DE102004052029A1

DE102004052029A1 - Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102004052029A1
Application number: DE102004052029A
Authority: DE
Inventors: Osamu Hiroi; Hisatoshi Fukumoto; Shoji Yoshioka; Hideo Maeda; Hiroaki Urushibata; Hironori Kuriki; Takashi Nishimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: CN1612391A; US7534517B2; US20050123819A1; CN1322619C; DE102004052029B4

Abstract

Eine Flüssigkeitszelle enthält einen Membranelektrodenverbundkörper (1), bei dem eine Kathodenkatalysatorschicht (8) und eine Anodenkatalysatorschicht (7) an Mittelabschnitte von zwei Oberflächen einer Festpolymerelektrodenmembran (6) angeschlossen und weiter beidseitig zwischen einem Brennstoffelektrodensubstrat (10) mit einer größeren Oberfläche als die der Kathodenkatalysatorschicht (8) und einem Oxidationsmittelelektrodensubstrat (9) mit einer größeren Oberfläche als die der Anodenkatalysatorschicht (7) gehalten sind, wobei Poren eines Brennstoff abdichtenden Halteabschnitts (12), der die Kathodenkatalysatorschicht (8) in dem Brennstoffelektrodensubstrat (10) umgibt, teilweise oder ganz mit einem Harz gefüllt sind; Poren eines Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitts (11), der die Anodenkatalysatorschicht (7) in dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat (9) umgibt, teilweise oder ganz mit dem Harz gefüllt sind; und der Brennstoff abdichtende Halteabschnitt (12) und der Oxidationsmittel abdichtende Halteabschnitt (11) durch das Harz mit der Festpolymerelektrolytmembran (6) verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, die eine elektrochemische Reaktion verwendet, um elektrische Leistung zu erzeugen, sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Brennstoffzellen sind Vorrichtungen zum Umwandeln von chemischer Energie direkt in elektrische Energie, indem eine Elektrolytmembran zwischen einem Paar einander gegenüberliegender erster und zweiter Elektroden eingefügt wird, der ersten Elektrode ein Brennstoff und der zweiten Elektrode und ein Oxidationsmittel zugeführt wird und ermöglicht wird, dass der Brennstoff und das Oxidationsmittel innerhalb der Brennstoffzelle elektrochemisch reagieren. Unter diesen Brennstoffzellen können Festpolymerbrennstoffzellen gute Ausgangseigenschaften erzielen, weil sie für die Elektrolytmembran Feststoffpolymerelektrolytmembranen mit Protonenleitfähigkeit verwenden.

Die elektrochemischen Reaktionen in diesen Festpolymerbrennstoffzellen werden durch kontinuierliches Zuführen eines Reak tionsgases aufrechterhalten. Die Ionenleitfähigkeit der Elektrolytmembran, die bei diesen elektrochemischen Reaktionen eine wichtige Rolle spielt, ist im allgemeinen proportional zu dem Wassergehalt der Festpolymerelektrolytmembran. Da weiterhin der Wassergehalt der Festpolymerelektrolytmembran von der Feuchtigkeit des Reaktionsgases abhängt, wird das Reaktionsgas während des Betriebs befeuchtet. Es ist auch erforderlich, die zu der ersten und der zweiten Elektrode strömenden Gase abzudichten, um Lecken nicht nur zu äußeren Abschnitten, sondern auch zwischen der ersten und der zweiten Elektrode zu vermeiden. Da die Festpolymerelektrolytmembran eine Rolle beim Verhindern des Lecken des Reaktionsgases zwischen der ersten und der zweiten Elektrode spielt, erstreckt sich die Festpolymerelektrolytmembran bis zu äußeren Peripherieabschnitten eines Elektrodenabschnitts, um zu verhindern, dass eine Gasabdichtung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode beeinträchtigt wird.

Da sich die Festpolymerelektrolytmembran jedoch zusammenzieht, wenn sie austrocknet, und anschwillt, wenn sie Feuchtigkeit absorbiert, wirken auf die Festpolymerelektrolytmembran bei wiederholtem Arbeiten und Ruhen Spannungen. Wenn Luft mit geringer Luftfeuchtigkeit durch einen Oxidationsmittelzuführanschluss zugeführt wird, trocknet außerdem die Festpolymerelektrolytmembran in einem Stromaufwärtsabschnitt des Luftstromkanals, und die Festpolymerelektrolytmembran ist in ihrem Stromabwärtsbereich nass durch das bei der Reaktion erzeugte Wasser. Weil auf diese Weise Spannungen auf die Festpolymerelektrolytmembran einwirken, gab es ein Risiko, dass die Festpolymerelektrolytmembran beschädigt wird, es sei denn, die Festpolymerelektrolytmembran wird zuverlässig gestützt.

Außerdem tritt ein Schaden an der Elektrolytmembran oft in Abschnitten der Elektrolytmembran auf, die an einer Grenze zwischen einem Leistungserzeugungsabschnitt und einem Gasabdichtungsabschnitt liegen. Eine der Gründe, die dafür angegeben werden können, ist die Verformung und Konzentrationen lokaler Spannungen in der Elektrolytmembran an dem Grenzbereich zwischen dem Leistungserzeugungsabschnitt und dem Gasabdichtungsabschnitt aufgrund der Tatsache, dass zumindest eine Seite der Elektrolytmembran nicht fixiert ist. Insbesondere wenn die Elektrolytmembran in diesem Abschnitt einem nassen Reaktionsgas ausgesetzt ist, tritt eine Beschädigung der Elektrolytmembran aufgrund der Belastungen, die die Kontraktion usw. der Elektrolytmembran begleiten, eher auf. Ein anderer Grund, der angegeben werden kann, sind die Konzentrationen von Spannungen, die aus der Nichtgleichförmigkeit des Wassergehalts in der Elektrolytmembran resultieren. Anders ausgedrückt wird die Elektrolytmembran eher durch das Reaktionsprodukt Wasser in dem Leistungserzeugungsabschnitt benässt, wohingegen die Elektrolytmembran in dem Gasabdichtungsabschnitt eher austrocknet.

Wenn die Elektrolytmembran reißt oder auf diese Weise Nadellöcher gebildet werden, kann Gas dadurch zwischen der ersten und der zweiten Elektrode lecken, was die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verringert. Außerdem kann sich der Schaden an der Elektrolytmembran ausbreiten, wenn der Betrieb ohne Eingriff fortgeführt wird, weil die Leckrate des Gases ansteigen wird, es an einem Katalysator reagieren wird und die Temperatur teilweise ansteigen wird. Somit wird die Brennstoffzelle aufhören, zu funktionieren.

Somit können in bekannten Brennstoffzellen Abschnitte von gasdurchlässigen porösen Elektroden, die mit einem Dichtungsmittel überlappen, durch das Dichtungsmittel imprägniert sein (s. z.B. Japanische Patentoffenlegungsschrift 8-45517).

Es können auch Vorgänge auf die Festpolymerelektrolytmembran angewendet werden, um zu ermöglichen, dass die Festpolymerelektrolytmembran zuverlässig gestützt ist. Die Festpolymerelektrolytmembran hat z.B.: einen stromführenden Abschnitt mit einer größeren Oberfläche als die erste und die zweite Elektrode, die die erste und die zweite Elektrode kontaktiert; und einen nichtstromführenden Abschnitt, der die erste und die zweite Elektrode nicht kontaktiert. In einem Grenzabschnitt zwischen diesem stromführenden Abschnitt und dem nichtstromführenden Abschnitt kann ein Verstärkungsmaterial enthalten sein. Ein Fluor enthaltendes Polymer kann für dieses Verstärkungsmaterial verwendet werden (s. z.B. Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-260443).

Spannungen sind jedoch auf einen Grenzabschnitt zwischen dem stromführenden Abschnitt der Festpolymerelektrolytmembran und dem durch das Verstärkungsmaterial verstärkten nichtstromführenden Abschnitt konzentriert, und es bestand das Risiko, dass ein Riss entlang diesem Grenzabschnitt auftreten kann.

Somit kann ein Elektrodensubstrat, das die Festpolymerelektrolytmembran stützt, verstärkt werden, um zu ermöglichen, dass die Festpolymerelektrolytmembran zuverlässig gestützt wird. Das Elektrodensubstrat hat z.B. eine Oberfläche, die mit der der Festpolymerelektrolytmembran identisch ist, und ein peripherer Kantenabschnitt des Elektrodensubstrats ist durch ein von einem Kleber gebildeten Dichtungsmittel gedichtet. Die Festpolymerelektrolytmembran wird von diesem gedichteten Randkantenabschnitt getragen und bildet eine Gasabdichtung. Die Verdichtung kann unter Verwendung einer Polytetrafluorethylendispersion als Verdichtungsmittel durchgeführt werden durch Imprägnieren des Randkantenabschnitts und anschließendes Entfernen eines Lösungsmittels (s. z.B. Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-148170).

Ein anderes Verfahren zum Verstärken des Elektrodensubstrats besteht darin, einen Abdichtbereich, der den Leistungserzeugungsabschnitt der Elektroden umgibt, mit einer spritzgießbaren wärmehärtenden flüssigen Verbindung zu imprägnieren und sie auszuhärten (s. z.B. Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-510932).

Wie in dem Patentdokument 3 offenbart, kann die Verdichtung des Elektrodensubstrats durchgeführt werden durch Imprägnieren des Elektrodensubstrats mit einer Polytetrafluorethylendispersion, die als Verdichtungsmittel wirkt, und durch anschließendes Entfernen eines Lösungsmittels. Ein Problem bestand jedoch darin, dass in einem Harz, das durch Durchführen einer Imprägnation und anschließendes Entfernen des Lösungsmittels gehärtet wurde, miteinander in Verbindung stehende Poren verbleiben, was es schwierig macht, den Brennstoff und das Oxidationsgas abzudichten. Da die Festpolymerelektrolytmembran gestapelt wird, nachdem das Elektrodensubstrat verdichtet wurde, bestand ein anderes Problem darin, dass es schwierig ist, die Gase vollständig abzudichten, da die Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran lediglich in Kontakt mit der Oberflächen des verdichteten Abschnitts des Elektrodensubstrats steht und nicht mit ihr verbunden ist.

Wie in dem Patentdokument 4 dargestellt, kann eine integrale Abdichtung auch durch Imprägnieren eines Abschnitts einer Elektrodenschicht einer Membranelektrodenbaugruppe mit einer spritzgießbaren wärmehärtenden flüssigen Verbindung als Abdichtmaterial und durch deren Aushärten durchgeführt werden. Da jedoch für die Elektrodenabschnitte elektrische Leitfähigkeit und Gasdiffusionsfähigkeit erforderlich sind, werden im allgemeinen poröse Karbonmaterialien verwendet. Aus diesem Grund bestand ein anderes Problem darin, dass es schwierig ist, die flüssige Verbindung nur in den Abdichtungsabschnitt der Elektroden mit kompletter Vakuumimprägnation einzuspritzen, und es tritt auch in den elektrochemisch aktiven Bereich ein, wodurch die Fläche des aktiven Bereichs verringert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die einen Abdichtungsabschnitt für ein Elektrodensubstrat aufweist, der zuverlässig eine Gasabdichtung bildet und eine Solidpolymerelektrolytmembran gleichförmig stützt, während er einen zufriedenstellenden elektrochemisch aktiven Bereich sicherstellt, und ein Verfahren für ihre Herstellung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß Anspruch 17. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Brennstoffzelle enthält: einen Membranelektrodenverbundkörper, bei dem eine Kathodenkatalysatorschicht und eine Anodenkatalysatorschicht an Mittelabschnitte von zwei Oberflächen einer Festpolymerelektrolytmembran anschließen und weiter beidseitig zwischen einem Brennstoffelektrodensubstrat mit einer größeren Oberfläche als die der Kathodenkatalysatorschicht und einem Oxidationsmittelelektrodensubstrat mit einer größeren Oberfläche als die Anodenkatalysatorschicht gehalten sind, wobei Poren eines Brennstoff abdichtenden Halteabschnitts, der die Kathodenkatalysatorschicht in dem Brennstoffelektrodensubstrat umgibt, teilweise oder ganz mit einem Harz gefüllt sind, Poren eines Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitts, der die Anodenkatalysatorschicht in dem Oxidationsmittelelektrodensubstrats umgibt, ganz oder teilweise mit dem Harz gefüllt sind, und der Brennstoff abdichtende Halteabschnitt und der Oxidationsmittel abdichtende Halteabschnitt durch das Harz mit der Festpolymerelektrolytmembran verbunden sind.

