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Bereich der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Brennstoffzelle wird vorgeschlagen, welche eine Wasserstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode einschließt, die auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran bereitgestellt ist, welche ein Wasserstoffion durchdringt. Eine Reaktion, die durch eine Gleichung, wie nachstehend beschrieben, dargestellt wird, wird sowohl an der Wasserstoffelektrode als auch an der Sauerstoffelektrode hervorgerufen, wodurch elektromotorische Kraft erzeugt wird.
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Wasserstoffelektrode (Anode):
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H2 → 2H+ + 2e– (Anodenreaktion)
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Sauerstoffelektrode (Kathode):
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½O2 + 2H+ + 2e– → H2O (Kathodenreaktion)
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Verschiedene Typen von Brennstoffzellen wurden gemäß des Typs der Elektrolytmembran vorgeschlagen. Zum Beispiel wurden eine Festoxid-Brennstoffzelle, eine Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle und eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle vorgeschlagen. In letzter Zeit wurde Aufmerksamkeit auf die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gelegt, aus dem Grund, daß die elektrische Energiedichte hoch ist, so daß die Größe verringert werden kann, die Betriebstemperatur relativ niedrig ist, und aus anderen Gründen. Verschiedene Verbesserungen der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle wurden untersucht.
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Es gibt eine Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, welche durch Stapeln von vielfachen Einheitszellen durch Separatoren gebildet wird. Jede der Einheitszellen weist eine gasdiffusionsfähige Anode und eine gasdiffusionsfähige Kathode auf, welche auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran bereitgestellt sind. In der Brennstoffzelle mit der Stapelstruktur (hiernach als Brennstoffzellenstapel bezeichnet) neigt die Temperatur der Einheitszellen, welche an beiden Endbereichen in einer Richtung positioniert sind, in welcher die Einheitszellen gestapelt sind (hiernach als Zellenstapelrichtung bezeichnet), aufgrund von Wärmestrahlung dazu, niedriger als die der Einheitszellen zu sein, welche in einem Mittelbereich positioniert sind. Folglich wird in den Einheitszellen an beiden Endbereichen des Brennstoffzellenstapels der Dampfdruck verringert. Durch die zuvor genannte Reaktion erzeugtes Wasser wird wahrscheinlich angesammelt.
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In der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist es wichtig, Wasser in jeder der Einheitszellen zu kontrollieren, um die Leitfähigkeit des Wasserstoffions in der Elektrolytmembran sicherzustellen, und die Gasdiffusionsfähigkeit an einer Gasdiffusionselektrode sicherzustellen, welche durch Stapeln einer Katalysatorschicht und einer Gasdiffusionsschicht gebildet wurden. Wenn zum Beispiel die Menge an Wasser, welches in der Elektrolytmembran enthalten ist, absinkt, sinkt die Leitfähigkeit des Wasserstoffions und demzufolge sinkt die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Ebenso tritt sogenanntes Überfluten auf, wenn erzeugtes Wasser in der Gasdiffusionselektrode angesammelt wird, und die Gassdiffusivität sinkt. Als Ergebnis sinkt die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Daher werden verschiedene Technologien, welche sich auf die Kontrolle von Wasser in den Einheitszellen der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle beziehen, vorgeschlagen.
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Zum Beispiel offenbart die offengelegte Japanische Patentveröffentlichung Nr.
JP H09-092322 A eine verwandte Technologie, in welcher ein Flußbetrag eines Oxidationsmittelgases an beiden Endbereichen eines Brennstoffzellenstapels erhöht und der Flußbetrag des Oxidationsmittelgases an einem Mittelbereich des Brennstoffzellenstapels erniedrigt wird, wodurch die Mengen an Wasser, welche in vielen Elektrolytmembranen enthalten sind, einheitlich gemacht werden.
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Ebenso offenbart die offengelegte Japanische Patentveröffentlichung Nr.
JP 2001-357869 A eine Technologie, in welcher die Wasserabweisung der Kathodengas-Diffusionsschichten von Einheitszellen, welche an beiden Endbereichen eines Brennstoffzellenstapels positioniert sind, im Vergleich zu Einheitszellen, welche an anderen Bereichen positioniert sind, verringert wird, oder in welcher die Gaspermeabilität der Kathodengas-Diffusionsschichten der Einheitszellen, die an beiden Endbereichen positioniert sind, verglichen mit den Einheitszellen, die an anderen Bereichen positioniert sind, erhöht wird, wodurch die Ansammlung von überschüssigem Wasser in den Kathoden-Katalysatorschichten unterdrückt wird.
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In allen diesen Technologien wird eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen durch Kontrollieren des feuchten Zustands der Einheitszellen unterdrückt.
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In der Technologie jedoch, die in der zuvor genannten offengelegten Japanischen Patentveröffentlichung Nr.
JP H09-092322 A offenbart wird, gibt es ein Problem, daß die Kontrolle des Flußbetrages des Oxidationsmittelgases kompliziert wird. Ebenso wird in der Technologie, welche in der zuvor genannten offengelegten Japanischen Patentveröffentlichung Nr.
JP 2001-357869 A offenbart wird, ein Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht unter Berücksichtigung der Wasserabstoßung und Gaspermeabilität kompliziert.
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Diese Erfindung wurde gemacht, um die zuvor genannten Probleme zu lösen. Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur selbst in dem Fall zu unterdrücken, in dem die Temperatur oder der feuchte Zustand einer Einheitszelle nicht optimal sind.
