle
Eine Elektrolytmembran 2 mit einer Dicke von 50 μm wurde unter Verwendung eines sulfonierten PEEK, das ähnlich zu dem ist, das bei der Herstellung der Elektrode verwendet wurde, gebildet. Es wurden zwei Sätze der Elektrodenbeispiele (1) bis (6) hergestellt, wobei einer der Sätze als Beispiele (1) bis (6) der Luftelektroden 3 definiert wurde und der andere Satz als Beispiele (1) bis (6) der Brennstoffelektroden 4 definiert wurde. Die Beispiele (1) bis (6) der Luftelektroden 3 und die Beispiele (1) bis (6) der Brennstoffelektroden 4 wurden kombiniert, so dass jedes der Beispiele (1) bis (6) der Luftelektroden 3 mit den Beispielen (1) bis (6) der Brennstoffelektroden 4 gepaart wurde. Insbesondere wurden, was das Beispiel (1) angeht, die folgenden Kombinationen ausgeführt: eine Kombination von Beispiel (1) mit Beispiel (1); eine Kombination von Beispiel (1) mit Beispiel (2); ... eine Kombination von Beispiel (1) mit Beispiel (5) und eine Kombination von Beispiel (1) mit Beispiel (6). In dieser Art und Weise wurden 36 Sätze von Elektrodenpaaren verglichen. Die Elektrolytmembran 2 wurde zwischen jedem Elektrodenpaar aufgenommen, nämlich, jedem Satz aus der Luftelektrode 3 und der Brennstoffelektrode 4 und wurde einem Heisspressen unter Bedingungen von 140 °C, 1,5 MPa und einer Minute unterzogen, um eine Membranelektrodenanordnung 9 zu erzeugen. Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 wurde unter Verwendung von jeder Membranelektrodenanordnung 9 zusammengebaut und unter einer Bedingung, bei der das Befeuchten sowohl von der Seite der Luftelektrode 3 als auch von der Seite der Brennstoffelektrode 4 durchgeführt wurde, zur Energieerzeugung verwendet und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung gemessen. In diesem Fall wurde eine Klemmenspannung bei einer hohen Stromdichte von 0,8 A/cm² als Vergleichswert der Klemmenspannung für jede Zelle verwendet, da aufgrund der Diffusion von Wasser ein grosser Einfluss auf die Klemmenspannung ausgeübt wurde.
Die Tabelle 9 zeigt das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte, die Kombination der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode in jeder Zelle und die Klemmenspannung bei 0,8 A/cm² für die Beispiele (1) bis (6) der Luft- und Brennstoffelektroden. Tabelle 9

Bsp. = Beispiel

8 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 9 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen der Kombination der Luft- und Brennstoffelektroden 3 und 4 und der Klemmenspannung zeigt. Aus Tabelle 9 und 8 ist ersichtlich, dass die energieerzeugende Leistung jeder Festpolymerbrennstoffzelle erhöht werden kann, wenn die Kombinationen zwischen den Beispielen (2) bis (5) der Luftelektroden und den Beispielen (2) bis (5) der Brennstoffelektroden durchgeführt werden.
Zum Vergleich wurde eine Suspension hergestellt, indem 20 Gew.-% PTFE-Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgrösse von 10 μm in die Suspension für die in BEISPIEL III beschriebene Elektrode inkorporiert wurden. Diese Suspension wurde so auf eine Oberfläche von jeweils zwei porösen Kohlepapieren aufgetragen, dass der Platin (Pt)-Gehalt 0,5 mg/cm² betrug. Dann wurde die Suspension getrocknet, um eine Elektrode als Beispiel (7) mit einem Gewichtsverhältnis W_p/W_c von 0,6 und einer Diffusionsschicht bereitzustellen. Die als Beispiel (7) bezeichnete Elektrode wies eine Dicke t von 15 μm auf, was 9 μm grösser war, als diejenige des in Tabelle 4 gezeigten Elektrodenbeispiels (3).
Eine Membranelektrodenanordnung 9 wurde auf die gleiche Art und Weise wie oben beschrieben angefertigt, indem die zwei Beispiele (7) als eine Luftelektrode 3 und eine Brennstoffzelle 4 verwendet wurden. Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 wurde unter Verwendung der Membranelektrodenanordnung 9 zusammengebaut und unter Bedingungen, bei denen das Befeuchten sowohl von der Seite der Luftelektrode 3 als auch von der Seite der Brennstoffelektrode 4 durchgeführt wurde, zur Erzeugung von Energie verwendet und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung gemessen. Als Ergebnis wurde ermittelt, dass die Klemmenspannung bei einer Stromdichte von 0,8 A/cm² 0,643 V betrug. Es ist klar, dass diese Klemmenspannung etwa 6% geringer ist als die Klemmenspannung von 0,687 V in dem Fall der in Tabelle 8 gezeigten Kombination von Beispiel (3) mit Beispiel (3).
Ausgehend von dieser Tatsache ist es klar, dass die Russpartikel ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge gleich oder kleiner als 80 cm³/g war und dass es erforderlich ist, dass das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt.
Wenn das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte in einem solchen Bereich liegt, liegt die Dicke t der Elektrode im Bereich von 5 μm ≤ t ≤ 8 μm, wie in Tabelle 4 gezeigt; die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel liegt im Bereich von 91 % ≤ C_c ≤ 98%, wie in Tabelle 6 gezeigt und überdies liegt der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel im Bereich von 3% ≤ D ≤ 8%, wie in Tabelle 6 gezeigt.
In den anderen Ausführungsformen kann eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 eine ähnliche Bauweise aufweisen, wie die in 1 gezeigte. In dieser Zelle 1 kann das Befeuchten jedoch nur von der Seite der Luftelektrode 3 ausgeführt werden.
Eine Elektrolytmembran 2, jede Luftelektrode 3 und Brennstoffelektrode 4, jede der Diffusionsschichten 5 und 6 sowie die Abstandhalter 7 und 8 können, wie oben beschrieben, gebildet sein.
Die aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente kann, wie oben beschrieben, beschaffen sein. Beispiele von Lösungsmitteln, die verwendet werden können, sind oben in Tabelle 2 gezeigt.
Die Russpartikel in der Luftelektrode 3 auf der Befeuchtungsseite können ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g war. Das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p zu dem Gewicht W_c liegt im Bereich von 0,2 ≤ W_p/W_c ≤ 0,8, wenn W_p für das Gewicht der in der Luftelektrode 3 inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Luftelektrode 3 inkorporierten Russpartikel steht.
Andererseits können die Russpartikel in der Brennstoffelektrode 4 eine derartige hydrophile Beschaffenheit aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist. Das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p zu dem Gewicht W_c liegt im Bereich von 0,6 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25, wenn W_p für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Russpartikel steht.