Da in der Brennstoffzelle Elektrodensubstrate zum Stützen der Festpolymerelektrolytmembran enthalten sind, um lokale Verformungen und Spannungskonzentrationen zu verhindern, während zuverlässig eine Gasabdichtung gebildet wird, kann eine Beschädi gung der Festpolymerelektrolytmembran verhindert werden. Da die Gasabdichtung zuverlässig ist wird die Lebensdauer durch Verringerung einer Unterspannung in der Brennstoffzelle verlängert, und die Sicherheit wird verbessert, in dem die Verbrennung von Brennstoffgas und eine unnormale Überhitzung der Brennstoffzelle verhindert werden.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm, das eine Harzschicht und eine Elektrodensubstratplatte zeigt, die in einer Heißpresse eingesetzt sind, um ein Elektrodensubstrat mit Harz zu füllen.
3 ist ein Diagramm, das einen in einer Heißpresse gefertigten Membranelektrodenverbundkörper zeigt.
4 zeigt einen Schnitt durch eine Untersuchungszelle.
5 ist eine Tabelle, die Untersuchungsergebnisse zeigt.
6 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel.
7 ist ein Diagramm, das einen Membranelektrodenverbundkörper und Begrenzungsplatten zeigt, die in einer Heißpresse miteinander verbunden werden.
8 zeigt einen Schnitt durch einen Membranelektrodenverbundkörper gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Beispiel.
9 ist eine Tabelle, die eine Leerlaufspannung zu Beginn der Leistungserzeugung und nach 2.000 Stunden in Abhängigkeit von der Verbindungsweite zeigt.
10 zeigt einen Schnitt durch einen Membranelektrodenverbundkörper gemäß einem fünften erfindungsgemäßen Beispiel.
11 zeigt einen Schnitt durch einen Membranelektrodenverbundkörper gemäß einem sechsten erfindungsgemäßen Beispiel.
12 zeigt einen Schnitt durch eine Einzelzelle gemäß einem siebten erfindungsgemäßen Beispiel.
13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Abschälkraft und einer Leerlaufunterspannung nach 2.000 Stunden in einer Einzelzelle zeigt, die einen Membranelektrodenverbundkörper gemäß einem achten erfindungsgemäßen Beispiel verwendet.
14 zeigt einen Schnitt durch eine Einzelzelle gemäß einem neunten erfindungsgemäßen Beispiel.
15 zeigt einen Schnitt durch die Einzelzelle in dem Abschnitt B-B in 14.
16 zeigt einen Schnitt durch die Einzelzelle in dem Abschnitt C-C in 14.
17 zeigt einen Schnitt durch die Einzelzelle in dem Abschnitt D-D in 14.
18 zeigt einen Schnitt durch eine Einzelzelle gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel.
19 zeigt eine Draufsicht auf eine Brennstoffbegrenzungsplatte, die in einer Einzelzelle gemäß einem zehnten erfindungsgemäßen Beispiel verwendet wird, gesehen von einer Oberfläche aus, die mit einem Membranelektrodenverbundkörper in Kontakt ist.
20 zeigt einen Schnitt durch die Brennstoffbegrenzungsplatte in dem Abschnitt E-E in 19.
21 zeigt eine Draufsicht auf eine Oxidationsmittelbegrenzungsplatte, die in der Einzelzelle gemäß dem zehnten erfindungsgemäßen Beispiel verwendet wird, gesehen von einer Seite aus, die der Oberfläche gegenüberliegt, die mit dem Membranelektrodenverbundkörper in Kontakt ist.
22 zeigt einen Schnitt durch die Einzellzelle gemäß dem zehnten erfindungsgemäßen Beispiel in einem ähnlichen Abschnitt E-E wie in 19.
23 zeigt die Stapelung einer Einzelzelle gemäß einem elften erfindungsgemäßen Beispiel.
Mit Bezug auf die Zeichnungen wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Festpolymerbrennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine Einzelzelle dieser Festpolymerbrennstoffzelle (im folgenden "Brennstoffzelle" genannt) enthält einen Membranelektrodenverbundkörper 1 sowie eine elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und eine elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3, die zusammen den Membranelektrodenverbundkörper 1 von zwei Seiten halten.
Der Membranelektrodenverbundkörper 1 enthält: einen Leistungserzeugungsabschnitt 4 zum Erzeugen elektrischer Leistung, indem als Brennstoff wirkender Wasserstoff zu Protonen ionisiert wird, die Protonen als Ionen geleitet werden und die Protonen mit als Oxidationsmittel wirkendem Sauerstoff oxidiert werden; und einen Dichtungsabschnitt 5, der einen Rand des Leistungserzeugungsabschnitts 4 umgibt, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel abzudichten.
Der Membranelektrodenverbundkörper 1 enthält: eine protonenleitfähige Festpolymerelektrolytmembran 6 (im folgenden "Elektrolytmembran" genannt), die sich über eine gesamte Fläche des Leistungserzeugungsabschnitts 4 und des Dichtungsabschnitts 5 erstreckt; eine Anodenkatalysatorschicht 7, die mit einem Mittelabschnitt einer ersten Oberfläche der Elektrolytmembran 6 in Kontakt ist und in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 angeordnet ist; eine Kathodenkatalysatorschicht 8, die mit einem Mittelabschnitt einer zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran 6 in Kontakt ist und in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 angeordnet ist; einem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9, das in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 und dem Dichtungsabschnitt 5 angeordnet ist und die Anodenkatalysatorschicht 4 bedeckt; und ein Brennstoffelektrodensubstrat 10, das in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 und dem Dichtungsabschnitt 5 bereitgestellt ist und die Kathodenkatalysatorschicht 8 bedeckt. Ein Oxidationsmittel abdichtender Halteabschnitt 11 des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 und ein Brennstoff abdichtender Halteab schnitt 12 des Brennstoffelektrodensubstrats 10, die in dem Dichtungsabschnitt 5 angeordnet sind, sind mit einem thermoplastischen Harz gefüllt.
Die Elektrolytmembran 6 ist jeweils durch ein thermoplastisches Harz an einer Grenzfläche 13 mit dem Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt 11 und an einer Grenzfläche 14 mit dem Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt 12 verbunden. Außerdem sind die elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und der Oxidationsmittel abdichtende Halteabschnitt 11 an einer Grenzfläche 15 durch ein thermoplastisches Harz miteinander verbunden. Außerdem sind die elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3 und der Brennstoff abdichtende Halteabschnitt 12 an einer Grenzfläche 16 durch ein thermoplastisches Harz miteinander verbunden.
Ein Oxidationsmittelgaskanal 17 zum Führen des Oxidationsmittel ist auf einer dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 zugewandten Oberfläche der elektrisch leitenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 bereitgestellt. Außerdem ist ein Brennstoffgaskanal 18 zum Führen des Brennstoffes auf einer dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 zugewandten Oberfläche der elektrisch leitenden Brennstoffbegrenzungsplatte 3 bereitgestellt. Dieser Oxidationsmittelgaskanal 17 erstreckt sich zu äußeren Randabschnitten 19 der elektrisch leitenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und ist außerdem mit Öffnungen ausgerichtet, die durch den äußeren Randabschnitte 19 der elektrisch leitenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 in einer Dickenrichtung bereitgestellt sind. Wenn eine Mehrzahl von Einzelzellen gestapelt sind, fluchten diese Öffnungen mit Öffnungen, die in der elektrisch leitenden Brennstoffbegrenzungsplatte 3 der oberhalb und unterhalb gestapelten Einzelzellen bereitgestellt sind, und zusätzlich fluchten sie daraufhin mit Öffnungen, die in der elektrisch leitenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 oberhalb angeordnet sind. Eine Öffnung, die in der elektrisch lei tenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 der oberste Einzelzelle auf dem Stapel bereitgestellt ist, wirkt als Oxidationsmittelzuführanschluss, und das Oxidationsmittel wird von dort zugeführt. In ähnlicher Weise wirkt eine Öffnung, die in der elektrisch leitenden Brennstoffbegrenzungsplatte 3 der Einzelzelle an der unteren Stelle des Stapels angeordnet ist, als Oxidationsmittelauslassanschluss, und überschüssiges Oxidationsmittel wird von dort abgelassen. Der Brennstoff wird ebenfalls in ähnlicher Weise zugeführt und abgelassen.
Als Elektrolytmembran 6 kann eine beliebige Elektrolytmembran verwendet werden, die eine hervorragende Langzeitstabilität in einer Umgebung innerhalb einer Brennstoffzelle, eine hohe Gasundurchdringlichkeit, eine hohe Protonenleitfähigkeit und eine niedrige Elektronenleitfähigkeit aufweist. Im allgemeinen werden Festpolymerelektrolytmembranen verwendet, die aus Perfluorhauptketten und Sulphonsäuregruppen zusammengesetzt sind.
Die Kathodenkatalysatorschicht 8 und die Anodenkatalysatorschicht 7 bestehen aus Katalysatorteilchen und Polymerelektrolyten zum Durchführen eines Protonenaustauschs mit den Katalysatorteilchen. Es ist auch möglich, nach Bedarf Zusätze hinzuzumischen wie Mineralteilchen, Polymerteilchen oder Karbonteilchen usw. Diese Zusätze können geeignet verwendet werden mit den Zielen des Steuerns der Hydropholie bzw. Hydrophobie in der Kathodenkatalysatorschicht 8 und der Anodenkatalysatorschicht 7 oder des Verbesserns der Porosität der Kathodenkatalysatorschicht 8 oder der Anodenkatalysatorschicht 7 usw.
Die Kathodenkatalysatorschicht 8 und die Anodenkatalysatorschicht 7 sind jeweils zwischen der Elektrolytmembran 6 und dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 bzw. zwischen der Elektrolytmembran 6 und dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 angeordnet. Verfahren zum Bilden dieser Kathodenkatalysatorschicht 8 und der Anodenkatalysatorschicht 7 enthalten: ihr direktes Bil den auf der Elektrolytmembran; ihr Bilden auf einem separaten Substrat und anschließend ihr Übertragen auf die Elektrolytmembran 6; und ihr Bilden auf dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 und anschließend ihr in Kontakt bringen mit der Elektrolytmembran 6. In der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges Katalysatorschichtbildungsverfahren verwendet werden.
Als Katalysatorpartikel werden im allgemeinen katalytisch aktive Metallmikropartikel wie z.B. Platin und dergleichen verwendet, die auf Oberflächen von Rußpartikeln gehalten werden.
Als Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und Brennstoffelektrodensubstrat 10, die die Rolle von Diffusionsschichten spielen, die zum Zuführen des Oxidationsmittels und des Brennstoffs zu dem Kathodenkatalysator 8 und dem Anodenkatalysator 7 verwendet werden, kann ein beliebiger elektrisch leitender poröser Körper verwendet werden, der in der Umgebung innerhalb der Brennstoffzelle stabil ist. Im allgemeinen werden poröse Körper verwendet, die aus einer Kohlefaser gebildet sind, wie z.B. Kohlepapier oder Kohlegewebe.
Als elektrisch leitfähige Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und als elektrisch leitfähige Brennstoffbegrenzungsplatte 3 kann eine beliebige gasunterlässige elektrisch leitende Platte verwendet werden, die in der Umgebung innerhalb der Brennstoffzelle stabil ist. Im allgemeinen werden Kohlenplatten verwendet, in denen Gaskanalrinnen ausgebildet sind.
Eine Gasabdichtung wird gebildet durch: die Elektrolytmembran 6, den Oxidationsmittel abdichtenden Abschnitt 11, den Brennstoff abdichtenden Abschnitt 12, die Grenzfläche 13 zwischen der Elektrolytmembran 6 und dem Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt 11, die Grenzfläche 14 zwischen der Elektrolyt membran 6 und dem Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt 12, die Grenzfläche 15 zwischen der elektrisch leitfähigen Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und dem Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt 11, und der Grenzfläche 16 zwischen der elektrisch leitenden Brennstoffbegrenzungsplatte 3 und dem Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt 12, die alle in dem Dichtungsabschnitt 5 angeordnet sind. Als Gasabdichtung kann ein beliebiges Material mit einer hohen Gasundurchlässigkeit verwendet werden, das in der Umgebung innerhalb der Brennstoffzelle stabil ist. Da in der Gasabdichtung mannigfaltige Öffnungen zum Verteilen und Zuführen von Gas und Kühlflüssigkeit zu jeder der Einzelzellen vorgesehen sein können, ist es erforderlich, dass die Gasabdichtung auch stabil ist, wenn sie in Kontakt mit Kühlflüssigkeiten steht.
In einem Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung sind das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 größer als der Leistungserzeugungsabschnitt 4, um die Elektrolytmembran 6 unter Verwendung der zwei Elektrodensubstrate in dem Dichtungsabschnitt 5 von zwei Seiten zu halten. Da es nicht erforderlich ist, dass Gase dem Dichtungsabschnitt 5 zugeführt werden, sind die Poren des Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitts 11 und des Brennstoff abdichtenden Halteabschnitts 12 des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 bzw. des Brennstoffelektrodensubstrats 10 mit einem Harzmaterial gefüllt.
Außerdem ist es erforderlich, dass die Elektrolytmembran 6 größer ist als zumindest das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 oder das Brennstoffelektrodensubstrat 10, und dass Endabschnitte der Elektrolytmembran 6 außerhalb von Endabschnitten zumindest des Oxidationselektrodensubstrats 9 oder des Brennstoffelektrodensubstrats 10 liegen. Das dient dazu, elektrische Kurzschlussbedingungen zwischen dem Oxidationsmittelelektroden substrat 9 und dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 zu verhindern.
Außerdem sind äußere Randabschnitte der Kathodenkatalysatorschicht 8 und der Anodenkatalysatorschicht 7 mit einem Harz gefüllt. In diesem Zusammenhang sind die äußeren Randabschnitte der Kathodenkatalysatorschicht 8 und der Anodenkatalysatorschicht 7 und die inneren Randabschnitte des Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitts 11 und des Brennstoff abdichtenden Halteabschnitts 12 so angeordnet, dass sie sich überlappen. Wenn sie in dieser Weise ausgeführt sind, gibt es keine Niveauunterschiede in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 aufgrund des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins der Katalysatorschichten 7 und 8, und weil Spannungen aufgrund von Niveauunterschieden nicht länger auf der Elektrolytmembran 6 konzentriert sind, kann ein Reißen der Elektrolytmembran 6 unterdrückt werden.
Eine Weite des Überlappens muss dabei nur größer gleich einer Dicke der zwei Elektrodensubstrate 9 und 10 sein, und weil die Elektrolytmembran 6 hinreichend durch die zwei Elektrodensubstrate 9 und 10 gesichert sein kann, kann eine Beschädigung der Elektrolytmembran unterdrückt werden, und gleichzeitig kann eine Gasabschirmung zwischen dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 und äußeren Abschnitten zuverlässig durchgeführt werden. Diese Wirkungen können jedoch nicht hinreichend erzielt werden, wenn die Weite des Überlappens weniger als die Dicke der zweit Elektrodensubstrate 9 und 10 beträgt.
Obwohl es jedoch umso zuverlässiger möglich ist, die Elektrolytmembran 6 zu halten, je größer die Überlappung ist, sind Verbesserungen der Wirkungen nicht ersichtlich, wenn die Weite der Überlappung 5mm übersteigt. Da die Reaktionsgase den überlappenden Katalysatorschichten nicht zugeführt werden, steigt die Menge des nicht wirksamen Katalysators an. Vom Gesichtspunkt der Verringerung der Menge des teuren verwendeten Kataly sators aus ist es erforderlich, dass die Breite der Überlappung zwischen den beiden in einen Bereich verringert wird, der es ermöglicht, das Reißen der Elektrolytmembran zu unterdrücken. Anders ausgedrückt ist es erforderlich, dass die Breite der Überlappung vorzugsweise auf kleiner gleich 5mm eingestellt wird und in noch weiter bevorzugter Weise auf kleiner gleich 2mm.