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Gemäß der Erfindung werden die folgenden Konfigurationen angewendet, um zumindest einen Teil der zuvor genannten Probleme zu lösen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur nach Anspruch 1, welche durch Stapeln von vielfachen Einheitszellen gebildet wurde, von denen jede eine Anode und eine Kathode einschließen, welche auf beiden Seiten einer vorbestimmten Elektrolytmembran zur Verfügung gestellt sind. Die Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, daß jede der vielfachen Einheitszellen ferner eine katalytische Schicht einschließt, welche mindestens in der Anode oder in der Kathode bereitgestellt ist, und welche einen Katalysator zum Vorantreiben einer Anodenreaktion oder einer Kathodenreaktion trägt. Die vielfachen Einheitszellen schließen eine Einheitszelle ein, welche eine Katalysatorschicht umfaßt, die einen Katalysator trägt, der sich von den durch die Katalysatorschichten anderer Einheitszellen getragenen Katalysatoren mindestens im Gewicht oder in der spezifischen Oberfläche unterscheidet.
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Die Beschreibung ”ein Katalysator, welcher in seinem Typ unterschiedlich ist” bezeichnet, daß der Typ eines einzelnen Elements, welches den Katalysator aufbaut, unterschiedlich ist, daß der Typ von Legierung, welche als Katalysator verwendet wird, unterschiedlich ist, daß das Zusammensetzungsverhältnis von Elementen, welche in der Legierung enthalten sind und als Katalysator verwendet werden, unterschiedlich ist, oder daß ein Träger, welcher den Katalysator trägt, unterschiedlich ist. Ebenso bezeichnet die Beschreibung ”eine Katalysatorschicht, welche einen Katalysator trägt, der im Gewicht von Katalysatoren unterschiedlich ist, die durch Katalysatorschichten der anderen Einheitszellen getragen werden” zum Beispiel, daß die Dicke der Katalysatorschicht unterschiedlich ist von der Dicke der Katalysatorschichten von anderen Einheitszellen in dem Fall, in dem Katalysatoren mit dem gleichen Teilchendurchmesser mit der gleichen Dichte in der Katalysatorschicht und in den anderen Katalysatorschichten getragen werden. Die spezifische Oberfläche bezeichnet eine Fläche pro Einheitsgewicht.
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Im allgemeinen tritt in dem Brennstoffzellenstapel eine vorbestimmte Temperaturverteilung während des Betriebes aufgrund der Wärmestrahlung gegen die Atmosphäre und des Kühlmittels als Ergebnis seiner Struktur auf. Ebenso tritt eine uneinheitliche Verteilung des feuchten Zustands der Elektrolytmembran gemäß der Temperaturverteilung auf. Demzufolge tritt eine uneinheitliche Verteilung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Einheitszelle ebenso in dem Brennstoffzellenstapel gemäß der Temperaturverteilung und der Verteilung der Menge von in der Elektrolytmembran enthaltenem Wasser auf.
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Ebenso sind in dem Fall, in dem ein durch eine Katalysatorschicht einer Einheitszelle getragener Katalysator in Typ, Gewicht oder spezifischer Oberfläche unterschiedlich von Katalysatoren ist, welche durch Katalysatorschichten von anderen Einheitszellen getragen werden ist, die Reaktionsraten der Anodenreaktion und der Kathodenreaktion in der Einheitszelle unterschiedlich von jenen in anderen Einheitszellen. Folglich wird die Leistungsfähigkeit des Katalysators, welche durch Typ, Gewicht oder spezifische Oberfläche des Katalysators bestimmt wird, als ”katalytische Fähigkeit” bezeichnet.
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In der Konfiguration gemäß der Erfindung kann die Brennstoffzelle durch Stapeln der vielfachen Einheitszellen gebildet werden, welche die Einheitszelle einschließen, welche die Katalysatorschicht einschließt, die den Katalysator trägt, welcher von den Katalysatoren mindestens im Gewicht oder in der spezifischen Oberfläche unterschiedlich ist, die durch die Katalysatorschichten von anderen Einheitszellen getragen werden, um eine Abnahme in der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit aufgrund der Temperaturverteilung und der Temperaturverteilung der Menge an in der Elektrolytmembran in dem Brennstoffzellenstapel enthaltenen Wasser zu kompensieren. Das heißt, die Einheitszelle, welche die Katalysatorschicht mit der höheren Katalysatorfähigkeit als die der Katalysatorschichten von anderen Einheitszellen einschließt, kann bei einem Bereich positioniert werden, wo die Temperatur wahrscheinlich abnimmt, einem Bereich, an dem wahrscheinlich Überflutung eintritt, oder einem Bereich, welcher wahrscheinlich getrocknet wird.
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In der Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur ist es mit der Konfiguration möglich, eine ausreichende Fläche zu erhalten, in welcher jede der zuvor genannten Reaktion in dem Bereich auftritt, in dem die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit wahrscheinlich abnimmt. Demzufolge ist es möglich, eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle selbst in dem Fall zu unterdrücken, in dem die Temperatur oder der feuchte Zustand der Einheitszelle nicht optimal sind.
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Die katalytische Fähigkeit braucht nicht notwendigerweise eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit vollständig zu kompensieren. Die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit von jeder Einheitszelle kann jedoch durch Verändern der katalytischen Fähigkeit einheitlich gemacht werden, so daß eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit dafür ausreichend kompensiert werden kann.