Mit der obigen Anordnung kann jedes wasserabweisende Russpartikel und jedes hydrophile Russpartikel dazu fähig sein, die Wasserretention jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 einzustellen, wodurch die Notwendigkeit für PTFE-Partikel entfällt. Dies ist für die Verringerung der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 von Bedeutung.
Die Abnahme der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 aufgrund der Abwesenheit von PTFE-Partikeln in jeder der Elektroden 3 und 4 kann gefördert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und die Zunahme der Widerstandsüberspannung kann verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu erhöhen, wenn das Verhältnis W_p/W_c der in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Gewichte W_p und W_c in dem oben beschriebenen Bereich liegt.
Desweiteren kann gegebenenfalls eine Befeuchtungsvorrichtung nur auf der Seite einer Luftzufuhrleitung angeordnet sein und somit ist es möglich, die Kosten der Apparatur zu verringern und die Bauweise zu vereinfachen.
In dem Fall, in dem das Befeuchten von der Seite der Luftelektrode 3 erfolgt, fliesst Befeuchtungswasser gleichmässig in die Elektrolytmembran 2, weil die Russpartikel in der Luftelektrode 3 wasserabweisend sind. Zusätzlich tritt ebenfalls eine Diffusion des in der Luftelektrode 3 erzeugten Wassers zurück zu der Elektrolytmembran 2 auf und somit wird die Elektrolytmembran 2 in einen Nasszustand versetzt. Andererseits fliesst ein Teil des Wassers in der Elektrolytmembran 2 in die Brennstoffelektrode 4 und wird durch die Russpartikel in der Brennstoffelektrode 4 zurückbehalten, weil die Russpartikel in der Brennstoffelektrode 4 hydrophil sind. Der Nasszustand der Elektrolytmembran 2 wird sowohl durch das Zurückbehalten des Wassers in der Brennstoffelektrode 4 als auch durch das Befeuchten der Luftelektrode 3 aufrechterhalten. Eine überschüssige Menge an Wasser in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 wird nach aussen abgeführt.
Spezielle Beispiele werden unten beschrieben.
I-(1). Herstellung der Luftelektrode
Platin (Pt)-Partikel wurden auf Russpartikeln (unter dem Markennamen Vulcan XC-72) getragen, die ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder geringer als 72 cm³/g war, wodurch Katalysatorpartikel für eine Luftelektrode hergestellt wurden. Der Gehalt der Pt-Partikel in den Katalysatorpartikeln betrug 50 Gew.-%.
[BEISPIEL-I]
Das in Tabelle 1 als Beispiel 1 gezeigte sulfonierte PEEK wurde als aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente hergestellt und in NMP, das in Tabelle 2 gezeigt ist, unter Rückfluss gelöst. Der Gehalt von sulfoniertem PEEK in der resultierenden Lösung betrug 6 Gew.-%. Die Katalysatorpartikel wurden so in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung gemischt, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel gleich 0,2 war. Dann wurden die Katalysatorpartikel in der Mischung unter Verwendung einer Kugelmühle dispergiert, um eine Suspension für eine Luftelektrode herzustellen. Die Suspension wurde jeweils auf eine Oberfläche von mehreren porösen Kohlepapieren aufgebracht, so dass der Gehalt an Pt 0,5 mg/cm² betrug. Die Suspension wurde dann getrocknet, um eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 bereitzustellen. Diese Luftelektrode 3 wird als Beispiel 10 bezeichnet.
(BEISPIEL-II)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,4 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Diese Luftelektrode 3 wird als Beispiel 11 bezeichnet.
(BEISPIEL-III)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,6 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Diese Luftelektrode 3 wird als Beispiel 12 bezeichnet.
(BEISPIEL-IV)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,8 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Diese Luftelektrode wird als Beispiel 13 bezeichnet.
(BEISPIEL-V)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,25 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Diese Luftelektrode 3 wird als Beispiel 14 bezeichnet.
(BEISPIEL-VI)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 2,0 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Diese Luftelektrode 3 wird als Beispiel 15 bezeichnet.
I-(2). Herstellung der Brennstoffelektrode
Platin (Pt)-Partikel wurden auf Russpartikeln (unter dem Markennamen Kecchen Black EC) getragen, die ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich 370 cm³/g war, wodurch Katalysatorpartikel für eine Brennstoffelektrode hergestellt wurden. Der Gehalt der Pt-Partikel in den Katalysatorpartikeln betrug 50 Gew.-%.
[BEISPIEL I]
Das in Tabelle 1 als Beispiel 1 gezeigte sulfonierte PEEK wurde als aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente hergestellt und in NMP, das in Tabelle 2 gezeigt ist, unter Rückfluss gelöst. Der Gehalt von sulfoniertem PEEK in der resultierenden Lösung betrug 6 Gew.-%. Die Katalysatorpartikel wurden so in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung gemischt, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel gleich 0,4 war. Dann wurden die Katalysatorpartikel unter Verwendung einer Kugelmühle in die das sulfonierte PEEK enthaltende Mischung dispergiert, um eine Suspension für eine Brennstoffelektrode herzustellen. Die Suspension wurde jeweils auf eine Oberfläche von mehreren porösen Kohlepapieren aufgebracht, so dass der Gehalt an Pt 0,5 mg/cm² betrug. Die Suspension auf jedem Papier wurde dann getrocknet, um eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 bereitzustellen. Die Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel (10) bezeichnet.
(BEISPIEL II)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,6 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Die Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel (11) bezeichnet.
(BEISPIEL III)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,8 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Die Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel (12) bezeichnet.
(BEISPIEL IV)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,25 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Die Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel (13) bezeichnet.
(BEISPIEL V)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,75 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Die Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel (14) bezeichnet.
II. Luftelektrode und Brennstoffelektrode betreffende Überlegungen
Tabelle 10 zeigt die Beziehung zwischen der Wasserretention und dem Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel für die Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden 3 und der Beispiele (10) bis (14) der Brennstoffelektroden 4. Die Wasserretention wurde anhand der Wassermenge berechnet, die unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C durch eine Gasadsorptionsvorrichtung adsorbiert wurde.
Tabelle 10
9 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 10 angefertigt wurde und das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und die Wasserretentionen der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode zeigt. In der 9 entsprechen die Beispiele 10 bis 15 den Luftelektroden und die Beispiele 10 bis 14 entsprechen den Brennstoffelektroden. Dies trifft auf die Figuren zu, die nachstehend beschrieben werden. Aus 9 ist ersichtlich, dass die Wasserretention der Luftelektrode, die unter Verwendung von wasserabweisenden Russpartikeln hergestellt wurde, geringer ist als diejenige der Brennstoffelektrode, die unter Verwendung von hydrophilen Russpartikeln hergestellt wurde, wenn die Verhältnisse W_p/W_c der in die Luftelektrode und die Brennstoffelektroden inkorporierten Gewichte gleich sind. Für jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode führt eine Erhöhung des Verhältnisses W_p/W_c der inkorporierten Gewichte dazu, dass sich die Wasserretention ebenfalls erhöht.