Als nächstes wird das Harzmaterial erläutert, das den Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt 11 und den Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt 12 füllt. Um für diesen Zweck verwendet zu werden, muss das Harzmaterial ein Material sein, das eine Stabilität in der Umgebung in der Brennstoffzelle aufweist, und seine Gasdurchlässigkeit muss hinreichend gering sein. Insbesondere ist es erforderlich, dass es ein Material ist, das heißem Wasser und Dampf in der Zelle für lange Zeit widerstehen kann. Da innere Abschnitte der Elektrodensubstrate 9 und 10 gefüllt werden müssen, ist weiterhin ein flüssiger Zustand während des Füllvorgangs erforderlich.
Wenn das Füllharz in der Lage ist, das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 mit der Elektrolytmembran 6 zu verbinden und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 mit der elektrischen leitenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 bzw. der elektrisch leitenden Brennstoffbegrenzungsplatte 3 zu verbinden, kann die Elektrodenmembran 6 durch das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 gleichförmiger gehalten werden, und zusätzlich können die Elektrodenmembran 6, das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9, das Brennstoffelektrodensubstrat 10, die elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und die elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3 integriert werden. Eine Integration in dieser Weise ermöglicht es, die Handhabung von Einzelzellen der Brennstoffzelle zu erleichtern, und Gase können an dem Lecken nach außen gehindert werden.
Wenn das Füllharz die Funktion hat, die Elektrolytmembran und die Begrenzungsplatten usw. zu verbinden, kann die Elektrodenmembran stabiler gehalten werden, und zusätzlich ist es möglich, sie mit den Begrenzungsplatten zu integrieren. Diese Integration der Elektrolytmembran und der Begrenzungsplatten usw. ermöglicht es, die Handhabung von Einzelzellen der Brennstoffzelle zu erleichtern, und Gase können an dem Lecken nach außen gehindert werden.
Wenn die Menge des Füllharzes größer gleich 50 Vol.-% des Porenvolumens in dem Elektrodensubstrat 9 und 10 belegt, verbindet sich das Harz zusammen, um eine kontinuierliche Harzschicht zu bilden. Zusätzlich sind die Poren nicht länger zusammenhängend, so dass Probleme wie z.B. Gaslecken weniger wahrscheinlich auftritt. In weiter bevorzugter Weise beträgt die Menge des Füllharzes größer gleich 90 Vol.-% und kleiner als 120 Vol.-%, da Probleme wie Gaslecken usw. in diesem Bereich besonders verringert ist. Überschüssiges Harz wird an äußeren Oberflächen des Leistungserzeugungsabschnitts 4 oder des Membranelektrodenverbundkörpers 1 abgesondert und bewirkt kaum Probleme. Oberhalb von 120 Vol.-% wird die Menge des Absonderns des Harzes zu groß, und Probleme werden deutlich wie z.B. dass die Poren in den Elektrodensubstraten 9 und 10 in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 durch das Harz versiegelt werden.
Beispiele für Harzmaterialien, die die oben beschriebene Leistungsfähigkeit aufweisen, enthalten Flüssigharze, die in der Lage sind, die Elektrodensubstrate 9 und 10 zu füllen. Ein "Flüssigharz" bedeutet ein Harz, das eine Viskosität aufweist, die klein genug ist, dass es während des Füllens in die porösen Körper eindringen kann. Beispiele von Flüssigharzen enthalten thermoplastische Harze oder wärmehärtende Harze mit einem hinreichenden Fließvermögen, um vor dem Aushärten die Poren des Elektrodensubstrats zu füllen. Besondere anorganische oder or ganische Füllstoffe können je nach Bedarf in diesen Materialien enthalten sein. Unter Verwendung solcher Füllstoffe ist es möglich, Funktionen zu erzielen wie z.B. die Steuerung des Fließvermögens, der Härte nach dem Aushärten, das Unterdrücken einer Aushärtkontraktion usw.
Als Material für das Füllharz kann vorzugsweise ein thermoplastisches Harz verwendet werden, das die zum Füllen erforderliche Fließfähigkeit durch Erwärmen erreicht. Die Betriebseffizienz wird erhöht, wenn ein thermoplastisches Harz verwendet wird, weil ein Aushärten unmittelbar nach dem Füllvorgang einfach durch Abkühlen möglich ist.
Wenn jedoch ein thermoplastisches Harz verwendet wird, muss es ein Material sein, das bei der Betriebstemperatur der Zelle nicht fließt. Demzufolge muss ein Schmelzpunkt des Füllharzes zumindest größer sein als eine maximale Betriebstemperatur der Zelle. Zum Beispiel beträgt die allgemeine Betriebstemperatur einer Festpolymerbrennstoffzelle im allgemeinen 90°C oder weniger, und in einer Zelle dieser Art ist es erforderlich, ein Harz zu verwenden, das bei 90°C nicht fließt.
Wenn die für den Füllvorgang des thermoplastischen Harzes erforderliche Temperatur größer ist als eine Wärmetoleranzschwelle der Elektrolytmembran 6, müssen die Elektrodensubstrate 9 und 10 im voraus mit dem Harz gefüllt werden, bevor die Katalysatorschichten 7 und 8, die die Elektrolytmembran 6 und Elektrolytmembranbestandteile enthalten, mit den Elektrodensubstraten 9 und 10 verbunden werden.
Wenn der Schmelzpunkt des thermoplastischen Harzes kleiner ist als die Wärmetoleranzschwelle der Elektrolytmembran 6, können die Elektrolytmembran 6 und die zwei Elektrodensubstrate 9 und 10 durch Aufschmelzen des thermoplastischen Harzes durch Erwärmen miteinander verbunden und integriert werden.
Im allgemeinen werden beim Herstellen des Membranelektrodenverbundkörpers 1 die zwei Katalysatorschicht 7 und 8 und die Elektrolytmembran 6 durch Heißpressen miteinander verbunden. Wenn der Schmelzpunkt des thermoplastischen Harzes kleiner ist als diese Verbindungstemperatur, können die abdichtenden Halteabschnitte 11 und 12 der zwei Elektrodensubstrate 9 und 10 und die Elektrolytmembran 6 durch das Füllharz miteinander verbunden und integriert werden.
Als ein Beispiel für thermoplastische Harze mit Eigenschaften dieser Art können Harze, die im allgemeinen als "hot melts" (heißschmelzend) bekannt sind, zufriedenstellend verwendet werden. Beispiele für repräsentative heißschmelzende Harze enthalten Polyolefinharze, die durch Polyethylen, Polypropylen usw. vertreten sind, oder Harze, bei denen die Schmelztemperatur und die Klebkraft durch Copolymerisieren von Polyolefinen mit Polyvinylacetat usw. verbessert wurden. Wenn ein Polyolefinharz dieser Art verwendet wird, kann das Harz bei einer Temperatur flüssig gemacht werden, die hinreichend unter 200°C liegt, was die Hitzetoleranzschwelle herkömmlicher Elektrolytmembranmaterialien ist. Demzufolge können die Elektrolytsubstrate gefüllt werden, nachdem die Elektrolytmembrankomponenten usw. zusammengefügt sind, was den Freiheitsgrad des Verfahrens erhöht. Weiterhin sind Polyolefinharze vergleichsweise stabile Materialien, auch wenn sie einer Umgebungsatmosphäre mit hoher Feuchtigkeit bei kleiner gleich 90°C ausgesetzt sind, was die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle ist, wodurch sie zufriedenstellend verwendet werden können.
Beispiele für thermoplastische Harze, die in gleicher Weise verwendet werden können, enthalten Nylon11, Nylon12 und copopolymerisierte Nylonharze. Andere Beispiele enthalten Polyesterharze, die durch Polyethylenterephthalat oder seine Copolymere vertreten sind. Da Polyesterharze dieser Art eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Wasser aufweisen, können sie zufriedenstellend in Brennstoffzellen verwendet werden, die der Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Polybutylenharze, Polymethylmethacrylatharze und amorphe Polyamidharze können ebenfalls in ähnlicher Weise verwendet werden.
Wenn insbesondere eine Langzeitzuverlässigkeit gesucht wird, ist es erforderlich, ein Material zu verwenden, das in der Umgebung innerhalb der Brennstoffzelle stabil ist. Das Füllharz ist in der Brennstoffzelle nicht nur hohen Temperaturen und einer hohen Feuchtigkeit ausgesetzt, sondern es kann auch je nach dem Brennstoffzellenaufbau in Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit kommen. Wenn das Füllharz sich zersetzt und Bestandteile herausgewaschen werden, gibt es das Risiko, dass die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verschlechtert werden kann, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit erhöht werden kann usw. In solchen Fällen ist es erforderlich, ein Material mit einer besonders hohen chemischen Stabilität zu verwenden. In solchen Fällen können technische Kunststoffe mit einer hervorragenden chemischen Widerstandsfähigkeit zufriedenstellend verwendet werden, die z.B. durch Polyphenylsulfid vertreten sind.
Zusätzlich können unter Polymermischharzen wie z.B. Polyvinylformalphenolen, Nitrilkautschukphenolen, Nylonepoxiden und Nitrilkautschukepoxiden lösungsmittelfreie Arten verwendet werden.
Weil in einer Brennstoffzelle dieser Art das Harz, das die Poren füllt, ein thermoplastisches Harz ist, das eine Schmelztemperatur aufweist, die größer ist als die maximale Temperatur während des Betriebs der Brennstoffzelle, ist es möglich, das Harz leicht in die Elektrodensubstrate 9 und 10 einzuspritzen, indem das Harz auf eine Temperatur größer gleich seinem Schmelzpunkt erhitzt wird. Da das Harz während des Betriebs der Brennstoffzelle nicht schmelzen wird, ist gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Gasabdichtungsleistungsfähigkeit groß.
Harze mit einem hinreichenden Fließverhalten in einem ungehärteten Zustand, die später durch Reaktion mit einem Härtungsmittel oder durch Erwärmen gehärtet werden können, können ebenfalls in ähnlicher Weise für das Füllharz verwendet werden. Es kann zum Beispiel ein mit einem Härtungsmittel gemischtes Epoxydharz verwendet werden, in dem es eingespritzt und dann ein Härtungsvorgang wie z.B. Erwärmen durchgeführt wird. Beispiele für Harzmaterialien, die in ähnlicher Weise verwendet werden können, enthalten flüssige Acrylkautschukharze, Silikonharze, Phenolharze, Melaminharze, ungesättigte Polyesterharze, Polyurethanharze usw. Wenn weiterhin gehärtete Silikonharze verwendet werden, kann ein Membranelektrodenverbundkörper 1 gebildet werden, bei dem die Haftstärke zu der Elektrolytmembran hoch ist und die Gasabdichteigenschaften hervorragend sind.
In einer Brennstoffzelle dieser Art werden die abdichtenden Halteabschnitte 11 und 12 der Elektrodensubstrate 9 und 10 mit einem flüssigen Harzmaterial gefüllt, und später wird das Harzmaterial dann gehärtet. Unter Verwendung dieses Verfahrens können miteinander in Verbindung stehende Poren in den abdichtenden Halteabschnitten 11 und 12 der Elektrodensubstrate 9 und 10, die größtenteils durch winzige Poren gebildet sind, auch dann unter Verwendung des flüssigen Harz blockiert werden, wenn es schwierig ist, die Poren der Elektrodensubstrate 9 und 10 mit einem anderen Material zu füllen.
Verfahren, die zum Füllen der Elektrodensubstrate 9 und 10 mit dem thermoplastischen Harz verwendet werden können, enthalten Spritzgießen oder ähnliche Verfahren, Formpressen oder ähnliche Verfahren usw. Ein Verfahren besteht zum Beispiel darin, die Elektrodensubstrate 9 und 10 in einer Form anzubringen und das flüssige Harz unter Druck einzuspritzen. Ein bequemeres Verfah ren, das die Füllrate pro Flächeneinheit gleichförmig machen kann, besteht darin, thermoplastische Harzschichten einer vorbestimmten Dicke mit den Elektrodensubstraten 9 und 10 zu stapeln und sie unter Verwendung einer Heißpresse zu pressen. Wenn diese Harzfüllvorgänge unter einem verringerten Druck durchgeführt werden, kann eine harzgefüllte Schicht mit besseren Gasabdichtungseigenschaften erzielt werden, weil in der harzgefüllten Schicht keine Blasen usw. gebildet werden. Die Menge des Füllharzes sollte eine Menge sein, die in der Lage ist, die Poren innerhalb der Elektrodensubstrate 9 und 10 zu füllen und die Gase abzuschotten. Das auf diese Weise gefüllte Harz kann zur Verwendung in dem Membranelektrodenverbundkörper 1 vorbereitet werden durch Abkühlen im Fall eines thermoplastischen Harzes oder durch Durchführen eines vorbestimmten Härtungsvorgangs im Falle eines wärmehärtenden Harzes.
Wenn die Elektrodensubstrate 9 und 10 mit einem thermoplastischen Harz gefüllt werden, indem zuerst der Membranelektrodenverbundkörper 1 gebildet wird, dann anschließend der Membranelektrodenverbundkörper 1 und die zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 gestapelt werden und die Temperatur unter Anlegen von Druck erhöht wird, kann das eingeführte thermoplastische Harz wieder flüssig gemacht werden, was es ermöglicht, dass die Begrenzungsplatten 2 und 3 und der Membranelektrodenverbundkörper 1 integriert werden. Eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle, die durch Verfahren dieser Art integriert ist, ist unter Verwendung eines einfachen Aufbaus auf dem ganzen Weg von der Elektrolytmembran 6 zu den zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 durch Schichten von Harz integriert, wodurch eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird, die nicht nur eine überragende Haltestabilität für die Elektrolytmembran 6 aufweist, sondern auch eine überragende Zuverlässigkeit der Gasabdichtung und überragende Handhabungseigenschaften.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf erfindungsgemäße Beispiele im Detail erläutert.
Zunächst wird ein erstes erfindungsgemäßes Beispiel der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Aufbau der Einzelzellen in den Brennstoffzellen des ersten erfindungsgemäßen Beispiels ist ähnlich dem in 1.
Mit Bezug auf 2 wurde zunächst eine quadratische Elektrodensubstratplatte 20 mit einer Seitenlänge von 90mm aus einem Kohlepapier mit einer Dicke von 300μm (TGP-H-90, hergestellt von Toray Industries, Inc.) hergerichtet. Die Porosität dieses Kohlepapiers betrug etwa 78%. Rahmenförmige Harzschichten 21 mit einer quadratischen äußeren Form mit 90mm Seitenlänge und einer in einem Mittelabschnitt geöffneten quadratischen Öffnung mit 54mm Seitenlänge, wurden aus einer Harzschicht mit einer Dicke von 257μm ausgeschnitten. Wie in 2 dargestellt, wurden ein Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und ein Brennstoffelektrodensubstrat 10, in denen ein Oxidationsmittel abdichtender Halteabschnitt 11 und ein Brennstoff abdichtender Halteabschnitt 12 angeordnet waren, hergestellt, indem diese Harzschichten 21 mit den Elektrodensubstratplatten 20 gestapelt wurden, zwischen flache Platten 23 einer Heißpressmaschine 22 eingesetzt wurden und anschließend die Innenabschnitte der Elektrodensubstrate 20 mit Harz aus den Harzschichten 21 gefüllt wurden, indem sie in einem Vakuum bei einer Temperatur von 150°C und einem Druck von 49N/cm² heißgepresst wurden. Das Volumen des Füllharzes betrug etwa 110 Vol.-% des Porenvolumens in den Elektrodensubstratplatten 20. Dabei wurde als Harzschicht eine heißschmelzende Polyolefinschicht verwendet. Diese Harzschicht hatte eine Fließbeginntemperatur von etwa 120°C und eine Schmelzviskosität bei 150°C von etwa 40000 Poise. Der mit Differenzialscankalorimetrie (DSC) gemessene Schmelzpunkt betrug etwa 95°C.
Als nächstes wurden Anodenkatalysatorpartikel als Anodenkatalysator hergestellt durch Aufbringen von 50 Gew.-% Platin auf Ruß. Kathodenkatalysatorpartikel wurden als Kathodenkatalysator hergestellt durch Aufbringen von 50 Gew.-% einer Platin-Ruthenium-Legierung auf Ruß.
Ein Gewichtsanteil Wasser und drei Gewichtsanteile Perfluor-Polyelektrolytlösung (Flemion (R) 9%-Lösung hergestellt durch Asahi Glass Co. Ltd.) wurden einem Gewichtsanteil Anodenkatalysatorpartikel hinzugefügt und vermischt, um eine gleichmäßige Anodenkatalysatorpaste zu gewinnen. Ein Gewichtsanteil Wasser und sechs Gewichtsanteile Perfluor-Polyelektrolytlösung (Flemion (R) 9%-Lösung hergestellt durch Asahi Glass Co. Ltd.) wurden einem Gewichtsanteil Kathodenkatalysatorpartikel hinzugefügt und vermischt, um eine gleichmäßige Kathodenkatalysatorpaste zu gewinnen.