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In der zuvor genannten Brennstoffzelle können die vielfachen Einheitszellen gemäß einer Temperaturverteilung oder einer Verteilung eines feuchten Zustands in der Brennstoffzelle positioniert werden.
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In der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle schließt eine Einheitszelle, welche an mindestens einem von zwei Endbereichen in der Zellenstapelrichtung der Stapelstruktur positioniert ist, eine Katalysatorschicht ein, welche einen Katalysator trägt, der mindestens im Gewicht oder in der spezifischen Oberfläche groß ist, verglichen mit einem Katalysator, welcher durch eine Katalysatorschicht einer Einheitszelle getragen wird, die an einem anderen Bereich als einem der beiden Endbereiche positioniert ist.
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In dem Brennstoffzellenstapel wird die Temperatur in der Einheitszelle an den Endbereichen und in der Zellenstapelrichtung wahrscheinlich abnehmen. Wahrscheinlich wird Überflutung in der Einheitszelle an den Endbereichen eintreten. Folglich wird die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit in der Einheitszelle an den Endbereichen wahrscheinlich abnehmen.
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Mit der Konfiguration ist es möglich, eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Einheitszelle zu unterdrücken, welche an den Endbereichen positioniert ist, wo die Temperatur wahrscheinlich abnehmen und Überflutung wahrscheinlich auftreten wird. Die zuvor genannte Einheitszelle, welche an den Endbereichen positioniert ist, kann eine Einheitszelle oder vielfache Einheitszellen einschließen. Wenn die Einheitszelle, welche an den Endbereichen positioniert ist, viele Einheitszellen einschließt, können mindestens das Gewicht oder die spezifische Oberfläche der Katalysatoren, welche durch die Katalysatorschichten der vielfachen Einheitszellen getragen werden, die an den Endbereichen positioniert sind, schrittweise oder kontinuierlich gemäß der Temperaturverteilung verändert werden.
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In diesem Fall kann jede der Einheitszellen, welche an beiden Endbereichen in der Zellenstapelrichtung der Stapelstruktur positioniert ist, eine Katalysatorschicht einschließen, welche eine Katalysator trägt, der mindestens im Gewicht oder der spezifischen Oberfläche groß ist, verglichen zu einem Katalysator, welcher durch eine Katalysatorschicht einer Einheitszelle getragen wird, welche an einem anderen Bereich als einem der beiden Endbereiche positioniert ist.
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Mit der Konfiguration ist es möglich, eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle weiter zu unterdrücken.
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In der zuvor genannten Brennstoffzelle kann eine Einheitszelle, welche an mindestens einem von beiden Endbereichen in einer Zellenstapelrichtung der Stapelstruktur positioniert ist, eine Katalysatorschicht einschließen, welche einen Katalysator trägt, welcher die Reaktionsrate erhöht, verglichen zu einem Katalysator, welcher durch eine Katalysatorschicht einer Einheitszelle getragen wird, die an einem anderen Bereich als einem der beiden Endbereichen positioniert ist.
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Mit der Konfiguration ist es möglich, eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Einheitszelle zu unterdrücken, welche an den Endbereichen positioniert ist, in welchen die Temperatur wahrscheinlich abnehmen und Überflutung wahrscheinlich eintreten wird.
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In diesem Fall kann jede der Einheitszellen, die an beiden Endbereichen in der Zellenstapelrichtung der Stapelstruktur positioniert ist, eine Katalysatorschicht einschließen, welche einen Katalysator trägt, der eine Reaktionsrate erhöht, verglichen zu einem Katalysator, welcher durch eine Katalysatorschicht einer Einheitszelle getragen wird, die in einem anderen Bereich als einem der beiden Endbereich positioniert ist.
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Mit der Konfiguration ist es möglich, eine Abnahme in der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle weiter zu unterdrücken.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, welche durch Stapeln von vielfachen Einheitszellen gebildet wurde, von denen jede eine Anode und eine Kathode einschließt, welche auf beiden Seiten einer vorbestimmten Elektrolytmembran bereitgestellt sind. Die Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, daß jede der vielfachen Einheitszellen ferner eine katalytische Schicht einschließt, welche mindestens in der Anode oder in der Kathode bereitgestellt ist, und welche einen Katalysator zum Vorantreiben der Anodenreaktion oder einer Kathodenreaktion trägt. Die vielfachen Einheitszellen schließen mindestens eine Einheitszelle ein, welche eine Katalysatorschicht einschließt, in der eine Verteilung in der Ebene mindestens des Typs des Katalysators uneinheitlich ist.
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Die zuvor genannte Temperaturverteilung und die Verteilung der Menge von Wasser, das in der Elektrolytmembran enthalten ist, tritt ebenso in der Ebene von mindestens einer Einheitszelle auf. Demzufolge tritt die Verteilung in der Ebene der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit ebenso gemäß der Temperaturverteilung und der Verteilung der Menge von in der Elektrolytmembran enthaltenem Wasser auf.
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Gemäß der Erfindung wird der Typ des Katalysators in der Katalysatorschicht von mindestens einer Einheitszelle einheitlich gemacht, um die Verteilung in der Ebene der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit aufgrund der Temperaturverteilung und der Verteilung der Menge an in der Elektrolytmembran enthaltenem Wasser in der Ebene von mindestens einer Einheitszelle zu kompensieren. Das heißt, die katalytische Fähigkeit der Katalysatorschicht wird in einem Bereich, in dem die Temperatur wahrscheinlich abnehmen wird, in einem Bereich, in dem wahrscheinlich Überflutung auftreten wird, in einem Bereich, welcher wahrscheinlich trocknen wird, verglichen zu der katalytischen Fähigkeit der Katalysatorschichten in anderen Bereichen erhöht. Zum Beispiel wird wahrscheinlich im allgemeinen die Temperatur an den Randbereichen der Einheitszelle, verglichen zu dem Mittelbereich der Zelle, abnehmen. Folglich wird die katalytische Fähigkeit an den Randbereichen der Einheitszelle, verglichen zu dem Mittelbereich der Einheitszelle erhöht.