Tabelle 11 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 für die Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden 3 und für die Beispiele 10 bis 14 der Brennstoffelektroden 4.
Tabelle 11
10 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 11 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode zeigt. Aus 10 ist ersichtlich, dass die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 12 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel für die Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden 3 und für die Beispiele 10 bis 14 der Brennstoffelektroden 4.
Tabelle 12
Die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel wurde berechnet wie oben beschrieben.
11 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 12 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 11 ist ersichtlich, dass die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Die Tabelle 13 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel für die Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden 3 und für die Beispiele 10 bis 14 der Brennstoffelektroden 4.
Tabelle 13
Der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel wurde bestimmt wie oben beschrieben.
12 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 13 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 12 ist ersichtlich, dass der Dispersionsgrad der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 14 zeigt die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4.
Tabelle 14
13 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 14 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode zeigt. Aus 13 ist ersichtlich, dass die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode mit einer Zunahme des Dispersionsgrades D der Katalysatorpartikel ansteigt.
III. Energieerzeugende Leistung der Brennstoffzelle
Eine Elektrolytmembran 2 mit einer Dicke von 50 μm wurde unter Verwendung eines sulfonierten PEEK, das ähnlich zu demjenigen ist, das bei der Herstellung der Luftelektrode 3 und der Brennstoffelektrode 4 verwendet wurde, gebildet. Die Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden 3 und die Beispiele 10 bis 14 der Brennstoffelektroden 4 wurden kombiniert, so dass jedes der Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden 3 mit den Beispielen 10 bis 14 der Brennstoffelektroden 4 gepaart wurde. Insbesondere wurden, was das Beispiel (10) angeht, die folgenden Kombinationen ausgeführt: eine Kombination von Beispiel (10) mit Beispiel (10); eine Kombination von Beispiel (10) mit Beispiel (11); ... eine Kombination von Beispiel (10) mit Beispiel (14). Auf diese Art und Weise wurden 30 Sätze von Elektrodenpaaren verglichen. Die Elektrolytmembran 2 wurde zwischen jedem Elektrodenpaar aufgenommen, nämlich, jedem Satz der Luftelektrode 3 und der Brennstoffelektrode 4 und einem Heisspressen unter Bedingungen von 140 °C, 1,5 MPa und einer Minute unterzogen, um eine Membranelektrodenanordnung 9 zu erzeugen. Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 wurde unter Verwendung jeder Membranelektrodenanordnung 9 zusammengebaut und unter einer Bedingung, bei der das Befeuchten nur von der Seite der Luftelektrode 3 durchgeführt wurde, zur Energieerzeugung verwendet und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung gemessen. In diesem Fall wurde ebenfalls eine Klemmenspannung bei einer hohen Stromdichte von 0,8 A/cm² als Vergleichswert für die Klemmenspannung jeder Zelle verwendet, da aufgrund der Diffusion von Wasser ein grosser Einfluss auf die Klemmenspannung ausgeübt wurde.
Tabelle 15 zeigt das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und die Kombination der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode in jeder Zelle und die Klemmenspannung bei 0,8 A/cm² für die Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden 3 und für die Beispiele 10 bis 14 der Brennstoffelektroden 4. Tabelle 15

Bsp. = Beispiel

14 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 15 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen der Kombination der Beispiele 10 bis 15 der Luftelektroden mit den Beispielen 10 bis 14 der Brennstoffelektroden 4 und der Klemmenspannung zeigt. Wie aus der Tabelle 15 und der 14 ersichtlich, kann, falls die Kombinationen zwischen den Beispielen 10 bis 13 der Luftelektroden 3 und den Beispielen 11 bis 13 der Brennstoffelektroden 4 durchgeführt werden, die energieerzeugende Leistung der Festpolymerbrennstoffzelle 1 erhöht werden, wenn die Festpolymerbrennstoffzelle 1 unter einer Bedingung betrieben wird, bei der das Befeuchten nur von der Seite der Luftelektrode 3 erfolgt.
Zum Vergleich wurde in der Brennstoffzelle 1, die unter Verwendung der Kombination aus dem Beispiel 12 der Luftelektrode 3 und dem Beispiel 12 der Brennstoffelektrode 4 hergestellt wurde, Energie unter der Bedingung erzeugt, bei der das Befeuchten nur von der Seite der Luftelektrode 3 durchgeführt wurde und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung gemessen. Als Ergebnis wurde ermittelt, dass die Klemmenspannung bei einer Stromdichte von 0,8 A/cm² 0,618 V betrug. Es ist klar, dass diese Klemmenspannung etwa 10% niedriger ist als die Klemmenspannung von 0,691 V, die in dem Fall der Kombination von Beispiel 12 der Luftelektrode mit dem Beispiel 12 der Brennstoffelektrode 4, die in Tabelle 15 gezeigt ist, bereitgestellt wird.
Ausgehend von dieser Tatsache ist es klar, dass das Befeuchten nur von der Seite der Luftelektrode in jeder Brennstoffzelle 1 erfolgen kann, die unter Verwendung der Kombinationen der Beispiele 10 bis 13 der Luftelektroden 3 mit den Beispielen 11 bis 13 der Brennstoffelektroden 4 hergestellt wurden.
Wenn das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte für jede Luftelektrode 3 und jede Brennstoffelektrode 4 in dem oben beschriebenen Bereich liegt, liegt die Dicke t der Luftelektrode 3 im Bereich von 3 μm ≤ t ≤ 7 μm, wie in den Beispielen 10 bis 13 der Tabelle 11 gezeigt und die Dicke t der Brennstoffelektrode 4 liegt im Bereich von 6 μm ≤ t ≤ 8 μm, wie in den Beispielen 11 bis 13 der Tabelle 12 gezeigt. Zusätzlich liegt die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel der Luftelektrode 3 im Bereich von 72% ≤ C_c ≤ 97%, wie in den Beispielen 10 bis 13 der Tabelle 12 gezeigt und die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel der Brennstoffelektrode 4 liegt im Bereich von 95% ≤ C_c ≤ 98%, wie in den Beispielen 11 bis 13 der Tabelle 12 gezeigt. Desweiteren liegt der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel der Luftelektrode 3 im Bereich von 2% ≤ D ≤ 7%, wie in den Beispielen 10 bis 13 der Tabelle 13 gezeigt und der Dispersionsgrad D der Brennstoffelektrode 4 liegt im Bereich von 5% ≤ D ≤ 8%, wie in den Beispielen 11 bis 13 der Tabelle 13 gezeigt.
Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 kann in anderen Ausführungsformen dieser Erfindung eine Bauweise aufweisen, die ähnlich zu der in der 1 gezeigten ist. In dieser Zelle 1 kann das Befeuchten jedoch nur von der Seite der Brennstoffelektrode 4 durchgeführt werden.