Diese Katalysatorpasten wurden jeweils mit Siebdruck auf Mittelabschnitte des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 und des Brennstoffelektrodensubstrats 10 aufgebracht und unter verringertem Druck getrocknet, um eine Anodenkatalysatorschicht 7 und eine Kathodenkatalysatorschicht 8 zu gewinnen. Bei dem Drucken wurde eine Siebmaske verwendet, so dass die gedruckte Form ein Quadrat mit 50mm Seitenlänge war.
Als nächstes wird mit Bezug auf 3 die Vorbereitung des Membranelektrodenverbundkörpers 1 erläutert. Ein geschichteter Körper wurde hergestellt durch Stapeln eines Brennstoffelektrodensubstrats 10, auf dem eine Kathodenkatalysatorschicht 8 ausgebildet war, und eines Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9, auf dem eine Anodenkatalysatorschicht 7 ausgebildet war, mittig auf einer Elektrolytmembran 6, so dass die Kathodenkatalysatorschicht 8 und die Anodenkatalysatorschicht 7 einander gegenüber lagen. Als nächstes wurde dieser geschichtete Körper bei einer Temperatur von 150°C und einem Druck von 49N/cm² für 5 Minuten heißgepresst, um den Membranelektrodenverbundkörper 1 zu bilden. Als Elektrolytmembran 6 wurde ein Quadrat mit 100mm Seitenlänge verwendet, das aus einer Aciplex-Schicht (eingetragene Marke), hergestellt von Asahi Chemical Industry Co., Ltd., mit einer Dicke von 50μm ausgeschnitten wurde. Durch Verwenden einer Elektrolytmembran 6, die somit größer war als das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und durch Herstellen eines Aufbaus, bei dem die Elektrolytmembran 6 über die Randabschnitte des Brennstoffelektrodensubstrats 10 und des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 heraussteht, wurde verhindert, dass das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 einander direkt berühren und kurzschließen. Da das das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 füllende Harz durch den Heißpressvorgang aufgeschmolzen und mit der Elektrolytmembran 6 verbunden wurde, wurde die Elektrolytmembran 6 mit dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 und dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 fest integriert, und die Gasabschottung wurde zuverlässiger gemacht.
Als nächstes wurden wie in 4 dargestellt Untersuchungszellen für Leistungsuntersuchungen gebildet, indem der Membranelektrodenverbundkörper 1 zwischen Kohleplatten 24 eingebettet wurde, in denen Gaskanäle bereitgestellt waren, und indem unter Verwendung von Metallplatten 26 mit eingebauten Heißelementen 25 von außen ein Oberflächendruck aufgebracht wurde. Externe (nicht dargestellte) Anschlüsse wurden aus den Metallplatten 26 herausgeführt und mit einer externen (nicht dargestellten) Last verbunden.
Als nächstes wurde die Untersuchung durchgeführt durch Betreiben der Untersuchungszellen. Die Leistungserzeugung wurde durchgeführt durch Verbinden der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Untersuchungszellen mit einer externen Last und durch Zuführen von Wasserstoffgas unter Normaldruck zu der Ka thode und von Luft unter Normaldruck zu der Anode. Die Flussraten wurden so eingestellt, dass der Ausnutzungsfaktor des Wasserstoffgases 70% betrug und der Ausnutzungsfaktor der Luft 40%. Die Gase wurden unter Verwendung (nicht dargestellter) externer Befeuchter befeuchtet, bevor sie den Untersuchungszellen zugeführt wurden.
Die Temperatur wurde durch Erhitzen der Heizelemente 25 so eingestellt, dass die Temperatur der Untersuchungszellen 80°C betrug. Im Hinblick auf die Feuchtigkeit der zugeführten Gase wurden die Untersuchungszellen unter Bedingungen betrieben, bei denen C sowohl der Kathode als auch der Anode nur für 12 Stunden nach dem Beginn des Betriebs Gase mit einem Taupunkt von 80° zugeführt wurden, um den Ionenleitwiderstand in der Elektrolytmembran 6 hinreichend niedrig zu machen. Anschließend wurden die externen Befeuchter so eingestellt, dass sie einen Taupunkt von 75°C hielten. Dann wurden diese Untersuchungszellen kontinuierlich für 2000 Stunden mit einer elektrischen Stromdichte von 300mA/cm² betrieben. Bei dieser Leistungsuntersuchung wurden 15 Untersuchungszellen mit äquivalenten Spezifikationen hergestellt und jede unter den jeweiligen Betriebsbedingungen betrieben.
Fünf der für das erste erfindungsgemäße Beispiel hergestellten Untersuchungszellen zeigten jeweils eine Ausgangsspannung von mehr als 700mV als Merkmal einer Anfangsstufe etwa 50 Stunden nach dem Beginn des Betriebs, wobei der Mittelwert der fünf Ausgangsspannungen bei 704mV lag. Als diese Untersuchungszellen nachfolgend kontinuierlich betrieben wurden, sanken die Spannungen allmählich. Es wurde festgelegt, dass von jeder Zelle, deren Spannung während des Betriebs bis zu 2000 Stunden unter 500mV sank, angenommen würde, dass sie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat, und der Betrieb würde beendet. Bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel gab es tatsächlich keine Untersuchungszellen unter 500mV nach 2000 Stunden. Nach Ablauf der 2000 Betriebsstunden wurden die Membranelektrodenverbundkörper 1 aus den Untersuchungszellen herausgenommen, und der Zustand jeder Elektrolytmembran 6 wurde unter Verwendung einer Mikrofokus-Röntgeninspektionsvorrichtung beobachtet, aber keine Abnormalitäten wie z.B. eine Beschädigung der Elektrolytmembran 6 usw. wurden gefunden. Diese Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
Zusätzlich wurde eine Untersuchung durchgeführt an fünf Untersuchungszellen in einem wiederholten Betriebsmuster des wiederholten Laufens für 8 Stunden unter Bedingungen einer elektrischen Stromdichte von 300mA/cm² und eine Pause von 16 Stunden. Dieser Fall simuliert den DSS-Betrieb (Daily Startup and Shutdown = tägliches Ein- und Ausschalten). Es wurde festgelegt, dass von jeder Zelle, deren Ausgangsspannung vor 2000 Stunden unter 500mV sank, angenommen würde, dass sie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat, und der Betrieb würde beendet werden. Es gab tatsächlich keine Zellen mit einer Ausgangsspannung unter 500mV nach 2000 Stunden. Nach Ablauf von 2000 Betriebsstunden wurden die Membranelektrodenverbundkörper 1 aus den Untersuchungszellen herausgenommen und der Zustand jeder Elektrolytmembran 6 wurde unter Verwendung einer Mikrofokus-Röntgeninspektionsvorrichtung beobachtet, aber keine Absonderlichkeiten wie z.B. eine Beschädigung der Elektrolytmembran 6 usw. wurden gefunden. Diese Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
Außerdem wurden fünf Untersuchungszellen 12 Stunden nach dem Betriebsstart sowohl zur Anodenbefeuchtung als auch zur Kathodenbefeuchtung Gase zugeführt, die so befeuchtet waren, dass sie einen Taupunkt von 60°C aufwiesen. Das ist der Betrieb mit geringer Feuchtigkeit. Es wurde festgelegt, dass von einer Zelle, deren Ausgangsspannung vor 2000 Stunden unter 500mV sank, angenommen wird, dass sie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat, und der Betrieb würde eingestellt. Es gab tatsächlich eine Untersuchungszelle mit einer Ausgangsspannung unter 500mV nach 2000 Stunden. Nach Ablauf der 2000 Betriebsstunden wurden die Membranelektrodenverbundkörper 1 aus den Untersuchungszellen herausgenommen, und der Zustand jeder Elektrodetmembran 6 wurde unter Verwendung einer Mikrofokus-Röntgeninspektionsvorrichtung beobachtet, aber keine Abnormalitäten wie z.B. eine Beschädigung der Elektrolytmembran 6 wurden gefunden. Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
Nun wurden zum Vergleich Vergleichsbeispielbrennstoffzellen hergestellt wie die in 6 dargestellte. Eine Anodenkatalysatorschicht 7 und eine Kathodenanalysatorschicht 8 wurden in ähnlicher Weise wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel auf einem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 27 und einem Brennstoffelektrodensubstrat 28 gebildet. Die Größe und Form dieser Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht 8 waren ein Quadrat mit 50mm Seitenlänge. Die Größe und Form des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 27 und des Brennstoffelektrodensubstrats 28 unterschieden sich jedoch von dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel, in dem sie quadratisch mit derselben Größe wie die Anodenkatalysatorschicht 7 und die Kathodenkatalysatorschicht 8 mit einer Seitenlänge von 50mm waren. Dicke und Porosität waren jedoch dieselben wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel. Dichtungen 29 wurden hergerichtet durch Schneiden einer Rahmenform mit einer quadratischen äußeren Form mit 90mm Seitenlänge und einer in ihrem Mittelabschnitt geöffneten quadratischen Öffnung mit 51mm Seitenlänge aus einer Polyethylenterephthalatschicht mit einer Dicke von 250μm. Eine Elektrolytmembran 6 identisch zu der des erfindungsgemäßen Beispiels 1 wurde ebenfalls hergerichtet.
Dieses Brennstoffelektrodensubstrat 28 und Oxidationsmittelelektrodensubstrat 27 wurden auf einem Mittelabschnitt einer quadratischen Elektrolytmembran 6 mit einer Seitenlänge von 100mm gestapelt, so dass die Kathodenkatalysatorschicht 8 und die Anodenkatalysatorschicht 7 einander gegenüber lagen. Zusätzlich wurden die Dichtungen 29 auf äußere Randabschnitte der Elektrolytmembran 6 gestapelt. Ein Membranelektrodenverbundkörper 30 wurde gebildet, indem diese gestapelten Glieder zusammen für 5 Minuten bei einer Temperatur von 150°C und einem Druck von 49N/cm² heißgepresst wurden. Als nächstes wurden Untersuchungszellen für die Leistungsuntersuchung hergestellt, indem dieser Membranelektrodenverbundkörper 30 zwischen Kohleplatten 24 eingebettet wurde, in denen Gaskanäle angeordnet waren, und in einer ähnlichen Weise wie bei 4 unter Verwendung von Metallplatten 26 mit eingebauten Heizelementen 25 von ihren äußeren Abschnitten Druck angelegt wurde.
Als nächstes wurde eine Untersuchung durchgeführt durch Betreiben der Vergleichsbeispieluntersuchungszellen unter Bedingungen ähnlich zu denen der Untersuchungszellen des ersten erfindungsgemäßen Beispiels.
Fünf der Vergleichsbeispieluntersuchungszellen zeigten jeweils eine Ausgangsspannung von mehr als 700mV als Eigenschaft eines Anfangszustands etwa 50 Stunden nach dem Beginn des kontinuierlichen Betriebs. Als diese Untersuchungszellen nachfolgend kontinuierlich betrieben wurden, sank die Spannung allmählich. Es gab tatsächlich eine Untersuchungszelle mit einer Ausgangsspannung unter 500mV nach 2000 Stunden. Nach Ablauf der 2000 Betriebsstunden wurden die Membranelektrodenverbundkörper 30 aus den Untersuchungszellen herausgenommen, und der Zustand jeder Elektrolytmembran 6 wurde unter Verwendung einer radiografischen Röntgeninspektionsvorrichtung untersucht, aber keine Abnormalitäten wie z.B. eine Beschädigung der Elektrolytmembran 6 und dergleichen wurden gefunden. Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
Als nächstes wurde an fünf der Vergleichsbeispieluntersuchungszellen in einer ähnlichen Weise wie bei dem ersten erfindungs gemäßen Beispiel ein DSS-Betrieb durchgeführt. Es gab drei mit einer Spannung von weniger als 500mV nach 2000 Stunden. Der Zustand jeder Elektrolytmembran 6 wurde anschließend unter Verwendung einer Mikrofokus-Röntgen-Insepktionseinrichtung beobachtet, und in zwei der Untersuchungszellen wurde ein Schaden an der Elektrolytmembran 6 festgestellt. Diese Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
Als nächstes wurde in ähnlicher Weise wie bei der ersten erfindungsgemäßen Beispiel ein Betrieb bei geringer Feuchtigkeit mit einem Taupunkt von 60°C für die Befeuchtungsbedingungen der zwei Elektroden an fünf der Vergleichsbeispieluntersuchungszellen durchgeführt. Als Ergebnis hatten alle Untersuchungszellen innerhalb von 2000 Stunden eine Ausgangsspannung von weniger als 500mV. Der Zustand jeder Elektrolytmembran 6 wurde anschließend unter Verwendung einer Mikrofokus-Röntgeninspektionsvorrichtung beobachtet, und in vier der Untersuchungszellen wurde eine Beschädigung der Elektrolytmembran 6 festgestellt. Diese Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
Als nächstes wurden die Untersuchungszellen des ersten erfindungsgemäßen Beispiels 1 auch unter Bedingungen hoher Feuchtigkeit betrieben, und auch nach 2000 Stunden wurde keine Beschädigung der Elektrolytmembran 6 gefunden. Außerdem gab es keine Untersuchungszellen mit einer Ausgangsspannung unter 500mV auch nach 2000 Stunden. Wenn dagegen die Vergleichsbeispielbrennstoffzellen unter Bedingungen hoher Feuchtigkeit betrieben wurden, wurde nach 2000 Stunden keine Beschädigung der Elektrolytmembran 6 gefunden, aber es wurden Untersuchungszellen gefunden, bei denen die Ausgangsspannung unter 500mV lag.
Um diese Untersuchungsergebnisse zusammenzufassen war auch unter Betriebsbedingungen, bei denen die Temperatur des Membranelektrodenverbundkörpers 1 oder sein interner Feuchtgehalt wiederholt stark schwankten, wie in dem DSS-Betrieb, die Elektro lytmembran 6 nicht beschädigt, und die Ausgangsspannung sank nicht stark.
Auch unter Betriebsbedingungen, bei denen der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran 6 sinkt und die Membran leicht beschädigt wird, wie in dem Betrieb geringer Feuchtigkeit, gab es keinen Membranelektrodenverbundkörper 1, in dem die Elektrolytmembran 6 beschädigt war.
Da in einer Brennstoffzelle dieser Art äußere Randabschnitte der Elektrodensubstrate 9 und 10 mit dem Harz gefüllt sind, wird die Elektronenmembran 6 nicht an Verbindungsabschnitten beschädigt, da es in den die Elektrolytmembran 6 haltenden Elementen keine Fugen gibt. Demzufolge kann auch beim Betrieb unter Verwendung von Gasen mit geringer Feuchtigkeit oder beim Betrieb unter erschwerten Bedingungen wie einem wiederholten Betrieb und Stopp eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit unterdrückt werden.
Da die Elektrodensubstrate 9 und 10 und die Elektrolytmembran 6 durch das Harz miteinander verbunden sind, das die abdichtenden Halteabschnitte 11 und 12 fühlt, lecken Gase nicht durch Lücken zwischen der Elektrolytmembran 6 und den Elektrodensubstraten 9 und 10 nach draußen. Da die Elektrolytmembran 6 und die Elektrodensubstrate 9 und 10 integriert sind, wird die Handhabung während der Herstellung erleichtert.
Da die Elektrolytmembran 6 aktiver von zwei Seiten gehalten wird, verbindet das Harz, das die äußeren Randabschnitte der Elektrodensubstrate 9 und 10 füllt, die Elektrolytmembran 6 und die Elektrodensubstrate 9 und 10 miteinander. Somit wird die Elektrolytmembran 6 in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 von zwei Seiten aus festgehalten, was eine Verformung und Konzentrationen von Spannungen wirkungsvoller verhindert. Wenn die zwei nicht durch die Verbindung befestigt wären, würde das Si chern der Elektrolytmembran 6 an Stellen, an denen der Oberflächendruck lokal niedrig ist, nicht zufriedenstellend sein, und es gäbe ein Risiko, dass dies zu einer Beschädigung führen würde.
Da der Leistungserzeugungsabschnitt und der Dichtungsabschnitt nicht durch das Vorhandensein oder Abwesendsein der Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht 8 getrennt sind, sondern eher durch das Vorhandensein oder Abwesendsein des Füllharzes, können Verformungen und Konzentrationen von Spannungen in der Elektrolytmembran an deren Randbereich wirkungsvoller unterdrückt werden.