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Mit der Konfiguration in der Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur ist es möglich, eine ausreichende Fläche zu erhalten, in welcher jede der zuvor genannten Reaktionen an einem Bereich jeder Zelle auftritt, in dem die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit wahrscheinlich abnehmen wird. Demzufolge ist es möglich, eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu unterdrücken, selbst in dem Fall, in dem die Temperatur oder der feuchte Zustand der Einheitszelle nicht optimal sind.
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In der zuvor genannten Brennstoffzelle kann die Verteilung in der Ebene in der mindestens einen Einheitszelle von einer Temperaturverteilung in der Ebene oder einer Verteilung in der Ebene eines feuchten Zustandes in der Einheitszelle abhängen.
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Ebenso kann in der zuvor genannten Brennstoffzelle ferner die Verteilung in der Ebene von mindestens Gewicht pro Einheitsfläche oder spezifischer Oberfläche des Katalysators in der Katalysatorschicht mindestens einer Einheitszelle uneinheitlich sein, so daß mindestens das Gewicht pro Einheitsfläche oder die spezifische Oberfläche des Katalysator in einem Randbereich in einer Ebenenrichtung, verglichen zu einem anderen Bereich als dem Randbereich, groß ist.
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In der zuvor genannten Brennstoffzelle ist die Verteilung in der Ebene des Typs des Katalysators in der Katalysatorschicht von mindestens einer Einheitszelle uneinheitlich, so daß die Reaktionsrate in einem Randbereich in der Ebenenrichtung, verglichen zu einem anderen Bereich als dem Randbereich, hoch ist.
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In der Brennstoffzelle gemäß sowohl des ersten als auch des zweiten Aspekts der Erfindung kann die Elektrolytmembran eine Festpolymer-Elektrolytmembran sein.
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Da die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, verglichen zu anderen Typen von Brennstoffzellen, bei einer niedrigen Temperatur betrieben wird, beeinflußt die Temperaturverteilung in großem Maße die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Einheitszelle und ferner die elektrische Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Wie ebenso vorstehend beschrieben wurde, ist es in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle wichtig, die Menge an Wasser, das in der Elektrolytmembran enthalten ist, zu kontrollieren. Wenn demzufolge die Brennstoffzelle gemäß der Erfindung auf die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle angewendet wird, ist es möglich, eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit aufgrund einer Abnahme in der Temperatur, Überflutung oder Trocknung zu unterdrücken. Auf diese Weise können große Wirkungen erhalten werden, insbesondere wenn die Brennstoffzelle gemäß der Erfindung auf die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle angewendet wird.
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Die Brennstoffzelle gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung und die Brennstoffzelle gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung können kombiniert werden.
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Die vorstehenden Ausführungsformen und andere Ausführungsformen, Ziele, Merkmale, Vorteile, technische und industrielle Eigenarten dieser Erfindung werden durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden, in welchen:
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1 eine perspektivische Ansicht ist, welche das äußere Erscheinungsbild eines Brennstoffzellenstapels 10 zeigt;
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2 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Struktur einer Einheitszelle 100 zeigt;
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3A bis 3C erklärende graphische Darstellungen sind, welche die Konfiguration von Elektroden gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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4A bis 4C erklärende graphische Darstellungen sind, welche die Verteilungen in dem Brennstoffzellenstapel 10 in der Zellenstapelrichtung zeigen;
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5A bis 5C erklärende graphische Darstellungen sind, welche Konfigurationen von Elektroden gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigen, und
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6A und 6B erklärende graphische Darstellungen sind, welche ein Beispiel einer Konfiguration einer Elektrode einer Einheitszelle 100 gemäß eines modifizierten Beispiel 1 zeigen.
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In der folgenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung in größerem Detail mit Hilfe von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben.
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Eine Konfiguration eines Brennstoffzellenstapels wird beschrieben.
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1 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein äußeres Erscheinungsbild eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, wird der Brennstoffzellenstapel 10 durch Stapeln einer vorbestimmten Anzahl von Einheitszellen 100 gebildet. Die Anzahl der gestapelten Einheitszellen kann auf jede Anzahl gemäß der benötigten Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 festgesetzt werden.
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Eine Einheitszelle 100 erzeugt elektromotorische Spannung von ungefähr 1 V. Jede Einheitszelle 100 ist als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gebildet. Die Einheitszelle 100 weist eine Struktur auf, in welcher eine Sauerstoffelektrode, eine Elektrolytmembran und eine Wasserstoffelektrode in dieser Anordnung zwischen Separatoren verbunden sind. In dem Brennstoffzellenstapel 10 wird ein Separator durch die anliegenden Einheitszellen 100 geteilt. Die Struktur der Einheitszelle 100 wird im Detail später beschrieben.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 wird durch Stapeln einer Endplatte 12, einer Isolierplatte 16, einer Stromsammelplatte 18, vielfachen Einheitszellen 100, einer Stromsammelplatte 20, einer Isolierplatte 22 und einer Endplatte 14 in dieser Reihenfolge von einem Ende her gebildet. Die Endplatten 12 und 14 sind unter Verwendung eines Metalls wie Stahl gebildet, um Steifigkeit sicherzustellen. Die Stromsammelplatten 18 und 20 sind unter Verwendung eines gasimpermeablen und leitfähigen Elements, wie verdichteter Kohlenstoff oder eine Kupferplatte, gebildet. Die Isolierplatten 16 und 22 sind unter Verwendung eines isolierenden Elements, wie Gummi oder Harz, gebildet. Die Stromsammelplatte 18 ist mit einem Ausgangsanschluß 19 versehen und die Stromsammelplatte 20 mit einem Ausgangsanschluß 21, wodurch die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Energie ausgegeben werden kann.