Eine Elektrolytmembran 2, jede Luftelektrode 3 und jede Brennstoffelektrode 4, die Diffusionsschichten 5 und 6 sowie die Abstandhalter 7 und 8 können wie oben beschrieben gebildet sein.
Die aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente kann wie oben beschrieben sein. Beispiele von Lösungsmitteln sind in der oben beschriebenen Tabelle 2 gezeigt.
Die Russpartikel in der Brennstoffelektrode 4 auf der Befeuchtungsseite können ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g war. Das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p zu dem Gewicht W_c liegt in einem Bereich von 0,2 ≤ W_p/W_c ≤ 0,8, wenn W_p für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Russpartikel steht.
Andererseits können die Russpartikel in der Luftelektrode 3 eine derartige hydrophile Beschaffenheit aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist. Das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p zu dem Gewicht W_c liegt im Bereich von 0,6 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25, wenn W_p für das Gewicht der in der Luftelektrode 3 inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Luftelektrode 3 inkorporierten Russpartikel steht.
Mit der obigen Anordnung kann jedes der wasserabweisenden Russpartikel und jedes der hydrophilen Russpartikel dazu fähig sein, die Wasserretention in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 einzustellen, wodurch die PTFE-Partikel nicht mehr gebraucht werden. Dies ist bei der Verringerung der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 von Bedeutung.
Die Abnahme der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 kann aufgrund der Abwesenheit von PTFE-Partikeln in jeder der Elektroden 3 und 4 gefördert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und die Zunahme der Widerstandsüberspannung kann verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu erhöhen, wenn das Verhältnis W_p/W_c der in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Gewichte W_p und W_c in dem oben beschriebenen Bereich liegt.
Desweiteren kann gegebenenfalls eine Befeuchtungsvorrichtung nur auf der Seite der Luftzufuhrleitung angeordnet sein und somit ist es möglich, die Kosten der Apparatur zu verringern und die Bauweise zu vereinfachen.
In dem Fall, in dem das Befeuchten von der Seite der Brennstoffelektrode 4 erfolgt, fliesst Befeuchtungswasser gleichmässig in die Elektrolytmembran 2, weil die Russpartikel in der Brennstoffelektrode 4 wasserabweisend sind. Zusätzlich tritt ebenfalls eine Diffusion des in der Luftelektrode 3 erzeugten Wassers zurück zu der Elektrolytmembran 2 auf und somit wird die Elektrolytmembran 2 in einen Nasszustand versetzt. Andererseits wird ein Teil des erzeugten Wassers und ein Teil des aus der Elektrolytmembran 2 in die Luftelektrode 3 fliessende Wasser durch die Russpartikel in der Brennstoffelektrode 4 zurückbehalten, weil die Russpartikel in der Luftelektrode 3 hydrophil sind. Der Nasszustand der Elektrolytmembran 2 wird sowohl durch das Zurückbehalten des Wassers in der Luftelektrode 3 als auch durch das Befeuchten der Brennstoffelektrode 4 aufrechterhalten. Eine überschüssige Menge an Wasser in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 wird nach aussen abgeführt.
Spezielle Beispiele werden unten beschrieben.
I-(1). Herstellung der Brennstoffelektrode
Platin (Pt)-Partikel wurden auf Russpartikeln (unter dem Markennamen Vulcan XC-72) getragen, die ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder geringer als 72 cm³/g war, wodurch Katalysatorpartikel für eine Brennstoffelektrode hergestellt wurden. Der Gehalt der Pt-Partikel in den Katalysatorpartikeln betrug 50 Gew.-%.
[BEISPIEL-I]
Das in Tabelle 1 als Beispiel 1 gezeigte sulfonierte PEEK wurde als aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente hergestellt und in NMP, das in Tabelle 2 gezeigt ist, unter Rückfluss gelöst. Der Gehalt von sulfoniertem PEEK in der resultierenden Lösung betrug 6 Gew.-%. Die Katalysatorpartikel wurden so in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung gemischt, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel gleich 0,2 war. Dann wurden die Katalysatorpartikel in der Mischung unter Verwendung einer Kugelmühle dispergiert, um eine Suspension für eine Brennstoffelektrode herzustellen. Die Suspension wurde jeweils auf eine Oberfläche von mehreren porösen Kohlepapieren aufgebracht, so dass der Gehalt an Pt 0,5 mg/cm² betrug. Die Suspension wurde getrocknet, um eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 bereitzustellen. Diese Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel 20 bezeichnet.
(BEISPIEL-II)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,4 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Diese Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel 21 bezeichnet.
(BEISPIEL-III)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,6 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Diese Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel 22 bezeichnet.
(BEISPIEL-IV)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,8 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Diese Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel 23 bezeichnet.
(BEISPIEL-V)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,25 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Diese Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel 24 bezeichnet.
(BEISPIEL-VI)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 2,0 betrug, wodurch eine Brennstoffelektrode 4 mit einer Diffusionsschicht 6 erzeugt wurde. Diese Brennstoffelektrode 4 wird als Beispiel 25 bezeichnet.
I-(2). Herstellung der Luftelektrode
Platin (Pt)-Partikel wurden auf Russpartikeln (unter dem Markennamen Kecchen Black EC) getragen, die ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich 370 cm³/g war, wodurch Katalysatorpartikel für eine Luftelektrode hergestellt wurden. Der Gehalt der Pt-Partikel in den Katalysatorpartikeln betrug 50 Gew.-%.
(BEISPIEL-I]
Das in Tabelle 1 als BEISPIEL 1 gezeigte sulfonierte PEEK wurde als aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente hergestellt und in NMP, das in Tabelle 2 gezeigt ist, unter Rückfluss gelöst. Der Gehalt von sulfoniertem PEEK in der resultierenden Lösung betrug 6 Gew.-%. Die Katalysatorpartikel wurden so in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung gemischt, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel gleich 0,4 war. Dann wurden die Katalysatorpartikel unter Verwendung einer Kugelmühle in die das sulfonierte PEEK enthaltende Mischung dispergiert, um eine Suspension für eine Luftelektrode herzustellen. Die Suspension wurde jeweils auf eine Oberfläche von mehreren porösen Kohlepapieren aufgebracht, so dass der Gehalt an Pt 0,5 mg/cm² betrug. Die Suspension auf jedem Papier wurde dann getrocknet, um eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 bereitzustellen. Die Luftelektrode 3 wird als Beispiel (20) bezeichnet.
(BEISPIEL-II)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,6 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Die Luftelektrode 3 wird als Beispiel (21) bezeichnet.
(BEISPIEL-III)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,8 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Die Luftelektrode 3 wird als Beispiel (22) bezeichnet.
(BEISPIEL-IV)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,25 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Die Luftelektrode 3 wird als Beispiel (23) bezeichnet.
(BEISPIEL-V)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,75 betrug, wodurch eine Luftelektrode 3 mit einer Diffusionsschicht 5 erzeugt wurde. Die Luftelektrode 3 wird als Beispiel (24) bezeichnet.