7 zeigt einen Querschnitt durch eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Einzelzelle wurde ein Membranelektrodenverbundkörper 1 in einer ähnlichen Weise gebildet wie bei der ersten Ausführungsform. Dieser Membranelektrodenverbundkörper 1 wurde anschließend zwischen einer elektrisch leitenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und einer elektrisch leitenden Brennstoffbegrenzungsplatte 3 eingebettet, in denen Gaskanäle angeordnet waren, um einen Einzelstellenstapelkörper zu bilden. An diesem Einzelzellenstapelkörper wurde für 2 Minuten bei einer Temperatur von 120°C und einem Druck von 49N/cm² Heißpressen durchgeführt. Durch diesen Vorgang wurde das thermoplastische Harz, das einen Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt 11 und einen Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt 12 füllt, wieder aufgeweicht, wodurch die elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und die elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3 mit dem Membranelektrodenverbundkörper 1 verbunden wurden zum Herstellen der Einzelzelle.
Als nächstes wurde eine Untersuchung dieser Einzelzellen durchgeführt durch Anlegen eines Oberflächendrucks von außen unter Verwendung von Metallplatten 26 mit eingebauten Heizelementen 25 ähnlich wie bei 4. Auf diese Einzelzelle wurde durch Federn von außen ein Druck ausgeübt, so dass über den gesamten Oberflächenbereich des Membranelektrodenverbundkörpers 1 ein Druck von 49N/cm² herrschte. In diesem Zustand wurde Stickstoffgas durch Gaskanäle geführt, die mit der Brennstoffelektrode in Verbindung standen, und ein Einlassgasflussrate wurde unter Verwendung einer Massenflusssteuerung so eingestellt, dass auf der Gaseinlassseite ein Druck von 200mm Wassersäule herrschte. In diesem Zustand wurde eine Gasauslassflussrate gemessen, und eine Leckrate wurde abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Gas nicht ausleckte.
Als nächstes wurde zum Bestätigen der Wirkungen des Heißpressens bei einer Temperatur von 120°C ein Membranelektrodenverbundkörper 1 zwischen eine elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und eine elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3 eingebettet, in denen Gaskanäle angeordnet waren, dann wurde die Untersuchung dieser Einzelzelle durch Anlegen eines Oberflächendrucks von außen unter Verwendung der Metallplatten 26 mit den eingebauten Heizelementen 25 ohne Heißpressen durchgeführt, so dass sie verschieden von dem erfindungsgemäßen Beispiel 2 war. Von außen wurde auf die so gebildete Einzelzelle in dieser Weise durch Federn ein Druck aufgebracht, so dass über die gesamte Oberfläche des Membranelektrodenverbundkörpers 1 ein Druck von 49N/cm² herrschte. In diesem Zustand wurde Stickstoffgas durch die Gaskanäle geleitet, die mit der Brennstoffelektrode in Verbindung stehen, und eine Einlassgasflussrate wurde unter Verwendung einer Massenflusssteuerung so eingestellt, dass auf der Gaseinlassseite ein Druck von 200mm Wassersäule herrschte. In diesem Zustand wurde eine Gasausflussrate gemessen, und eine Leckrate wurde abgeschätzt. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass etwa 7% des Gases aus der Brennstoffelektrode herausleckten. Da die zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 und der Membranelektrodenverbundkörper 1 der auf diese Weise gebildeten Einzelzelle nicht integriert waren, war weiterhin die Arbeit des Zusammenbaus und dergleichen schwieriger als in dem Fall des zweiten erfindungsgemäßen Beispiels.
Es wurde auch eine andere Untersuchung durchgeführt zum Bestätigen der Wirkungen des Heißpressens bei einer Temperatur von 120°C. In einer ähnlichen Weise wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel wurde ein Membranelektrodenverbundkörper 1 gebildet. Dieser Membranelektrodenverbundkörper 1 wurde anschließend zwischen zwei elektrisch leitende Begrenzungsplatten 2 und 3 eingefügt, in denen Gaskanäle angeordnet waren, und der gestapelte Körper wurde in eine Spannvorrichtung eingesetzt, die durch Federn einen Druck aufbrachte. Auf den gestapelten Körper wurde durch die Federn von außen ein Druck so aufgebracht, dass über die gesamte Oberfläche des Membranelektrodenverbundkörpers 1 ein Druck von 49N/cm² herrschte. In diesem Zustand wurde Stickstoffgas durch die Gaskanäle geleitet, die mit einer Elektrode des gestapelten Körpers in Verbindung stehen, wobei eine Gasflussrate so eingestellt wurde, dass auf einer Gaseinlassseite ein Druck von 200mm Wassersäule herrschte. Eine Gasausflussrate wurde in diesem Zustand gemessen, und eine Leckrate wurde abgeschätzt, wobei die Ergebnisse zeigten, dass etwa 12% des Gases nach außen leckten. Die gesamte Spannvorrichtung wurde in diesem Zustand in einen auf 120°C eingestellten Ofen gestellt, dort für 2 Stunden gehalten und anschließend abgekühlt. Nach dem Abkühlen wurde der Kompressionsbetrag in den Federn so eingestellt, dass der obige Druck wieder erzielt wurde, und wenn das Gaslecken wieder durch das obige Verfahren gemessen wurde, leckte das Gas nicht mehr aus.
Durch Stapeln des Membranelektrodenverbundkörpers 1 und der zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 und durch Wiedererweichen des thermoplastischen Harzes, das Abschnitte der Elektrodensubstrate 9 und 10 füllt, durch Erwärmen ist es auf diese Weise mög lich, die zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 und den Membranelektrodenverbundkörper 1 miteinander zu verbinden. Außerdem können durch diese Verbindung zufriedenstellende Gasabdichtungseigenschaften erzielt werden, bei denen das Gas nicht ausleckt.
Durch Integrieren des Membranelektrodenverbundkörpers 1 und der zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 werden Zusammenbauvorgänge für die Einzelzelle erleichtert, und die Gasabdichtungseigenschaften werden verbessert.
Da das Harz aufgeweicht wird, wenn die Einzelzelle gestapelt ist und Oberflächendruck angelegt ist, wird die Einzelzelle auf natürliche Weise in ihrer stabilsten Form und Position fixiert. Aus diesem Grund werden verbesserte Gasabdichtungseigenschaften erzielt.
Da in einer Brennzelle dieser Art die Elektrodensubstrate 9 und 10 und die zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 durch das Harz miteinander verbunden sind, das die abdichtenden Halteabschnitte 11 und 12 füllt, werden Gase nicht durch Lücken zwischen den zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 und den Elektrodensubstraten 9 und 10 nach draußen lecken. Da die zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 und der Membranelektrodenverbundkörper 1 integriert sind, wird außerdem die Handhabung während der Herstellung erleichtert.
Da das Harz, das die abdichtenden Halteabschnitte 11 und 12 der Elektrodensubstrate 9 und 10 füllt, eine Verbindung zwischen der Elektrolytmembran 6 und den zwei Begrenzungsplatten 2 und 3 bildet, gibt es eine Luftdichtigkeit zwischen den Elektrodensubstraten 9 und 10 und der Elektrolytmembran 6 und zwischen den Elektrodensubstraten 9 und 10 und den Begrenzungsplatten 2 und 3, was das Lecken von Gasen nach außen verhindert.
Ein erfindungsgemäßes Beispiel 3 unterscheidet sich von dem erfindungsgemäßen Beispiel 1 in der Dicke der Harzschichten zum Liefern des Füllharzes; der Rest ist ähnlich und eine Erläuterung ähnlicher Abschnitte unterbleibt. Zwei Arten von Harzschichten mit Dicken von 212μm und 164μm wurden jeweils verwendet, um die Menge des Füllharzes so einzustellen, dass etwa 90 Vol.-% bzw. 50 Vol.-% des Porenvolumens in den Elektrodensubstraten 9 und 10 belegt waren. Diese Membranelektrodenverbundkörper 1 wurden jeweils anschließend zwischen eine elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und eine elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3 eingelegt, in denen Gaskanäle angeordnet waren, und für 2 Minuten bei 120°C heißgepresst. Durch diesen Vorgang wurde das thermoplastische Harz, das die abdichtenden Halteabschnitte 11 und 12 des Oxidationselektrodensubstrats 9 und des Brennstoffelektrodensubstrats 10 füllt, wieder erweicht, wodurch die elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und die elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3 mit dem Membranelektrodenverbundkörper 1 verbunden wurden. Die Einzelzellen wurden anschließend in eine Spannvorrichtung eingesetzt, die durch Federn einen Druck ausübte. Der Druck von außen wurde durch die Federn so ausgeübt, dass über den gesamten Oberflächenbereich des Membranelektrodenverbundkörpers 1 ein Druck von 49N/cm² herrschte. In diesem Zustand wurde Stickstoffgas durch Gaskanäle geführt, die mit der Brennstoffelektrode (Kathode) in Verbindung stehen, und eine Einlassgasflussrate wurde unter Verwendung einer Massenflusssteuerung so eingestellt, dass auf der Gaseinlassseite ein Druck von 200mm Wassersäule herrschte. In diesem Zustand wurde eine Gasauslassflussrate gemessen, und eine Leckrate wurde abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigten, dass es nahezu kein Gaslecken gab, wenn die Menge des Füllharzes 90 Vol.-% betrug, und das etwa 2% des Gases von der Brennstoffelektrode nach außen leckten, wenn die Menge des Füllharzes 50% betrug, aber diese Einzelzellen waren hinreichend brauchbar für praktische Zwecke.
Zum Vergleichen der Menge von Harz pro Porenvolumeneinheit innerhalb der Elektrodensubstrate 9 und 10 wurde als nächstes eine Untersuchung durchgeführt, bei der die Dicke der Harzschichten verringert wurde. Die Dicke der Füllharzschicht wurde auf 140μm eingestellt. Die Menge des Füllharzes wurde so eingestellt, dass ungefähr 40 Vol.-% des Porenvolumens in den Elektrodensubstraten belegt war. Dieser Membranelektrodenverbundkörper 1 wurde anschließend zwischen einer elektrisch leitfähigen Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und einer elektrisch leitfähigen Brennstoffbegrenzungsplatte 3 eingebettet, in denen Gaskanäle angeordnet waren, und für 2 Minuten bei 120°C heißgepresst. Durch diesen Vorgang wurde das thermoplastische Harz, das die abdichtenden Halteabschnitte 11 und 12 des Oxidationselektrodensubstrats 9 und des Brennstoffelektrodensubstrats 10 füllt, wieder erweicht, wodurch die elektrisch leitende Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und die elektrisch leitende Brennstoffbegrenzungsplatte 3 mit dem Membranelektrodenverbundkörper 1 verbunden wurden. Die Einzelzellen wurden anschließend in eine Spannvorrichtung eingesetzt, die durch Federn einen Druck ausübte. Der Druck von außen wurde durch die Federn so ausgeübt, dass über den gesamten Oberflächenbereich des Membranelektrodenverbundkörpers 1 ein Druck von 49N/cm² herrschte. In diesem Zustand wurde Stickstoffgas durch Gaskanäle geführt, die mit der Brennstoffelektrode in Verbindung stehen, und eine Einlassgasflussrate wurde unter Verwendung einer Massenflusssteuerung so eingestellt, dass auf der Gaseinlassseite ein Druck von 200mm Wassersäule herrschte. In diesem Zustand wurde eine Gasauslassflussrate gemessen, und eine Leckrate wurde abgeschätzt. Ergebnisse zeigten, dass annähernd 18% des Gases von der Brennstoffelektrode nach außen leckte, was die Einzelzelle für praktische Zwecke unbrauchbar machte.
Wenn die Poren der Elektrodensubstrate 9 und 10 nicht mindestens zu 50 Vol.-% mit Harz gefüllt sind, werden somit die Gas abdichtungen zwischen der elektrisch leitenden Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2 und dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und zwischen der elektrisch leitenden Brennstoffbegrenzungsplatte 3 und dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 nicht zufriedenstellend sein. Vorzugsweise, wenn sie mit mindestens 90 Vol.-% gefüllt sind, wird die Möglichkeit des Gasleckens beträchtlich verringert.
8 zeigt einen Schnitt durch einen Membranelektrodenverbundkörper gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Membranelektrodenverbundkörper 40 gemäß dem vierten erfindungsgemäßen Beispiel unterscheidet sich von dem Membranelektrodenverbundkörper 1 des ersten erfindungsgemäßen Beispiels in den äußeren Abmessungen einer Elektrolytmembran 6, eines Brennstoffelektrodensubstrats 10, eines Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9, einer Anodenkatalysatorschicht 7 und einer Kathodenkatalysatorschicht 8; da der Rest ähnlich ist, unterbleibt die Erläuterung der ähnlichen Abschnitte.
Die äußere Form der Elektrolytmembran 6, des Brennstoffelektrodensubstrats 10 und des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 war ein Quadrat mit 60mm Seitenlänge. Die äußere Form der Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht 8 war ein Quadrat mit 50mm Seitenlänge.
Für den Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt 12 und den Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt 11 wurden Formen mit sechs verschiedenen Werten für die Innenabmessungen vorbereitet. Diese Innenabmessungen waren jeweils um 0,4mm, 1,0mm, 2,0mm, 6,0mm, 10,0mm und 14,0mm kleiner als die Außenabmessungen der Kathodenkatalysatorschicht 8 und der Anodenkatalysatorschicht 7.
In der Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht 8 wurden zusätzlich rahmenförmige äußere Randabschnitte 41 von einem äußeren Rand aus nach innen mit Harz gefüllt. Die Innenabmessungen dieser äußeren Randabschnitte 41 waren gleich den Innenabmessungen des Brennstoff abdichtenden Halteabschnitts 12 und des Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitts 11.
Die Anodenkatalysatorschicht 7 und die Kathodenkatalysatorschicht 8 waren von zwei Seiten her an den mit Harz gefüllten äußeren Randabschnitten mit der Elektrolytmembran 6 verbunden. Die rahmenförmigen Verbindungsbreiten W betrugen 0,2, 0,5, 1,0, 3,0, 5,0 und 7,0mm. Weiterhin waren der Brennstoff abdichtende Halteabschnitt 12 und der Oxidationsmittel abdichtende Halteabschnitt 11 in ähnliche Weise wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel mit der Elektrolytmembran 6 verbunden.
Weiterhin wurden der Brennstoff abdichtende Halteabschnitt 12, der Oxidationsmittel abdichtende Halteabschnitt 11 und die äußeren Randabschnitte mit Harz gefüllt, indem zuerst Polyesterharzbögen in einer ähnlichen Weise wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel rahmenförmig ausgeschnitten wurden, die Elektrolytmembran 6 von zwei Seiten zwischen das Brennstoffelektrodensubstrat 10, auf dem bereits die Kathodenkatalysatorschicht 8 gebildet war, und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9, auf dem bereits die Anodenkatalysatorschicht 7 gebildet war, mit den Polyesterharzschichten dazwischen eingefügt und heißgepresst, um sie mit dem Harz zu füllen. Wenn die 180°-Abschälkraft gemessen wurden, indem die Elektrolytmembran 6 von dem Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt 12 und dem Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt 11 abgerissen wurde, betrug die Abschälstärke pro Zentimeter Breite etwa 1,2N/cm.
Als nächstes wurden fünf Einzelzellen für jede der Verbindungsbreiten W ähnlich wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel unter Verwendung dieser Membranelektrodenverbundkörper 40 hergestellt, und eine kontinuierliche Leistungserzeugung wurde über 2000 Stunden durchgeführt. 9 zeigt (einen Mittelwert für 5) Leerlaufspannungen zu Beginn der Leistungserzeugung und nach 2000 Stunden für jede der Verbindungsbreiten W.
Wie aus 9 ersichtlich, trat zwischen den zwei Katalysatorschichten 7 und 8 und der Elektrolytmembran 6 an den äußeren Randabschnitten 41 der zwei Katalysatorschichten 7 und 8 während der kontinuierlichen Leistungserzeugung über 2000 Stunden ein Abschälen zwischen den zwei Katalysatorschichten 7 und 8 und der Elektrolytmembran 6 auf, und eine Leerlaufspannung sank aufgrund der durch Spannungskonzentrationen in der Elektrolytmembran 6 bewirkten Beschädigungen. Da die Oberfläche der mit Harz gefüllten Katalysatorschichten 7 und 8 erhöht wird, wenn die Verbindungsbreite größer als 5mm ist, durchdringt der Brennstoff oder das Oxidationsmittel diese Bereiche nicht, was die Oberfläche der Katalysatorschichten begrenzt, die die elektrochemischen Reaktionen durchführen, und was somit die Lastspannung zu Beginn der Leistungserzeugung verringert. Somit ist es zu bevorzugen, dass die Verbindungsbreite W größer gleich 0,5mm und kleiner gleich 5,0mm ist.