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Die Endplatte 14 ist auf einer Seite mit einem Brennstoffgas-Zufuhranschluß 35, einem Brennstoffgas-Ausstoßanschluß 36, einem Oxidiergas-Zufuhranschluß 33, einem Oxidiergas-Ausstoßanschluß 34, einem Kühlmittel-Zufuhranschluß 31 und einem Kühlmittel-Ausstoßanschluß 32 versehen. Das der Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte Brennstoffgas von dem Brennstoffgas-Zufuhranschluß 35 wird zu jeder der Einheitszellen 100 verteilt, während es der Endplatte 12 zufließt. Das zu jeder der Einheitszellen 100 verteilte Brennstoffgas fließt in einen Durchgang in der Einheitszelle 100 von einer Oberseite zu einer Unterseite in der Figur und dann zu der Seite der Endplatte 14, um von dem Brennstoffgas-Ausstoßanschluß 26 ausgestoßen zu werden. In ähnlicher Weise wird das Oxidiergas von dem Oxidiergas-Zufuhranschluß 33 zugeführt und dann zu jeder der Einheitszellen 100 verteilt, während es der Endplatte 12 zufließt. Das zu jeder Einheitszelle 100 verteilte Oxidiergas fließt in einen Durchgang in jeder Einheitszelle 100 und wird dann von dem Oxidiergas-Ausstoßanschluß 34 ausgestoßen. In dem Brennstoffzellenstapel 10 ist der Gasdurchgang jeder Einheitszelle 10 so gebildet, daß das Brennstoffgas und das Oxidiergas in der zuvor genannten Art und Weise fließen.
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Eine Dichtung ist in einer Elektrolytmembran, welche jede der Einheitszellen 100 des Brennstoffzellenstapels 10 aufbaut, an einem Randbereich bereitgestellt, welcher den Separator kontaktiert. Diese Dichtung verhindert die Leckage des Brennstoffgases und des Oxidiergases von der Innenseite der Einheitszelle 100 und das Mischen miteinander. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist mit einer Bolzenschraube und einer Mutter (nicht gezeigt) mit einer vorbestimmten Preßkraft befestigt, welche in der Zellenstapelrichtung daran angelegt und in diesem Zustand aufrecht erhalten wird. Die Bolzenschraube und die Mutter müssen nicht notwendigerweise verwendet werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 in dem zuvor genannten gestapelten Zustand mit der daran angelegten Preßkraft aufrecht zu erhalten. Zum Beispiel kann ein Stapellagergehäuse verwendet werden.
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2 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Struktur der Einheitszelle 100 zeigt. Die Einheitszelle 100 ist als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle konfiguriert. Die Einheitszelle 100 weist eine Struktur auf, in welcher eine Elektrolytmembran 132 zwischen einer Wasserstoffelektrode 134 und einer Sauerstoffelektrode 136 kernverbunden ist. Die Wasserstoffelektrode 134 und die Sauerstoffelektrode 136 sind zwischen Separatoren 110 und 120 von beiden Seiten kernverbunden. In 2 wird die Sauerstoffelektrode 136 nicht gezeigt, da die Sauerstoffelektrode 136 an einer Position bereitgestellt ist, welche durch die Elektrodenelektrolytmembran 132 verdeckt wird. Sowohl die Wasserstoffelektrode 134 als auch die Sauerstoffelektrode 136 sind eine Gasdiffusionselektrode, welche durch Stapeln einer Katalysatorschicht und einer Gasdiffusionsschicht, wie nachstehend beschrieben, gebildet wurden. Viele konkave konvexe Rippen sind auf den Oberflächen der Separatoren 110 und 120 gebildet, welche der Wasserstoffelektrode 134 und der Sauerstoffelektrode 136 gegenüberliegen. Da die Wasserstoffelektrode 134 und die Sauerstoffelektrode 136 zwischen den Separatoren 110 und 120 von beiden Seiten kernverbunden sind, wird ein Brennstoffgasdurchgang 112 zwischen dem Separator 110 und der Wasserstoffelektrode 134 gebildet. Ein Oxidiergasdurchgang wird zwischen dem Separator 120 und der Sauerstoffelektrode 136 gebildet.
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Die Rippen sind auf beiden Oberflächen jedes der Separatoren 110 und 120 gebildet. Der Brennstoffgasdurchgang 112 ist zwischen einer Oberfläche jedes der Separatoren 110 und der Wasserstoffelektrode 134 gebildet. Der Oxidiergasdurchgang 122 ist zwischen der anderen Oberfläche jedes der Separatoren 120 und der Sauerstoffelektrode 136 gebildet. Auf diese Weise ist der Gasdurchgang zwischen jedem der Separatoren 110 und 120 und den Gasdiffusionselektroden 134 und 136 gebildet. Zusätzlich trennen die Separatoren 110 und 120 den Fluß des Brennstoffgases und den Fluß des Oxidiergases zwischen benachbarten Einheitszellen.