II. Luftelektrode und Brennstoffelektrode betreffende Überlegungen
Die Tabelle 16 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel und der Wasserretention für die Beispiele (20) bis (25) der Brennstoffelektroden 4 und der Beispiele (20) bis (24) der Luftelektroden 3. Die Wasserretention wurde anhand der unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C durch eine Gasadsorptionsvorrichtung adsorbierte Wassermenge berechnet.
Tabelle 16
15 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 16 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Wasserretention für jede Luftelektrode und für jede Brennstoffelektrode zeigt. In der 15 entsprechen die Beispiele 20 bis 25 den Brennstoffelektroden und die Beispiele 20 bis 24 entsprechen den Luftelektroden. Dies trifft auf die Figuren zu, die nachstehend beschrieben werden. Aus 15 ist ersichtlich, dass die Wasserretention der Brennstoffelektrode, die unter Verwendung von wasserabweisenden Russpartikeln hergestellt wurde, geringer ist als diejenige der Luftelektrode, die unter Verwendung von hydrophilen Russpartikeln hergestellt wurde, wenn die Verhältnisse W_p/W_c der Gewichte der Russpartikel in den Brennstoff- und Luftelektroden gleich zueinander sind. Für jede Brennstoffelektrode und jede Luftelektrode führt eine Erhöhung des Verhältnisses W_p/W_c der inkorporierten Gewichte auch zu einer Erhöhung der Wasserretention.
Tabelle 17 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 für die Beispiele 20 bis 25 der Brennstoffelektroden 4 und für die Beispiele 20 bis 24 der Luftelektroden 3.
Tabelle 17
16 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 17 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode zeigt. Aus 16 ist ersichtlich, dass die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 18 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel für die Beispiele 20 bis 25 der Brennstoffelektroden 4 und für die Beispiele 20 bis 24 der Luftelektroden 3.
Tabelle 18
Die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel wurde berechnet wie oben beschrieben.
17 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 18 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 17 ist ersichtlich, dass die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 19 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel für die Beispiele 20 bis 25 der Brennstoffelektroden 4 und für die Beispiele 20 bis 24 der Luftelektroden 3.
Tabelle 19
Der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel wurde wie oben beschrieben bestimmt.
18 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 19 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 18 ist ersichtlich, dass der Dispersionsgrad der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Die Tabelle 20 zeigt die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 für die Beispiele 20 bis 25 der Brennstoffelektroden 4 und für die Beispiele 20 bis 24 der Luftelektroden 3.
Tabelle 20
19 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 20 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode zeigt. Aus 19 ist ersichtlich, dass die Dicke jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode mit einer Zunahme des Dispersionsgrades D der Katalysatorpartikel ansteigt.
III. Energieerzeugende Leistung der Brennstoffzelle
Eine Elektrolytmembran 2 mit einer Dicke von 50 μm wurde unter Verwendung eines sulfonierten PEEK, das ähnlich zu demjenigen ist, das bei der Herstellung jeder Brennstoffelektrode 4 und jeder Luftelektrode 3 verwendet wurde, gebildet. Die Beispiele (20) bis (25) der Brennstoffelektrode 4 und die Beispiele (20) bis (24) der Luftelektrode 3 wurden hergestellt und kombiniert, so dass jedes der Beispiele (20) bis (25) der Brennstoffelektroden 4 mit jedem der Beispiele (20) bis (24) der Luftelektroden 3 gepaart wurde. Insbesondere wurden, was das Beispiel (20) angeht, die folgenden Kombinationen durchgeführt: eine Kombination von Beispiel (20) mit Beispiel (20); eine Kombination von Beispiel (20) mit Beispiel (21); ... eine Kombination von Beispiel (20) mit Beispiel (24). Auf diese Art und Weise wurden 30 Sätze von Elektrodenpaaren verglichen. Die Elektrolytmembran 2 wurde zwischen jedem Elektrodenpaar aufgenommen, nämlich, jedem Satz der Luftelektrode 3 und der Brennstoffelektrode 4 und einem Heisspressen unter Bedingungen von 140 °C, 1,5 MPa und einer Minute unterzogen, um eine Membranelektrodenanordnung 9 zu erzeugen. Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 wurde unter Verwendung jeder Membranelektrodenanordnung 9 zusammengebaut und unter einer Bedingung, bei der das Befeuchten nur von der Seite der Brennstoffelektrode 4 durchgeführt wurde, zur Energieerzeugung verwendet und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung wurde gemessen. In diesem Fall wurde ebenfalls eine Klemmenspannung bei einer hohen Stromdichte von 0,8 A/cm² als Vergleichswert für die Klemmenspannung jeder Zelle verwendet, da aufgrund der Diffusion von Wasser ein grosser Einfluss auf die Klemmenspannung ausgeübt wurde.
Tabelle 21 zeigt das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte, die Kombination der Brennstoffelektrode mit der Luftelektrode in jeder Zelle und die Klemmenspannung bei 0,8 A/cm² für die Beispiele (20) bis (25) der Brennstoffelektroden 4 und für die Beispiele (20) bis (24) der Luftelektroden 3. Tabelle 21

Bsp. = Beispiel

Die 20 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 21 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen der Kombination der Luft- und Brennstoffelektroden 3 und 4 und der Klemmenspannung zeigt. Wie aus der Tabelle 21 und der 20 ersichtlich, kann, falls die Kombinationen zwischen den Beispielen (20) bis (23) der Brennstoffelektroden 4 und den Beispielen (21) bis (23) der Luftelektroden 3 durchgeführt werden, die energieerzeugende Leistung jeder Festpolymerbrennstoffzelle 1 erhöht werden, wenn die Festpolymerbrennstoffzelle 1 unter einer Bedingung betrieben wird, bei der das Befeuchten nur von der Seite der Brennstoffelektrode 4 erfolgt.
Zum Vergleich wurde die Brennstoffzelle 1, die unter Verwendung der Kombination von Beispiel 22 der Brennstoffelektrode 4 mit dem Beispiel 22 der Luftelektrode 3 zusammengebaut wurde, verwendet, um Energie unter Bedingungen zu erzeugen, bei denen das Befeuchten nur von der Seite der Luftelektrode 3 ausgeführt wurde und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung wurde gemessen. Als Ergebnis wurde ermittelt, dass die Klemmenspannung bei einer Stromdichte von 0,8 A/cm² 0,613 V betrug. Es ist klar, dass diese Klemmenspannung etwa 11% niedriger ist als die Klemmenspannung von 0,691 V im Fall der Kombination von Beispiel (22) der Brennstoffelektrode mit dem Beispiel (22) der Luftelektrode, die in Tabelle 21 gezeigt ist.