Weil die sich aus Unterschieden der Feuchtigkeit in der Elektrolytmembran während des Betriebs der Brennstoffzelle ergebenden Spannungskonzentrationen somit gemindert werden und die Katalysatorschichten, die Elektrodensubstrate und die Elektrolytmembran durch Verbinden der äußeren Randabschnitte der Katalysatorschichten und der Elektrolytmembran miteinander unter Verwendung des Harzes integriert sind, tritt ein Abschälen der Katalysatorschichten, eine Beschädigung der Elektrolytmembran, ein Abschälen an der Grenzfläche zwischen der Elektrolytmembran und den Katalysatorschichten und dergleichen nicht auf, wodurch eine Brennstoffzelle mit stabilen elektrischen Leistungsabgabeeigenschaften gewonnen wird.
10 zeigt einen Schnitt durch einen Membranelektrodenverbundkörper gemäß einem fünften erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Ein Membranelektrodenverbundkörper 43 gemäß dem fünften erfindungsgemäßen Beispiel unterschied sich von dem Membranelektrodenverbundkörper 40 des vierten erfindungsgemäßen Beispiels darin, dass die äußeren Abmessungen eines Brennstoffelektrodensubstrats 10 und eines Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 kleiner waren als eine Elektrolytmembran; da der Rest ähnlich ist, werden ähnlichen Abschnitten gleiche Bezugszeichen zugeordnet, und ihre Erklärung unterbleibt. Weiterhin betrug die Verbindungsbreite W in den äußeren Randabschnitten 41 1mm.
Die äußere Form des Brennstoffelektrodensubstrats 10 und des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 war ein Quadrat mit 58mm Seitenlänge.
Wenn die äußere Form des Brennstoffelektrodensubstrats 10 und des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 wie in dem vierten erfindungsgemäßen Beispiel gleich der äußeren Form der Elektrolytmembran 6 ist, kann es vorkommen, wenn eine Fehljustierung auftritt, während das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 beim Verbinden mit der Elektrolytmembran 6 mit Harz gefüllt werden, dass Abschnitte erzeugt werden, in denen das Brennstoffelektrodensubstrat 10 oder das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 weiter nach außen vorsteht als ein äußerer Randbereich der Elektrolytmembran 6. Da die Elektrolytmembran 6 dünn ist mit einer Dicke von 50μm, gibt es, wenn das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 an den gleichen Stellen vorste hen, das Risiko, dass die zwei Elektrodensubstrate miteinander Kontakt bekommen und einen Kurzschluss bilden.
Da die zwei Elektrodensubstrate 9 und 10 in dem auf diese Weise aufgebauten Membranelektrodenverbundkörper 43 des fünften erfindungsgemäßen Beispiels auch dann nicht weiter nach außen vorstehen werden als äußere Randabschnitte der Elektrolytmembran 6, wenn beim Verbindung und mit Harz füllen eine Fehljustierung auftritt, kann verhindert werden, dass die zwei Elektrodensubstrate miteinander Kontakt bekommen und einen Kurzschluss bilden.
Weiterhin haben bei dem fünften erfindungsgemäßen Beispiel das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 beide Abmessungen, die kleiner als die Elektrolytmembran 6 sind, aber ähnliche Wirkungen können auch erzielt werden, in dem nur die Abmessungen entweder des Brennstoffelektrodensubstrats 10 oder des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 kleiner gemacht werden.
11 zeigt einen Schnitt durch einen Membranelektrodenverbundkörper gemäß einem sechsten erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Ein Membranelektrodenverbundkörper 45 gemäß dem sechsten erfindungsgemäßen Beispiel unterschied sich von dem Membranelektrodenverbundkörper 40 des vierten erfindungsgemäßen Beispiels darin, dass Seiten- und Endflächen des Membranelektrodenverbundkörpers 45 durch ein Harz 46 bedeckt waren; da der Rest ähnlich ist, werden ähnlichen Abschnitten gleiche Bezugszeichen zugeordnet, und ihre Beschreibung unterbleibt.
Bei dem erfindungsgemäßen Beispiel 6 wurde das Füllen des Harzes unter Verwendung von Polyesterharzbögen durchgeführt, die rahmenförmig mit einer äußeren Kantenlänge von 65mm zugeschnit ten waren. Wenn eine Verbindungsfläche zwischen der Elektrolytmembran und dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 oder dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 mit äußeren Abschnitten in Verbindung steht, gibt es ein Risiko, dass der Brennstoff oder das Oxidationsmittel über die Verbindungsfläche zwischen der Elektrolytmembran 6 und dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 oder dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 nach außen lecken kann, wenn die Brennstoffzelle aufgebaut wird und elektrische Leistung erzeugt wird.
Wenn jedoch die äußeren Randabschnitte der Elektrodensubstrate 9 und 10 mit einem Harz gefüllt werden unter Verwendung von Polyesterharzbögen, die größer sind als die Außenabmessungen der Elektrolytmembran 6 kann, da das Harz die gesamten äußeren Endflächen der Elektrodensubstrate 9 und 10 und der Elektrolytmembran 6 bedeckt, beim Erzeugen von Leistung eine stabile Leistungserzeugung ohne Gaslecken durchgeführt werden, weil Endabschnitte der Verbindungsflächen zwischen der Elektrolytmembran 6 und dem Brennstoffelektrodensubstrat 10 bzw. dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 von dem Harz umgeben sind und nicht mit äußeren Abschnitten in Verbindung stehen.
12 zeigt einen Schnitt durch eine Einzelzelle entsprechend einem siebten erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung. Die Abmessungen eines Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 und einer Elektrolytmembran 6 des siebten erfindungsgemäßen Beispiels unterschieden sich von denen des ersten erfindungsgemäßen Beispiels; da der Rest ähnlich ist, werden ähnlichen Abschnitten die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, und ihre Beschreibung unterbleibt. Eine äußere Form des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 des siebten erfindungsgemäßen Beispiels war ein Quadrat mit 87mm Kantenlänge (L1), und die Form der Elektrolytmembran war ein Quadrat mit 90mm Kantenlänge (L2). Weiter war die Form eines Brennstoffelektrodensubstrats 10 dieselbe wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel, näm lich ein Quadrat mit 90mm Kantenlänge. Als dieses Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und dieses Brennstoffelektrodensubstrat 10 mit der Elektrolytmembran 6 gestapelt und durch Heißpressen miteinander verbunden wurden, wurden das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9, das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und die Elektrolytmembran 6 so angeordnet, dass ihre Mitten fluchteten. Anders ausgedrückt wurden das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und die Elektrolytmembran 6, die die gleiche Größe aufweisen, so gestapelt, dass ihre äußeren Ränder fluchteten, und zusätzlich wurden die äußeren Endabschnitte des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 1,5mm innerhalb von äußeren Endabschnitten der Elektrolytmembran 6 angeordnet. Als die äußeren Randabschnitte des Membranelektrodenverbundkörpers 1 optisch nach dem Verbinden beobachtet wurden, lagen Endabschnitte des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 weiter nach innen als Endabschnitte der Elektrolytmembran 6, und die zwei Elektroden waren nirgendwo in direktem Kontakt. Dieser Membranelektrodenverbundkörper 1 wurde unter Verwendung ähnlicher Verfahren wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel betrieben, und die zu einem Zeitpunkt 50 Stunden nach der Inbetriebnahme gemessene Ausgangsspannung betrug 705mV.
Bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel waren die äußeren Abmessungen des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 und des Brennstoffelektrodensubstrats 10 kleiner die äußeren Abmessungen der Elektrolytmembran 6. Außerdem waren bei dem siebten erfindungsgemäßen Beispiel die äußeren Abmessungen des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 kleiner als die äußeren Abmessungen der Elektrolytmembran 6.
Dann wurden Brennstoffzellen untersucht, bei denen die äußeren Abmessungen der Elektrolytmembran 6 und die äußeren Abmessungen des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 und des Brennstoffelektrodensubstrats 10 gleich waren. Eine Einzelzelle dieser Brennstoffzelle unterschied sich von der des ersten erfindungs gemäßen Beispiels nur darin, dass eine äußere Form eines Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 ein Quadrat mit 90mm Seitenlänge ist; da der Rest ähnlich ist, werden ähnlichen Abschnitten die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, und ihre Beschreibung unterbleibt.
Elemente dieser Art wurden hergerichtet, um einen Membranelektrodenverbundkörper 1 in ähnlicher Weise wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel zu bilden. Als die äußeren Randendabschnitte dieses Membranelektrodenverbundkörpers 1 durch optische Inspektion und Stereomikroskopie beobachtet wurden, waren äußere Randendabschnitte der Elektrolytmembran weiter nach innen eingedrungen als äußere Randendabschnitte des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 und des Brennstoffelektrodensubstrats 10, und demzufolge gab es Abschnitte, wo es den Anschein hatte, dass das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 miteinander in Kontakt gekommen und kurzgeschlossen waren. Dann wurde der Membranelektrodenverbundkörper 1 unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens wie bei dem ersten erfindungsgemäßen Beispiel betrieben, und als die Ausgangsspannung zu einem Zeitpunkt 50 Stunden nach der Inbetriebnahme gemessen wurde, war sie bedeutend niedriger als bei der Einzelzelle in 5, nämlich 563mV.
Da bei dem Membranelektrodenverbundkörper 1 nach 12 das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 kleiner war als die Elektrolytmembran 6 und die äußeren Randendabschnitte des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 weiter innen gelegen waren als die äußeren Randendabschnitte der Elektrolytmembran 6, wurde eine normale Spannung erzielt, ohne dass das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 elektrisch kurzgeschlossen waren. Demzufolge ist es nicht absolut notwendig, die Größe der Elektrolytmembran 6 größer als das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 zu machen, wie in dem vierten erfindungsgemäßen Beispiel, vorausgesetzt, dass äußere Randendabschnitte zumindest entweder des Oxidationsmittelelektrodensubstrats 9 oder des Brennstoffelektrodensubstrats 10 weiter innen liegen als die äußeren Randendabschnitte der Elektrolytmembran 6.
Wenn dagegen das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 die gleiche Größe wie die Elektrolytmembran 6 hatten, war es schwierig, unter Verwendung der Elektrolytmembran 6 das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 und das Brennstoffelektrodensubstrat 10 vollständig voneinander zu isolieren, und die Ausgangsspannung war gering, da Kurzschlüsse auftraten.
13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Abschälkraft und einer Leerlaufunterspannung nach 2000 Stunden in einer Einzelzelle zeigt, die einen Membranelektrodenverbundkörper entsprechend einem achten erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die Harze, die die Elektrodensubstrate in dem Membranelektrodenverbundkörpern des achten erfindungsgemäßen Beispiels füllen, unterscheiden sich von denen in dem Membranelektrodenverbundkörper des vierten erfindungsgemäßen Beispiels; da der Rest ähnlich ist, unterbleibt die Erklärung der ähnlichen Abschnitte.
Die fünf zum Füllen verwendeten Arten von Harz umfassten: das Polyesterharz des vierten erfindungsgemäßen Beispiels, zwei Arten von Polyethylen, ein Polypropylen und ein Polybuten. Die Membranelektrodenverbundkörper wurden in einer ähnlichen Weise wie bei dem vierten erfindungsgemäßen Beispiel hergestellt. Dabei wurden äußere Randabschnitte der Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht 8, d.h. die Verbindungsbreiten, konstant auf 1mm eingestellt. Zusätzlich wurde der Füll faktor des Harzes so eingestellt, dass er konstant bei etwa 90% lag.
Bei diesen Membranelektrodenverbundkörpern wurde die Abschälkraft beim Abziehen der durch das Harz verbundenen Elektrodensubstrate 9 und 10 von der Elektrolytmembran 6 unter Verwendung einer Universaltestvorrichtung gemessen. Die Messung wurde durchgeführt durch Abziehen von Musterelektrolytmembranen mit einer Breite von 1cm in einer 180°-Richtung mit einer Geschwindigkeit von 30mm pro Minute.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Abschälkräfte für Polyester, das erste Polyethylen, das zweite Polyethylen, das Polypropylen und das Polybuten jeweils 1,18N/cm, 0,49N/cm, 0,30N/cm, 0,15N/cm bzw. 0,10N/cm betrugen.
Dann wurden die Brennstoffzellen in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform unter Verwendung von fünf Exemplaren jeden Typs von Membranelektrodenverbundkörper betrieben. Die Leerlaufspannung zu Beginn der Leistungserzeugung betrug für alle Harze durchschnittlich 951mV.
Wie aus 13 ersichtlich, überstieg die Leerlaufunterspannung nach Ablauf von 2000 Stunden nicht 4%, wenn die Abschälkraft größer gleich 0,3N/cm war. Wenn die Abschälkraft darunter lag, wurde die Menge der Abnahme groß und für die praktische Verwendung unbrauchbar.
Wenn die Abschälkraft zwischen der Elektrolytmembran 6 und den Elektrodensubstraten 9 und 10 kleiner als 0,3N/cm war, trat an äußeren Randabschnitten der Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht 8 ein Abschälen der Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht 8 von der Elektrolytmembran 6 auf, was die Leerlaufspannung aufgrund der durch die Spannungskonzentrationen in der Elektrolytmembran bewirkten Beschädigungen erheblich verringerte.
Wenn dagegen die Abschälkraft zwischen der Elektrolytmembran 6 und dem Elektrodensubstrat 9 und 10 größer gleich 0,30N/cm war, wurde kein Abschälen zwischen der Anodenkatalysatorschicht 7 und der Kathodenkatalysatorschicht und der Elektrolytmembran 6 beobachtet, wodurch auch die Leerlaufunterspannung verringert werden konnte.
14 zeigt einen Schnitt durch eine Einzelzelle gemäß einem neunten erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung. 15 zeigt einen Schnitt durch die Einzelzelle in dem Abschnitt B-B in 14. 16 zeigt einen Schnitt durch die Einzelzelle in dem Abschnitt C-C in 14. 17 zeigt einen Schnitt durch die Einzelzelle in dem Abschnitt D-D in 14.
Wie in 15 dargestellt, wurde eine Einzelzelle gemäß dem neunten erfindungsgemäßen Beispiel gebildet durch: einen Membranelektrodenverbundkörper 1 ähnlich dem des ersten erfindungsgemäßen Beispiels; ein Paar erster und zweiter Dichtungen, die von außen mit dem Membranelektrodenverbundkörper in Kontakt sind in einer gemeinsamen Ebene an einem Paar entgegengesetzter erster und zweiter Endabschnitte des Membranelektrodenverbundkörpers; und eine Brennstoffbegrenzungsplatte 3B und eine Oxidationsbegrenzungsplatte 2B, in der in einer Dickerichtung an ersten und zweiten Endabschnitten verschiedene Verteilerleitungen angeordnet sind zum Zuführen und Ablassen von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlflüssigkeit. Zusätzlich wurden Abdichtungen gebildet an Kontaktflächen zwischen der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B und den Dichtungen 51 und 52 und zwischen der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B und den Dichtungen 51 und 52 unter Verwendung von Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-O-Ringen 53 (EPDM).
Da der Membranelektrodenverbundkörper 1 ähnlich dem Membranelektrodenverbundkörper 1 des ersten erfindungsgemäßen Beispiels ist, unterbleibt seine Beschreibung.