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Die Elektrolytmembran 132 ist eine Ionenaustauschmembran mit Protonenleitfähigkeit, welche unter Verwendung eines festen Polymermaterials, wie Fluorcarbonharz, gebildet wird. Die Elektrolytmembran 132 zeigt gute elektrische Leitfähigkeit in einem feuchten Zustand. Als Elektrolytmembran 132 kann zum Beispiel eine Nafionmembran (hergestellt von DuPont) angewendet werden.
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Die Katalysatorschicht wird auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 132 durch Aufbringen von Platin, welches ein Katalysator ist, auf die Oberfläche der Elektrolytmembran 132 gebildet. In der Ausführungsform wird der Katalysator unter Verwendung eines Verfahrens aufgebracht, in welchem i) Kohlenstoffpulver tragendes Platin, welches der Katalysator ist, in einem organischen Lösungsmittel dispergiert wird, ii) eine angemessene Menge von Elektrolytlösung (zum Beispiel Nafionlösung, hergestellt von Aldridge Chemical) zu dem organischen Lösungsmittel zugegeben wird, so daß eine Paste erhalten wird, und iii) der Katalysator auf die Elektrolytmembran 132 unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens aufgebracht wird. Verschiedene andere Verfahren des Bildens der Katalysatorschicht können angewendet werden. Zum Beispiel kann eine Folie unter Verwendung der Paste hergestellt werden, die Kohlenstoffpulver enthält, welches den zuvor genannten Katalysator trägt. Die Folie kann auf die Elektrolytmembran 132 gepreßt werden. Ebenso können als Katalysator aus Platin oder anderen Metallen zusammengesetzte Legierungen verwendet werden.
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Die Gasdiffusionsschicht sowohl von der Wasserstoffelektrode 134 als auch der Sauerstoffelektrode 136 wird unter Verwendung eines aus Kohlenstoffasern gewebten Kohlenstoffgewebes gebildet. Die Gasdiffusionsschicht kann unter Verwendung von Kohlenstoffpapier oder aus aus Kohlenstoffasern hergestelltem Kohlenstoffilz gebildet werden. Da der zuvor genannte Katalysator zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Elektrolytmembran 132 bereitgestellt werden muß, kann der Katalysator der Seite der Gasdiffusionsschicht zugeführt werden, welche die Elektrolytmembran 132 kontaktiert, anstatt den Katalysator auf die Elektrolytmembran 132 aufzubringen.
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Jeder der Separatoren 110 und 120 wird unter Verwendung eines gasimpermeablen und leitfähigen Elements gebildet, wie verdichteter Kohlenstoff, welcher durch Verpressen von Kohlenstoff erhalten wurde, so daß der Kohlenstoff gasimpermeabel wurde. Viele Rippen werden parallel auf beiden Oberflächen jedes der Separatoren 110 und 120 gebildet. Die Rippen auf einer Oberfläche müssen nicht notwendiger Weise parallel mit den Rippen auf der anderen Oberfläche sein. Die Rippen können mit verschiedenen Winkeln gebildet sein. Zum Beispiel können die Rippen auf einer Oberfläche orthogonal zu den Rippen auf der anderen Oberfläche stehen. Ebenso müssen die Rippen nicht notwendigerweise parallele Nuten sein, solange der Brennstoffgasdurchgang und der Oxidiergasdurchgang gebildet werden können.
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In dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der Ausführungsform der Erfindung haben die Rippen der Separatoren 110 und 120, welche in den Endbereichen in der Zellenstapelrichtung der Einheitszelle 100 positioniert sind (in der Umgebung der Endplatten 12 und 14) die folgenden Eigenschaften. Das heißt, die Rippen der Separatoren 110 und 120 an beiden Endbereichen werden so gebildet, daß die Querschnittsfläche des Brennstoffgasdurchgangs 112 und des Oxidiergasdurchgangs 120 größer als jede des Brenngasdurchgangs 112 und des Oxidiergasdurchgangs 122 sind, welche durch die Separatoren 110 und 120 in anderen Bereichen (nicht gezeigt) gebildet werden. Dies geschieht aus dem folgenden Grund. In der Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels 10 ist die Temperatur in einem mittleren Bereich in der Zellenstapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 hoch, und die Temperatur an den Endbereichen ist niedrig. Dies ist der Fall, weil die Temperatur der Einheitszellen 100 an den Endbereichen wahrscheinlich aufgrund der Wärmestrahlung in die Atmosphäre abnehmen wird. In den Einheitszellen 100 an den Endbereichen verringert sich der Dampfdruck aufgrund einer Abnahme der Temperatur und folglich wird wahrscheinlich erzeugtes Wasser angesammelt. Demzufolge wird die Querschnittsfläche jedes der Gasdurchgänge vergrößert, so daß der Druckverlust verringert wird und jedes Gas in jedem der Gasdurchgänge leicht fließt. Auf diese Weise wird überschüssig erzeugtes Wasser entfernt.
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Kühlmittellöcher 151 und 152 mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche werden an zwei Bereichen in einem Randbereich jedes der Separatoren 110 und 120 gebildet. Die Kühlmittellöcher 151 und 152 bilden einen Kühlmitteldurchgang, welcher sich in der Zellenstapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 erstreckt, wenn die Einheitszellen 100 gestapelt werden.