Ausgehend von dieser Tatsache ist es klar, dass das Befeuchten nur von der Seite der Brennstoffelektrode 4 in jeder Brennstoffzelle 1 erfolgen kann, die unter Verwendung der Kombinationen der Beispiele (20) bis (23) der Brennstoffelektroden 4 mit den Beispielen (21) bis (23) der Luftelektroden 3 hergestellt wurden.
Die Dicke t der Brennstoffelektrode 4 liegt im Bereich von 3 μm ≤ t ≤ 7 μm, wie in den Beispielen (20) bis (23) der Tabelle 17 gezeigt und die Dicke t der Luftelektrode 3 liegt im Bereich von 6 μm ≤ t ≤ 8 μm, wie in den Beispielen (21) bis (23) der Tabelle 17 gezeigt, wenn das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte für jede Luftelektrode 3 und jede Brennstoffelektrode 4 in dem oben beschriebenen Bereich liegt. Zusätzlich liegt die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel der Brennstoffelektrode 4 im Bereich von 72% ≤ C_c ≤ 97%, wie in den Beispielen (20) bis (23) der Tabelle 18 gezeigt und die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel der Luftelektrode 3 liegt im Bereich von 95% ≤ C_c ≤ 98%, wie in den Beispielen (21) bis (23) der Tabelle 18 gezeigt. Desweiteren liegt der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel in der Brennstoffelektrode 4 im Bereich von 2% ≤ D ≤ 7%, wie in den Beispielen (20) bis (23) der Tabelle 19 gezeigt und der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel in der Luftelektrode 3 liegt im Bereich von 5% ≤ D ≤ 8%, wie in den Beispielen (21) bis (23) der Tabelle 19 gezeigt.
Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 kann in anderen Ausführungsformen dieser Erfindung eine Bauweise aufweisen, die ähnlich zu der in der 1 gezeigten ist, kann jedoch in einem nicht-befeuchteten Zustand (ohne Befeuchter) betrieben werden.
Eine Elektrolytmembran 2 kann aus einer Polymerionenaustauschkomponente mit einer Protonenleitfähigkeit gebildet sein, z.B. in der Ausführungsform aus einer aromatischen Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente. Jede Luftelektrode 3 und jede Brennstoffelektrode 4 kann aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend Pt-Partikel als Metallkatalysatorpartikel, die auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen werden, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet sein, die eine Protonenleitfähigkeit aufweisen kann und als Bindemittel fungieren kann und die gleich oder unterschiedlich zu der oben beschriebenen Polymerionenaustauschkomponente sein kann, z.B. in der Ausführungsform aus einer aromatischen Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente. In diesem Fall werden keine PTFE-Partikel benötigt und sind als dritte Komponente vorzugsweise nicht enthalten.
Jede der Diffusionsschichten 5 und 6 kann aus einem porösen Kohlepapier, einer Kohleplatte oder dergleichen gebildet sein und die Abstandhalter 7 und 8 können aus turbostratischem Graphit gebildet sein, um die selbe Form aufzuweisen. Luft kann mehreren Vertiefungen 10 zugeführt werden, die von dem zu der Luftelektrode 3 benachbarten Abstandhalter 7 bereitgestellt werden und Wasserstoff kann mehreren Vertiefungen 11 zugeführt werden, die quer zu den Vertiefungen 10 von dem zu der Brennstoffelektrode 4 benachbarten Abstandhalter 8 bereitgestellt werden.
Die aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente kann so beschaffen sein, dass sie frei von Fluor ist und in einem Lösungsmittel löslich ist. Beispiele solcher Polymerionenaustauschkomponenten, die verwendet werden können, sind die verschiedenen sulfonierten aromatischen Kohlenwasserstoffpolymere, die in der oben beschriebenen Tabelle 1 gezeigt sind. Beispiele von Lösungsmitteln, die verwendet werden können, sind polaren Lösungsmittel, die in der oben beschriebenen Tabelle 2 gezeigt sind.
Die Russpartikel, die in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 verwendet werden, können ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine adsorbierte Menge Dampf, d.h. eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g war.
Wenn die Russpartikel ein Wasserbindungsvermögen aufweisen, erfolgt die Erzeugung von Wasser, das Zurückbehalten des erzeugten Wassers und die Diffusion des erzeugten Wassers zurück zu der Elektrolytmembran 2 in der Luftelektrode 3. Das zurück zu der Elektrolytmembran 2 diffundierte Wasser wird als Wasser verwendet, das die Protonenbewegung innerhalb der Elektrolytmembran 2 mitreisst und zusätzlich in die Brennstoffelektrode 4 hineinfliesst und dort zurückbehalten wird. Da die Luftelektrode 3 und die Brennstoffelektrode 4 das Wasser immer auf die obige Art und Weise zurückbehalten, wird ein Nasszustand der Elektrolytmembran 2 sichergestellt und die Rückdiffusion des erzeugten Wassers und das Mitführen von Protonen erfolgt wiederholt in der Membran 2. Folglich ist die Leitung von Protonen ohne Befeuchten sichergestellt. Eine überschüssige Menge an Wasser in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 wird nach aussen abgeführt.
Das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c liegt im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25, wenn W_p für das Gewicht der in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 inkorporierten Russpartikel steht.
Wenn das Verhältnis W_p/W_c zwischen den Gewichten W_p und W_c in einem solchen Bereich liegt, kann die Dicke jeder Luftelektrode 3 und jeder Brennstoffelektrode 4 verkleinert werden, um die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen und die Zunahme der Widerstandsüberspannung kann verhindert werden, um die energieerzeugende Leistung zu erhöhen.
Spezielle Beispiele werden unten beschrieben.
I. Herstellung der Elektrode
Platin (Pt)-Partikel wurden auf Russpartikeln (unter dem Markennamen Vulcan XC-72) getragen, die ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich 370 cm³/g war, wodurch Katalysatorpartikel hergestellt wurden. Der Gehalt der Pt-Partikel in den Katalysatorpartikeln betrug 50 Gew.-%.
[BEISPIEL I]
Das in Tabelle 1 als BEISPIEL 1 gezeigte sulfonierte PEEK wurde als aromatische Kohlenwasserstoffpolymerionenaustauschkomponente hergestellt und in NMP, das in Tabelle 2 gezeigt ist, unter Rückfluss gelöst. Der Gehalt von sulfoniertem PEEK in der Lösung betrug 6 Gew.-%. Die Katalysatorpartikel wurden in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung gemischt, so dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel gleich 0,2 war. Dann wurden die Katalysatorpartikel unter Verwendung einer Kugelmühle in die das sulfonierte PEEK enthaltende Lösung dispergiert, um eine Suspension für eine Elektrode herzustellen. Die Suspension wurde jeweils auf eine Oberfläche von mehreren porösen Kohlepapieren aufgebracht, so dass der Gehalt an Pt 0,5 mg/cm² betrug. Die Suspension auf jedem Papier wurde dann getrocknet, um eine Elektrode mit einer Diffusionsschicht bereitzustellen. Diese Elektroden werden als Beispiel (30) bezeichnet.