Die erste und die zweite Dichtung 51 und 52 waren aus Polyethylen und hatten die gleiche Dicke wie der Membranelektrodenverbundkörper 1. Wenn die erste und die zweite Dichtung 51 und 52 so angeordnet wurden, dass sie von außen mit dem ersten und zweiten Endabschnitt des Membranelektrodenverbundkörpers 1 in Kontakt standen, war ihre zusammengesetzte äußere Form gleich der äußeren Form der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B.
Eine Brennzuführleitung 54a, eine Oxidationsmittelablassleitung 55a und eine Kühlflüssigkeitszuführleitung 56a waren in der ersten Dichtung so bereitgestellt, dass sie in einer Dickerichtung hindurchgingen. Eine Brennstoffablassleitung 57a, eine Oxidationsmittelzuführleitung 58a und eine Kühlflüssigkeitszuführleitung 59a waren in der zweiten Dichtung 52 so bereitgestellt, dass sie in einer Dickerichtung hindurchgingen.
Die Brennstoffbegrenzungsplatte 3B und die Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B wiesen Gaskanäle und Kühlflüssigkeitskanäle auf, die durch Bearbeiten einer Kohleplatte bereitgestellt wurden (hergestellt von Tokai Carbon Co., Ltd.).
Eine erste und eine zweite Brennstoffzuführleitung 54b und 54c, eine erste und zweite Oxidationsmittelablassleitung 55b und 55c, eine erste und eine zweite Kühlflüssigkeitszuführleitung 56b und 56c, eine erste und eine zweite Brennstoffablassleitung 57b und 57c, eine erste und zweite Oxidationsmittelzuführleitung 58b und 58c und eine erste und eine zweite Kühlflüssigkeitsablassleitung 59b und 59c wurden an ersten und zweiten Endabschnitten der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B und der Oxidationsbegrenzungsplatte 2B so bereitgestellt, dass sie in ei ner Dickerichtung hindurchgingen, so dass sie mit den verschiedenen in der ersten und der zweiten Dichtung 51 und 52 angeordneten Leitungen in Verbindung stehen, wenn sie in einer Einzelzelle zusammengebaut sind.
Eine Zuführverbindungsrinne 62a, die mit der ersten Brennstoffzuführleitung 54b in Verbindung steht, und eine Ablassverbindungsrinne 63a, die mit der ersten Brennstoffablassleitung 57b in Verbindung steht, waren auf einer Oberfläche 61a (im folgenden "abgewandte Oberfläche") der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B auf einer Seite angeordnet, die einer dem Membranelektrodenverbundkörper 1 zugewandten Oberfläche 60a (im folgenden "zugewandte Oberfläche" genannt) gegenüberliegt.
Diese Zuführverbindungsrinne 62a und diese Ablassverbindungsrinne 63a erstreckten sich durch in dem Dichtungsbereich 5 liegende Abschnitte der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B bis zu in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 liegenden Abschnitten der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B. Eine Zuführdurchgangsöffnung 64a und eine Ablassdurchgangsöffnung 65a, die durch die Brennstoffbegrenzungsplatte 3B von der abgewandten Oberfläche 61a zu der zugewandten Oberfläche 60a durchgingen, waren so angeordnet, dass sie jeweils mit Enden der Zuführverbindungsrinne 62a und der Ablassverbindungsrinne 63a fluchteten, die in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 lagen. Zusätzlich war in der zugewandten Oberfläche 60a ein gewundener Brennstoffkanal 66 angeordnet, der die Zuführdurchgangsöffnung 64a und die Ablassdurchgangsöffnung 65a miteinander verband.
Somit gelangte Brennstoff von der ersten Brennstoffzuführleitung 54b durch die Zuführverbindungsrinne 62a in der abgewandten Oberfläche 61a, die Zuführdurchgangsöffnung 64a, den Brennstoffkanal 66 in der zugewandten Oberfläche 60a, die Ablassdurchgangsöffnung 65a und die Ablassverbindungsrinne 63a in der abgewandten Oberfläche 61a und wurde über die erste Brennstoffablassleitung 57b abgeleitet.
In ähnlicher Weise wie bei der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B waren in der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B eine Zuführverbindungsrinne 62b, die mit der zweiten Oxidationsmittelzuführleitung 58c in Verbindung stand, und eine Ablassverbindungsrinne 63b, die mit der zweiten Oxidationsmittelablassleitung 55c in Verbindung stand, in einer Oberfläche 61b (im folgenden "abgewandte Oberfläche" genannt) der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B auf einer Seite bereitgestellt, die einer dem Membranelektrodenverbundkörper 1 zugewandten Oberfläche 60b (im folgenden "zugewandte Oberfläche" genannt) gegenüberlag. Diese Zuführverbindungsrinne 62b und Ablassverbindungsrinne 63b erstrecken sich durch in dem Dichtungsabschnitt 5 liegende Abschnitte der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B bis zu in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 liegenden Abschnitten der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B. Eine Zuführdurchgangsöffnung 64b und eine Ablassdurchgangsöffnung 65b, die die Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B von der abgewandten Oberfläche 61b zu der zugewandten Oberfläche 60b durchdrangen, waren so bereitgestellt, dass sie jeweils mit in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 liegenden Enden der Zuführverbindungsrinne 62b und der Ablassverbindungsrinne 63b fluchteten. Außerdem war ein gewundener Oxidationsmittelkanal 67 in der zugewandten Oberfläche 60b angeordnet, der die Zuführdurchgangsöffnung 64b und die Ablassdurchgangsöffnung 65b miteinander verband.
Somit gelangte das zugeführte Oxidationsmittel von der zweiten Oxidationsmittelzuführleitung 58c durch die Zuführverbindungsrinne 62b in der abgewandten Oberfläche 61b, die Zuführdurchgangsöffnung 64b, den Oxidationsmittelkanal 67 in der zugewandten Oberfläche 60b, die Ablassdurchgangsöffnung 65b und die Ablassverbindungsrinne 63b in der abgewandten Oberfläche 61b und wurde über die zweite Oxidationsmittelablassleitung 55c abgeleitet.
Außerdem war ein gewundener Kühlflüssigkeitskanal 68, der die zweite Kühlflüssigkeitszuführleitung 56c und die zweite Kühlflüssigkeitsablassleitung 59c verband, in der abgewandten Oberfläche 61b der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2B angeordnet.
Gleichzeitig wurde zum Vergleich mit der Einzelzelle des erfindungsgemäßen Beispiels 9 eine Einzelzelle gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel hergestellt. Mit Bezug auf 18 unterschied sich die Einzelzelle des ersten Vergleichsbeispiels von der Einzelzelle des neunten erfindungsgemäßen Beispiels darin, dass die erste und die zweite Dichtung 51 und 52 weggelassen wurden. Die äußere Form der Elektrolytmembran 6 des Membranelektrodenverbundkörpers des ersten Vergleichsbeispiels war stattdessen wie in 18 dargestellt gleich wie die äußere Form der Brennstoffbegrenzungsplatte 3B. Rahmenförmige Fluorharzdichtungen 69 mit einer Dicke von 250μm wurden durch Crimpen von einer ersten und einer zweiten Seite aus auf Abschnitten der Elektrolytmembran 6 angeordnet, die das Brennstoffelektrodensubstrat 10 und das Oxidationsmittelelektrodensubstrat 9 umgaben. Eine (nicht dargestellte) Brennstoffzuführleitung, eine (nicht dargestellte) Oxidationsmittelablassleitung, eine Kühlflüssigkeitszuführleitung 56d, eine (nicht dargestellte) Brennstoffablassleitung, eine (nicht dargestellte) Oxidationsmittelzuführleitung und eine Kühlflüssigkeitsablassleitung 59d wurden in diesen gecrimpten Fluorharzdichtungen 69 so bereitgestellt, dass sie in einer Dickerichtung hindurchgingen.
Da der Rest ähnlich war wie bei dem Membranelektrodenverbundkörper 1 des ersten erfindungsgemäßen Beispiels, unterbleiben Erläuterungen ähnlicher Abschnitte.
Unter Verwendung eines Lecktesters wurden die Leckraten der Einzelzellen des neunten erfindungsgemäßen Beispiels und des ersten Vergleichsbeispiels gemessen, aber bei keiner trat ein Lecken von Gas auf.
Da jedoch bei der Einzelzelle des ersten Vergleichsbeispiels die Elektrolytmembran 6 der Kühlflüssigkeitszuführleitung 56d und der Kühlflüssigkeitsablassleitung 59d ausgesetzt ist, ist es nicht möglich, als Kühlflüssigkeit Flüssigkeiten zu verwenden, die große Mengen an Ionen enthalten, die die Elektrolytmembran 6 verschmutzen würden, oder Lösungsmittel, die bewirken würden, dass die Elektrolytmembran 6 anschwillt oder sich auflöst.
Im Gegensatz dazu ist der Kühlflüssigkeitskanal in der Einzelzelle des erfindungsgemäßen Beispiels 9 nur in Kontakt mit den Dichtungen 51 und 52 aus Polyethylen und den Kohlebegrenzungsplatten 2B und 3B, und Polyethylen und Kohlenstoff haben eine hohe Beständigkeit gegenüber Wasser und Ethylenglykol. Da die Elektrolytmembran 6 nicht in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit ist, wird die Elektrolytmembran 6 nicht durch Ionen in der Kühlflüssigkeit verunreinigt.
Da Abschnitte wie z.B. die Elektrolytmembran 6 und die Elektrodensubstrate 9 und 10, die unter Verwendung teurer Materialien gebildet werden, mit der minimal erforderlichen Größe aufgebaut sind, können kostengünstige Brennstoffzellen bereitgestellt werden.
Da Brennstoff- und Oxidationsmittelkanäle nicht an Grenzflächen zwischen den Begrenzungsplatten 2B und 3B und den abdichtenden Halteabschnitten 11 und 12 des Membranelektrodenverbundkörpers 1 angeordnet sind, kann der Membranelektrodenverbundkörper 1 an diesen Grenzflächen abgedichtet werden. Aus diesem Grund können die Dichtungen 51 und 52, in denen die verschiedenen Vertei lungsleitungen bereitgestellt sind, durch kostengünstige Materialien ersetzt werden.
Da an den Dichtungen 51 und 52 kein elektrisches Potential angelegt wird, sind sie nicht dessen Einfluss auf die Korrosion unterworfen.
Da die Kühlflüssigkeit und die Elektrolytmembran 6 sich nicht direkt berühren, können andere Kühlflüssigkeiten als reines Wasser verwendet werden.
Da als Kühlflüssigkeit Flüssigkeiten verwendet werden können, die Ethylenglykol usw. enthalten, können Kühlflüssigkeiten verwendet werden, die den Eigenschaften der Brennschutzzelle entsprechend wie z.B. einem Frostschutz usw.
19 zeigt eine Draufsicht auf eine einen Membranelektrodenverbundkörper berührende Oberfläche einer Brennstoffbegrenzungsplatte, die in einer Einzelzelle entsprechend einem zehnten erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 20 zeigt einen Schnitt durch die Brennstoffbegrenzungsplatte in dem Abschnitt E-E in 19. 21 zeigt eine Draufsicht auf eine einer einen Membranelektrodenverbundkörper berührenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche einer Oxidationsmittelbegrenzungsplatte, die in der Einzelzelle des zehnten erfindungsgemäßen Beispiels verwendet wird. 22 zeigt einen Schnitt durch die Einzelzelle gemäß dem zehnten erfindungsgemäßen Beispiel in einem ähnlichen Abschnitt E-E wie bei 19.
Eine Brennstoffbegrenzungsplatte 3C und eine Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2C einer Einzelzelle entsprechend dem zehnten erfindungsgemäßen Beispiel unterschieden sich von denen der Einzelzellen des neunten erfindungsgemäßen Beispiels; da der Rest ähnlich ist, werden ähnliche Abschnitte mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung unterbleibt.
Wie in 19 und 20 dargestellt waren in der Brennstoffbegrenzungsplatte 3C ein Zuführverbindungsrinne 62c, die sich von einer Oxidationsmittelzuführleitung 58b aus erstreckt, und eine Ablassverbindungsrinne 63c, die sich von einer Oxidationsmittelablassleitung 55b aus erstreckt, in der abgewandten Oberfläche 61a einer Brennstoffbegrenzungsplatte 3B entsprechend dem neunten erfindungsgemäßen Beispiel bereitgestellt. Ein ausgedehntes Ende dieser Zuführverbindungsrinne 62c war oberhalb einer Zuführdurchgangsöffnung 64b der in 21 gezeigten Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2C angeordnet, und ein ausgedehntes Ende der Ablassverbindungsrille 63c war über einer Ablassdurchgangsöffnung 65b der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2C angeordnet.
Gleichzeitig wurden in der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte 2C wie in 21 dargestellt die in dem Leistungserzeugungsabschnitt 4 angeordnete Zuführdurchgangsöffnung 64b und Ablassdurchgangsöffnung 65b so bereitgestellt, dass sie hindurchgingen, und ein mit der Zuführdurchgangsöffnung 64b und der Ablassdurchgangsöffnung 65b in Verbindung stehender Oxidationsmittelflusskanal 67 wurde auf einer zugewandten Seite 60b bereitgestellt.
Somit unterschied sich wie in 22 dargestellt der Wegverlauf des Zuführens und Ablassens des Oxidationsmittel der Einzelzelle des zehnten erfindungsgemäßen Beispiels von dem der Einzelzelle des neunten erfindungsgemäßen Beispiels. Das Oxidationsmittel floss von der Oxidationsmittelzuführleitung 58b durch die Zuführverbindungsrinne 62c die Zuführdurchgangsöffnung 64b, den Oxidationsmittelflusskanal 67, die Ablassdurchgangsöffnung 65b und die Ablassverbindungsrinne 63c zu der Oxidationsmittelablassleitung 55b.
Da somit eine Bearbeitung nur an zwei Oberflächen der Brennstoffbegrenzungsplatte und an einer Oberfläche der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte erforderlich ist, können Herstellungskosten verringert werden. Weiterhin wird die Rinnenverarbeitung auf zwei Oberflächen der Brennstoffbegrenzungsplatte angewendet, aber Bearbeitungskosten können auch dadurch verringert werden, wenn Rinnen in zwei Oberflächen der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte eingearbeitet werden.
23 zeigt eine Stapelung einer Einzelzelle gemäß einem elften erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Eine Einzelzelle entsprechend dem elften erfindungsgemäßen Beispiel unterschied sich von der Einzelzelle des neunten erfindungsgemäßen Beispiels darin, dass anstelle des EPDM-O-Rings 53 ein weichelastisches verformbares Harz 71 verwendet wurde. Da der Rest ähnlich dem neunten erfindungsgemäßen Beispiel war, sind ähnliche Abschnitte mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Erläuterung unterbleibt.
Für das weichelastische verformbare Harz 71 können z.B. Ethylen-Propylen-Dien-Monomere (EPDM) und Silicongummiharze verwendet werden, aber das weichelastisch verformbare Harz 71 ist nicht auf diese eingeschränkt.
Da auf den Membranelektrodenverbundkörper auf diese Weise durch Bilden einer Abdichtung um die verschiedenen Verteilungsleitungen unter Verwendung des weichelastisch verformbaren Harze zuverlässig ein Oberflächendruck aufgebracht werden kann, können Situationen verhindert werden, bei denen ein auf die Einzelzelle aufgebrachter Druck um die verschiedenen Verteilungsleitungen herum absorbiert wird und der Oberflächendruck nicht auf den Membranelektrodenverbundkörper 1 wirken kann.
Weil das Harz, das den in dem Dichtungsabschnitt liegenden Membranelektrodenverbundkörper füllt, verschieden sein kann von dem Dichtungsharz, das die Abdichtung um die verschiedenen Verteilungsleitungen herum bildet, können für jeden Zweck geeignete Harze verwendet werden. Das Füllharz kann ausgesucht werden unter Berücksichtigung von Eigenschaften wie z.B. dass es bei einer Temperatur schmilzt, die größer gleich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und kleiner gleich der Wärmetoleranzschwelle der Elektrolytmembran ist, um in die Elektrodensubstrate einzudringen, oder von Eigenschaften bezüglich des Wassers, das aus Luft, Wasserstoff, chemischen Reaktionen usw. entsteht. Da andererseits as Harz, dass die Abdichtung um die Verteilungsleitungen bildet, nicht schmelzen muss, kann es unter Berücksichtigungen von Eigenschaften wie überlegene Abdichtung oder Ölwiderstandsfähigkeit mit Bezug auf organische Lösungsmittel wie z.B. Ethylenglykol usw. ausgewählt werden.
Außerdem wurde ein Beispiel erläutert, bei dem die gesamten Oberflächen der Dichtungen 50 durch das Weichharz mit der Brennstoffbegrenzung 3 und der Oxidationsmittelbegrenzung 2 verbunden sind, aber ähnliche Wirkungen können auch erzielt werden, wenn Abdichtungen nur um den Umfang jeder der verschiedenen Leitungen herum gebildet werden.