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Jedes der Brennstoffgaslöcher 153 und 154 und der Oxidiergaslöcher 155 und 156 mit einer langen schmalen Form wird in der Umgebung jeder Seite der Separatoren 110 und 120 entlang jeder Seite gebildet. Die Brennstoffgaslöcher 153 und 154 und die Oxidiergaslöcher 155 und 156 bilden den Brennstoffgasdurchgang 112 und den Oxidiergasdurchgang 122, welche sich jeweils in der Zellenstapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 erstrecken, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 durch Stapeln der Einheitszellen 100 gebildet wird. In der Ausführungsform der Erfindung wird ein Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang entlang einer Oberseite gebildet und ein Brennstoffgas-Ausstoßdurchgang entlang einer Unterseite in 2. Ebenso wird ein Oxidiergas-Zufuhrdurchgang entlang einer linken Seite und ein Oxidiergas-Ausstoßdurchgang entlang einer rechten Seite gebildet.
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Der Brennstoffgaszufuhranschluß 35 des Brennstoffzellenstapels 10 wird mit dem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang verbunden. Der Brennstoffgas-Ausstoßanschluß 36 wird mit dem Brennstoffgas-Ausstoßdurchgang verbunden. Das von den Brennstoffgas-Zufuhranschluß 35 zugeführte Brennstoffgas fließt in dem Brennstoffgasdurchgang 112 jeder der Einheitszellen 100 durch den Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang. Dann, nachdem das Brennstoffgas für eine vorbestimmte Reaktion verwendet wurde, fließt das Brennstoffgas durch den Brennstoffgas-Ausstoßanschluß 36 von dem Brennstoffgas-Ausstoßdurchgang. Das Oxidiergas fließt auf einem ähnlichen Weg.
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Der Oxidiergas-Zufuhranschluß 33 des Brennstoffzellenstapels 10 wird mit dem Oxidiergas-Zufuhrdurchgang verbunden. Ebenso wird der Oxidiergas-Ausstoßanschluß 34 mit dem Oxidiergasdurchgang verbunden. Das von dem Oxidiergas-Zufuhranschluß 33 zugeführte Oxidiergas fließt in den Oxidiergasdurchgang 122 jeder der Einheitszellen 10 durch den Oxidiergas-Zufuhrdurchgang. Dann, nachdem das Oxidiergas für eine vorbestimmte Reaktion verwendet wurde, fließt das Oxidiergas zu dem Oxidiergas-Ausstoßanschluß 34 von dem Oxidiergas-Ausstoßdurchgang.
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In dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der Ausführungsform der Erfindung sind Kühlseparatoren 114 in der Größenordnung eines Kühlseparators 140 zu fünf Einheitszellen 100 bereitgestellt. Der Kühlseparator 140 wird zum Bilden eines Kühlmitteldurchgangs zum Kühlen der Einheitszellen 100 verwendet. In dem Kühlseparator 114 wird eine schlangenförmige Kühlmittelnut 142 gebildet, welche die Kühlmittellöcher verbindet. Die Oberfläche jedes der Separatoren 110 und 120, welche dem Kühlseparator 140 gegenübersteht, ist eine flache Oberfläche ohne Rippen. Auf diese Weise bildet die in dem Kühlseparator 140 bereitgestellte Nut den Kühlmitteldurchgang zwischen dem Kühlseparator 140 und jedem der Separatoren 110 und 120. Die Separatoren 110 und 120 und der Kühlseparator 140 können unter Verwendung verschiedener Materialien mit Leitfähigkeit zusätzlich zu verdichtetem Kohlenstoff verwendet werden. Sie können zum Beispiel unter Verwendung von Metall, wie Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung, gebildet werden, mit Augenmerk auf die Steifigkeit und die Wärmeübertragungsfähigkeit. Ebenso können die Größenordnungen der Kühlseparatoren in einem Bereich festgesetzt werden, welche für das Kühlen gemäß der Menge an Wärme der Einheitszelle 100 benötigt wird, beruhend auf der Ausgangsleistung, welche von dem Brennstoffzellenstapel 10 erfordert wird, der Temperatur und der Flußmenge des Kühlmittels und dergleichen.
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Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird beschrieben.
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Zunächst werden die Konfigurationen der Elektroden beschrieben.
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3a ist eine erklärende graphische Darstellung, welche eine Konfiguration des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. 3b ist eine Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration einer Elektrode einer Einheitszelle zeigt, die in dem mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels 10 positioniert ist (hiernach als ”Mittelzelle” bezeichnet). 3c ist eine Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration einer Elektrode einer Einheitszelle zeigt, die an den Endbereichen des Brennstoffzellenstapels 10 positioniert ist (hiernach als ”Endbereichzelle” bezeichnet).
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Wie in 3b gezeigt wird, werden in der Mittelzelle eine Katalysatorschicht 134a und eine Gasdiffusionsschicht 134b in dieser Reihenfolge auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 132 gestapelt, wodurch die Wasserstoffelektrode 134 gebildet wird. Ebenso werden eine Katalysatorschicht 136a und eine Gasdiffusionsschicht 136b in dieser Reihenfolge auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 132 gestapelt, wodurch die Sauerstoffelektrode 136 gebildet wird.