(BEISPIEL II)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,4 betrug, wodurch mehrere Elektroden mit jeweils einer Diffusionsschicht erzeugt wurden. Diese Elektroden werden als Beispiel (31) bezeichnet.
(BEISPIEL III)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,6 betrug, wodurch mehrere Elektroden mit jeweils einer Diffusionsschicht erzeugt wurden. Diese Elektroden werden als Beispiel (32) bezeichnet.
(BEISPIEL IV)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 0,8 betrug, wodurch mehrere Elektroden mit jeweils einer Diffusionsschicht erzeugt wurden. Diese Elektroden werden als Beispiel (33) bezeichnet.
(BEISPIEL V)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,25 betrug, wodurch mehrere Elektroden mit jeweils einer Diffusionsschicht erzeugt wurden. Diese Elektroden werden als Beispiel (34) bezeichnet.
(BEISPIEL VI)
Ein Verfahren, das ähnlich zu demjenigen in BEISPIEL I ist, wurde durchgeführt, ausser, dass das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel 1,75 betrug, wodurch mehrere Elektroden mit jeweils einer Diffusionsschicht erzeugt wurden. Diese Elektroden werden als Beispiel (35) bezeichnet.
II. Elektroden betreffende Überlegungen
Tabelle 22 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p des inkorporierten sulfonierten PEEK zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel und der Wasserretention der Elektrode für die Elektrodenbeispiele (30) bis (35). Die Wasserretention wurde ebenfalls anhand der unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C durch eine Gasadsorptionsvorrichtung adsorbierte Wassermenge berechnet.
Tabelle 22
22 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 22 angefertigt wurde und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Wasserretention der Elektrode zeigt. Aus 22 ist ersichtlich, dass die Wasserretention der Elektrode mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 23 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Dicke der Elektrode für die Elektrodenbeispiele (30) bis (35).
Tabelle 23
23 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 23 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Dicke der Elektrode zeigt. Aus 23 ist ersichtlich, dass die Dicke der Elektrode mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 24 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel für die Elektrodenbeispiele (30) bis (35).
Tabelle 24
Die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel wurde wie oben beschrieben berechnet.
24 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 24 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und der Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 24 ist ersichtlich, dass die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 25 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel für die Elektrodenbeispiele (30) bis (35).
Tabelle 25
Der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel wurde bestimmt wie oben beschrieben.
25 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 25 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte und dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel zeigt. Aus 25 ist ersichtlich, dass der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel mit einer Zunahme des Verhältnisses W_p/W_c ansteigt.
Tabelle 26 zeigt die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke der Elektrode für die Elektrodenbeispiele (30) bis (35).
Tabelle 26
26 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 26 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen dem Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel und der Dicke der Elektrode zeigt. Aus 26 ist ersichtlich, dass die Dicke der Elektrode mit einer Zunahme des Dispersionsgrades D der Katalysatorpartikel ansteigt.
III. Energieerzeugende Leistung der Brennstoffzelle
Eine Elektrolytmembran 2 mit einer Dicke von 50 μm wurde unter Verwendung eines sulfonierten PEEK, das ähnlich zu demjenigen ist, das bei der Herstellung der Elektrode verwendet wurde, gebildet. Es wurden zwei Sätze der Elektrodenbeispiele (30) bis (35) hergestellt und einer der Sätze wurde als Beispiele (30) bis (35) der Luftelektroden 3 definiert und der andere Satz wurde als Beispiele (30) bis (35) der Brennstoffelektroden 4 definiert. Die Beispiele (30) bis (35) der Luftelektroden 3 und die Beispiele (30) bis (35) der Brennstoffelektroden 4 wurden kombiniert, so dass jedes der Beispiele (30) bis (35) der Luftelektroden 3 mit den Beispielen (30) bis (35) der Brennstoffelektroden 4 gepaart wurde. Insbesondere wurden, was das Beispiel (1) angeht, die folgenden Kombinationen durchgeführt: eine Kombination von Beispiel (30) mit Beispiel (30); eine Kombination von Beispiel (30) mit Beispiel (31); ... eine Kombination von Beispiel (30) mit Beispiel (34) und eine Kombination von Beispiel (30) mit Beispiel (35). Auf diese Art und Weise wurden 36 Sätze von Elektrodenpaaren verglichen. Die Elektrolytmembran 2 wurde zwischen jedem Elektrodenpaar aufgenommen, nämlich, jedem Satz der Luftelektrode 3 und der Brennstoffelektrode 4 und einem Heisspressen unter Bedingungen von 140 °C, 1,5 MPa und einer Minute unterzogen, um eine Membranelektrodenanordnung 9 zu erzeugen. Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 wurde unter Verwendung jeder Membranelektrodenanordnung 9 zusammengebaut und ohne Befeuchten zur Energieerzeugung verwendet und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung wurde gemessen. In diesem Fall wurde eine Klemmenspannung bei einer hohen Stromdichte von 0,8 A/cm² als Vergleichswert für die Klemmenspannung jeder Zelle verwendet, da aufgrund der Diffusion von Wasser ein grosser Einfluss auf die Klemmenspannung ausgeübt wurde.
Tabelle 27 zeigt das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte, die Kombination der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode in jeder Zelle und die Klemmenspannung bei 0,8 A/cm² für die Beispiele (30) bis (35) der Luft- und Brennstoffelektroden. Tabelle 27

Bsp. = Beispiel

27 ist ein Diagramm, das basierend auf Tabelle 27 angefertigt wurde und die Beziehung zwischen der Kombination der Luft- und Brennstoffelektroden 3 und 4 und der Klemmenspannung zeigt. Wie aus der Tabelle 27 und der 27 ersichtlich, kann, falls die Kombinationen zwischen den Beispielen (31) bis (34) der Luftelektroden und den Beispielen (31) bis (34) der Brennstoffelektroden durchgeführt werden, die energieerzeugende Leistung jeder Festpolymerbrennstoffzelle erhöht werden, wenn die Festpolymerbrennstoffzelle in einem nicht-befeuchteten Zustand betrieben wurde.
Zum Vergleich wurden zwei Elektrodenbeispiele (36), die jeweils eine Diffusionsschicht enthielten und ein Verhältnis W_p/W_c der Gewichte von 0,6 aufwiesen, auf eine Art und Weise hergestellt, die ähnlich zu derjenigen im oben beschriebenen BEISPIEL-III ist, wobei Katalysatorpartikel verwendet wurden, die ähnlich zu den oben beschriebenen sind, ausser, dass Russpartikel (mit dem Markennamen Vulcan XC-72) mit einem derartigen Wasserabweisungsvermögen verwendet wurden, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge gleich 72 cm³/g war.