Claims

Brennstoffzelle mit einem Membranelektrodenverbundkörper (1), bei dem eine Kathodenkatalysatorschicht (8) und eine Anodenkatalysatorschicht (7) an Mittelabschnitte von zwei Oberflächen einer Festpolymerelektrolytmembran (6) anschließen und weiter beidseitig zwischen einem Brennstoffelektrodensubstrat (10) mit einer Oberfläche größer als die der Kathodenkatalysatorschicht (8) und einem Oxidationsmittelelektrodensubstrat (9) mit einer Oberfläche größer als die der Anodenkatalysatorschicht (7) gehalten sind, wobei Poren eines Brennstoff abdichtenden Halteabschnitts (12), der die Kathodenkatalysatorschicht (8) in dem Brennstoffelektrodensubstrat (10) umgibt, teilweise oder ganz mit einem Harz gefüllt sind, Poren eines Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitts (11), der die Anodenkatalysatorschicht (7) in dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat (9) umgibt, teilweise oder ganz mit dem Harz gefüllt sind, und der Brennstoff abdichtende Halteabschnitt (12) und der Oxidationsmittel abdichtende Halteabschnitt (11) durch das Harz mit der Festpolymerelektrolytmembran (6) verbunden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der ein äußerer rahmenförmiger Randabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht (8) und ein äußerer rahmenförmiger Randabschnitt der Anodenkatalysatorschicht (7) jeweils mit dem Harz getränkt sind und der äußere Randabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht (8) und der äußere Randabschnitt der Anodenkatalysatorschicht (7) jeweils durch das Harz mit der Festpolymerelektrolytmembran (6) verbunden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, bei der eine Rahmenbreite des äußeren Randabschnitts der Kathodenkatalysatorschicht (8) und des äußeren rahmenförmigen Randabschnitts der Anodenkatalysatorschicht (7) größer gleich 0,5 mm und kleiner gleich 5 mm ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein äußerer Randendabschnitt zumindest des Oxidationsmittelelektrodensubstrats (9) oder des Brennstoffelektrodensubstrats (10) innerhalb eines äußerer Randendabschnitts der Festpolymerelektrolytmembran (6) gelegen ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein äußerer Randendabschnitt des Oxidationsmittelelektrodensubstrats (9), des Brennstoffelektrodensubstrats (10) und der Festpolymerelektrolytmembran (6) von dem Harz umgeben ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Harz eine gehärtete Form eines flüssigen Harzes ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Harz ein thermoplastisches Harz ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als eine Maximaltemperatur während des Betriebs der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der mindestens 50% des Volumens der Poren des Brennstoff abdichtenden Halteabschnitts (12) und des Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitts (11) mit dem Harz gefüllt sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eine Abschälstärke zwischen dem Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt (12) und der der Festpolymerelektrolytmembran (6) und zwischen dem Oxidationsmittel abdichtenden Halteab schnitt (11) und der Festpolymerelektrolytmembran (6) mindestens 0,30 N/cm beträgt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) und einer Brennstoffbegrenzungsplatte (3), die den Membranelektrodenverbundkörper (1) von zwei Seiten halten, wobei das Oxidationsmittelelektrodensubstrat (9) durch das Harz mit der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) verbunden ist und das Brennstoffelektrodensubstrat (10) durch das Harz mit der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) verbunden ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, bei der ein äußerer Randabschnitt der Anodenkatalysatorschicht (7) durch das Harz mit der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) verbunden ist und ein äußerer Randabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht (8) durch das Harz mit der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) verbunden ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10 oder 11, bei der das den Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt (11) füllende Harz eine durchgehende Harzschicht ist, die eine Verbindung zwischen der Festpolymerelektrolytmembran (6) und der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) bildet, und das den Brennstoff abdichtenden Halteabschnitt (12) füllende Harz eine durchgehende Harzschicht ist, die eine Verbindung zwischen der Festpolymerelektrolytmembran (6) und der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) bildet.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Brennstoffbegrenzungsplatte (3) und die Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) aufweisen: verschiedene Leitungen (54, 55, 57, 58), durch die ein Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zugeführt bzw. abgelassen werden und die jeweils an einer Stelle außerhalb der Anodenkatalysatorschicht (7) bereitgestellt sind, wo die Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) und die Brennstoffbegrenzungsplatte (3) sich überlappen, eine Zuführverbindungsrinne (62) und eine Ablassverbindungsrinne (63), die auf Oberflächen der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) und der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2), die von den dem Elektrodenmembranverbundkörper (1) zugewandten Oberflächen abgewandt sind, in Abschnitten angeordnet sind, die sich mit dem Oxidationsmittel abdichtenden Halteabschnitt (11) überlappen, so dass sie sich von den verschiedenen Leitungen (54, 55, 57, 58) aus entlang der abgewandten Oberflächen erstrecken, eine Zuführdurchgangsöffnung (64) und eine Ablassdurchgangsöffnung (65), die an mit der Anodenkatalysatorschicht (7) überlappenden Abschnitten der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) und der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) so angeordnet sind, dass sie von der abgewandten Oberfläche zu der zugewandten Oberfläche durchgehen und jeweils mit der Zuführverbindungsrinne (62) bzw. der Ablassverbindungsrinne (63) verbunden sind, und einen Fließkanal (66, 67), der in den zugewandten Oberflächen so angeordnet ist, dass er eine Verbindung zwischen der Zuführdurchgangsöffnung (64) und der Ablassdurchgangsöffnung (65) bildet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, bei der die Brennstoffbegrenzungsplatte (3) und die Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) aufweisen: eine Kühlflüssigkeitszuführleitung (56) und eine Kühlflüssigkeitsablassleitung (57), durch die eine Kühlflüssigkeit zugeführt bzw. abgelassen wird und die jeweils an einer Stelle außerhalb des Membranelektrodenverbundkörpers (1) bereitgestellt sind, wo die Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) und die Brennstoffbegrenzungsplatte (3) sich überlappen, und einen Kühlflusskanal, der auf einer Oberfläche der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) oder der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2), die von der dem Elektrodenmembranverbundkörper (1) zugewandten Oberfläche abgewandt ist, so angeordnet sind, dass sie eine Verbindung zwischen der Kühlflüssigkeitszuführleitung (56) und der Kühlflüssigkeitsablassleitung (59) bildet, wobei die Brennstoffzelle weiter eine Dichtung (51, 52) enthält, die neben dem Elektrodenmembranverbundkörper (1) angeordnet ist und in der verschiedene Leitungen an Positionen angebracht sind, die sich mit den verschiedenen Leitungen (54, 55, 56, 57, 58, 59) in der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) überlappen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, bei der eine Grenzfläche zwischen der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) und der Dichtung (51, 52) sowie zwischen der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) und der Dichtung (51, 52) durch ein Dichtungsmaterial abgedichtet ist, das von dem Harz verschieden ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Kühlflüssigkeit Ethylenglykol, Wasser oder eine Mischung daraus ist.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle mit einem Vorgang zum Bilden eines rahmenförmigen Abschnitts auf einer Elektrodensubstratplatte (20) durch Füllen der Elektrodensubstratplatte (20) mit einem thermoplastischen Harz in Form eines Rahmens, indem ein rahmenförmiger Bogen des thermoplastischen Harzes (21) auf der Elektrodensubstratplatte (20) gestapelt wird und dann der Bogen des thermoplastischen Harzes (21) durch Aufbringen von Druck und Hitze von zwei Seiten aus geschmolzen wird, einem Vorgang zum Bilden eines Brennstoffelektrodensubstrats (10), auf dem eine Kathodenkatalysatorschicht (8) angeordnet ist, durch Drucken und Trocknen einer Kathodenkatalysatorpaste auf einer ersten Oberfläche auf einem Mittelabschnitt einer ersten Elektrodensubstratplatte (20), der von dem mit dem thermoplastischen Harz gefüllten rahmenförmigen Abschnitt der ersten Elektrodensubstratplatte (20) umgeben ist, einem Vorgang zum Bilden eines Oxidationsmittelelektrodensubstrats (7), auf dem eine Anodenkatalysatorschicht (7) angeordnet ist, durch Drucken und Trocknen einer Anodenkatalysatorpaste auf einer zweiten Oberfläche auf einem Mittelabschnitt einer zweiten Elektrodensubstratplatte (20), der von dem mit dem thermoplastischen Harz gefüllten rahmenförmigen Abschnitt der zweiten Elektrodensubstratplatte (20) umgeben ist, einem Vorgang zum Bilden eines Schichtkörpers durch Stapeln des Brennstoffelektrodensubstrats (10) und des Oxidationsmittelelektrodensubstrats (9) auf einer ersten und einer zweiten Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran (6), so dass die Kathodenkatalysatorschicht (8) und die Anodenkatalysatorschicht (7) Kontakt zu der Festpolymerelektrolytmembran (6) haben, und einem Vorgang zum Herstellen eines Membranelektrodenverbundkörpers (1) durch Verbinden des Brennstoffelektrodensubstrats (10) und des Oxidationsmittelelektrodensubstrat (9) mit der Festpolymerelektrolytmembran (6), indem das thermoplastische Harz durch Aufbringen von Druck und Hitze von zwei Seiten des geschichteten Körpers aus wiederaufgeschmolzen wird.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 17 mit einem Vorgang zum Herstellen einer Einzelzelle durch Bilden eines Einzelzellenschichtkörpers durch Stapeln einer Brennstoffbegrenzungsplatte (3) und einer Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) auf und unter den Membranelektrodenverbundkörper (1) und durch jeweiliges Verbinden der Brennstoffbegrenzungsplatte (3) mit dem Brennstoffelektrodensubstrat (10) und der Oxidationsmittelbegrenzungsplatte (2) mit dem Oxidationsmittelelektrodensubstrat (9) mit dem thermoplastischen Harz, indem von oben und unten Druck und Hitze auf den Einzelzellenschichtkörper aufgebracht werden.