Die zwei Beispiele (36) wurden als Luftelektrode 3 und Brennstoffelektrode 4 verwendet, um eine Elektrolytmembran/Elektrodenanordnung 9 zu erzeugen. Eine Festpolymerbrennstoffzelle 1 wurde unter Verwendung der Elektrolytmembran/Elektrodenanordnung 9 zusammengebaut und ohne Befeuchten zur Energieerzeugung verwendet und die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Klemmenspannung wurde gemessen. Als Ergebnis wurde ermittelt, dass die Klemmenspannung bei einer Stromdichte von 0,8 A/cm² 0,605 V betrug. Es ist klar, dass diese Klemmenspannung etwa 12% niedriger ist als die Klemmenspannung von 0,690 V im Fall der Kombination von Beispiel (32) mit Beispiel (32), die in Tabelle 27 gezeigt ist.
Ausgehend von dieser Tatsache ist es klar, dass die Russpartikel ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge gleich oder grösser als 150 cm³/g war und das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegen muss.
Die Dicke t der Elektrode liegt im Bereich von 5 μm ≤ t ≤ 8 μm, wie in der Tabelle 23 gezeigt; die Beschichtungsrate C_c der Katalysatorpartikel liegt im Bereich von 91 % ≤ C_c ≤ 98%, wie in Tabelle 24 gezeigt und ausserdem liegt der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel im Bereich von 3% ≤ D ≤ 8%, wie in der Tabelle 25 gezeigt, wenn das Verhältnis W_p/W_c der inkorporierten Gewichte in einem solchen Bereich liegt.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und zahlreiche Modifikationen können eingeführt werden ohne dabei vom in den Ansprüchen definierten Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Eine Festpolymerbrennstoffzelle umfasst eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist. Jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode kann aus einer Polymerionenaustauschkomponente und mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, gebildet sein und schliesst keine dritte Komponente ein. Wenn das Befeuchten für das Aufrechterhalten des Nasszustandes der Elektrolytmembran sowohl von der Seite der Luftelektrode als auch von der Seite der Brennstoffelektrode erfolgt, weisen die Russpartikel ein derartiges Wasserabweisungsvermögen auf, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel liegt im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25.

Claims

Festpolymerbrennstoffzelle, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle sowohl von der Seite der Luftelektrode als auch von der Seite der Brennstoffelektrode befeuchtet wird, wobei die Russpartikel ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c des Gewichtes W_p der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente zu dem Gewicht W_c der inkorporierten Russpartikel im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der inkorporierten Russpartikel steht.
Festpolymerbrennstoffzelle, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle nur von der Seite der Luftelektrode befeuchtet wird, wobei die Russpartikel in der Luftelektrode ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,2 ≤ W_p/W_c ≤ 0,8 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Russpartikel steht und wobei die Russpartikel in der Brennstoffelektrode ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,6 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Russpartikel steht.
Festpolymerbrennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Polymerionenaustauschkomponente in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode ein sulfoniertes aromatisches Kohlenwasserstoffpolymer ist und wobei der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel in der Luftelektrode im Bereich von 2% ≤ D ≤ 7% liegt und der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel in der Brennstoffelektrode im Bereich von 5% ≤ D ≤ 8% liegt, wobei jeder der Dispersionsgrade D der Katalysatorpartikel gemäss D = ({(Ts/Tp) – (As/Ap)}/(Ts/Tp)) × 100 (%)bestimmt wird, wobei T_p für eine theoretische Konzentration eines Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln steht; T_s für eine theoretische Schwefel (S)-Konzentration in der sulfonierten Substanz steht; A_p für eine tatsächliche Konzentration des Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln steht; und A_s für eine tatsächliche Schwefel (S)-Konzentration in der sulfonierten Substanz steht.
Festpolymerbrennstoffzelle, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle nur von der Seite der Brennstoffelektrode befeuchtet wird, wobei die Russpartikel in der Brennstoffelektrode ein derartiges Wasserabweisungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder kleiner als 80 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,2 ≤ W_p/W_c ≤ 0,8 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Brennstoffelektrode inkorporierten Russpartikel steht und wobei die Russpartikel in der Luftelektrode ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,6 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der in der Luftelektrode inkorporierten Russpartikel steht.
Festpolymerbrennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die Polymerionenaustauschkomponente in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode ein sulfoniertes aromatisches Kohlenwasserstoffpolymer ist und wobei der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel in der Brennstoffelektrode im Bereich von 2% ≤ D ≤ 7% liegt und der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel in der Luftelektrode im Bereich von 5% ≤ D ≤ 8% liegt, wobei jeder der Dispersionsgrade D der Katalysatorpartikel gemäss D = ({(Ts/Tp) – (As/Ap)}/(Ts/Tp)) × 100 (%)bestimmt wird, wobei T_p für eine theoretische Konzentration eines Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln steht; T_s für eine theoretische Schwefel (S)-Konzentration in der sulfonierten Substanz steht; A_p für eine tatsächliche Konzentration des Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln steht; und A_s für eine tatsächliche Schwefel (S)-Konzentration in der sulfonierten Substanz steht.
Festpolymerbrennstoffzelle, umfassend eine Elektrolytmembran mit einer Polymerionenaustauschkomponente und eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode, zwischen welchen die Elektrolytmembran aufgenommen ist, wobei jede Luftelektrode und jede Brennstoffelektrode aus mehreren Katalysatorpartikeln, umfassend ein Katalysatormetall, das auf den Oberflächen von Russpartikeln getragen wird, und einer Polymerionenaustauschkomponente gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle ohne Befeuchter betrieben wird, wobei die Russpartikel ein derartiges Wasserbindungsvermögen aufweisen, dass eine unter gesättigtem Dampfdruck bei 60 °C adsorbierte Wassermenge A gleich oder grösser als 150 cm³/g ist und das Verhältnis W_p/W_c der Gewichte W_p und W_c im Bereich von 0,4 ≤ W_p/W_c ≤ 1,25 liegt, wenn W_p für das Gewicht der inkorporierten Polymerionenaustauschkomponente steht und W_c für das Gewicht der inkorporierten Russpartikel steht.
Festpolymerbrennstoffzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei die Polymerionenaustauschkomponente in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode ein sulfoniertes aromatisches Kohlenwasserstoffpolymer ist und wobei der Dispersionsgrad D der Katalysatorpartikel in jeder Luftelektrode und jeder Brennstoffelektrode im Bereich von 3% ≤ D ≤ 8% liegt, wobei jeder der Dispersionsgrade D der Katalysatorpartikel gemäss D = ({(Ts/Tp) – (As/Ap)}/(Ts/Tp)) × 100 (%)bestimmt wird, wobei T_p für eine theoretische Konzentration eines Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln steht; T_s für eine theoretische Schwefel (S)-Konzentration in der sulfonierten Substanz steht; A_p für eine tatsächliche Konzentration des Katalysatormetalls in den Katalysatorpartikeln steht; und A_s für eine tatsächliche Schwefel (S)-Konzentration in der sulfonierten Substanz steht.