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In der Zwischenzeit, wie in 3c gezeigt, werden in der Endbereichzelle eine Katalysatorschicht 134c und eine Gasdiffusionsschicht 134d in dieser Reihenfolge auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 132 gestapelt, wodurch die Wasserstoffelektrode 134 gebildet wird. Ebenso wird eine Katalysatorschicht 136c und eine Gasdiffusionsschicht 136d in dieser Reihenfolge auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 132 gestapelt, wodurch die Sauerstoffelektrode 136 gebildet wird.
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Die Wasserabweisung der Gasdiffusionsschicht in der Mittelzelle ist unterschiedlich von der in der Endbereichzelle. Die Wasserabweisung der Gasdiffusionsschicht 134d und 136d der Endbereichzelle ist niedriger als die der Gasdiffusionsschichten 134b und 136b der Mittelzelle. Daher durchdringt erzeugtes Wasser die Oberfläche der Gasdiffusionsschichten 134d und 136d leicht und wird zusammen mit Gas leicht ausgestoßen. Demzufolge kann eine gute Gaspermeabilität der Gasdiffusionsschichten 134d und 136d aufrecht erhalten werden.
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Der Typ und die spezifische Oberfläche des Katalysators, welcher durch die Katalysatorschicht in der Mittelzelle getragen wird, sind die gleichen wie jene in den Endbereichzellen. Das heißt, die katalytische Fähigkeit der Katalysatorschicht pro Einheitsvolumen in der Mittelzelle ist die gleiche wie die in der Endbereichzelle.
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Die Dicke jeder Katalysatorschicht in der Mittelzelle ist unterschiedlich von der in der Endbereichzelle. Die Dicke von jeder der Katalysatorschichten 134c und 136c in der Endbereichzelle ist größer als die Dicke von jeder der Katalysatorschichten 134a und 136a in der Mittelzelle. Das heißt, die katalytische Fähigkeit jeder der Katalysatorschichten 134c und 136c in der Endbereichzelle ist höher als die katalytische Fähigkeit jeder der Katalysatorschichten 134a und 136a in der Mittelzelle. In der Ausführungsform ist die Dicke jeder der Katalysatorschichten 134c und 136c zweimal größer als die Dicke jeder der Katalysatorschichten 134a und 136a in der Mittelzelle. In der Ausführungsform ist die Dicke der Katalysatorschicht 134a und die Dicke der Katalysatorschicht 136a in der Mittelzelle die gleiche. Ebenso sind die Dicke der Katalysatorschicht 134c und die Dicke der Katalysatorschicht 136c in der Endbereichzelle die gleiche. Die Dicke jeder dieser Katalysatorschichten jedoch kann auf jeden Wert festgesetzt werden.
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Hiernach werden Wirkungen der Ausführungsform beschrieben.
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4a bis 4c sind erklärende graphische Darstellungen, welche Wirkungen der ersten Ausführungsform zeigen. 4a zeigt schematisch eine Seitenoberfläche des Brennstoffzellenstapels 10 (gesehen in einer Richtung orthogonal zu der Zellenstapelrichtung). In diesem Fall werden vier Einheitszellen 100, welche an jedem der beiden Endbereiche in der Zellenstapelrichtung positioniert sind, als Endbereichzellen bezeichnet. 4b zeigt eine Verteilung der Dicke der Katalysatorschicht in der Zellenstapelrichtung. 4c zeigt eine Verteilung der Zellenspannung in der Zellenstapelrichtung. In jeder der 4b und 4c wird jede Verteilung gemäß der Ausführungsform durch eine durchgezogene Linie gezeigt. Ebenso wird jede Verteilung in einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel durch eine gestrichelte Linie gezeigt. Wie in 4b gezeigt wird, wird der herkömmliche Brennstoffzellenstapel durch Stapeln von vielfachen Einheitszellen gebildet, welche die katalytischen Schichten mit der gleichen Dicke einschließen.
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Wie in 4c gezeigt, ist in der Temperaturverteilung des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels die Temperatur in dem Mittelbereich in der Zellenstapelrichtung hoch und die Temperatur in den Endbereichen in der Zellenstapelrichtung niedrig. Folglich nimmt die Zellenspannung in den Endbereichzellen ab. Zwischenzeitlich wird in dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der Ausführungsform im wesentlichen die gleiche Zellenspannung in allen Einheitszellen 100 erhalten.
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In der Ausführungsform, wie in 4b gezeigt, haben die Katalysatorschichten in den vier Endbereichzellen die gleiche Dicke. Wie jedoch durch eine strichgepunktete Linie als modifiziertes Beispiel gezeigt wird, kann die Dicke der Katalysatorschicht schrittweise geändert werden gemäß der Temperaturverteilung.
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In dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der ersten Ausführungsform, die bis jetzt beschrieben wurde, ist die Dicke jeder Katalysatorschicht in der Endbereichzelle größer als die in der Mittelzelle. Folglich ist die Fläche, in welcher die Reaktion eintritt, in den Endbereichzellen erhöht, und demzufolge kann die katalytische Fähigkeit jeder Katalysatorschicht angehoben werden. Daher ist es möglich, eine Verringerung der Temperatur der Endbereichzellen und eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 10 aufgrund von Überflutung zu unterdrücken.
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Hiernach wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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In der ersten Ausführungsform ist die Dicke jeder Katalysatorschicht in der Mittelzelle unterschiedlich von der in der Endbereichzelle. In der zweiten Ausführungsform ist die spezifische Oberfläche des Katalysators, welcher durch jede Katalysatorschicht in der Mittelzelle getragen wird, von der in der Endbereichzelle unterschiedlich.
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5a bis 5c sind erklärende graphische Darstellungen, welche die Konfiguration von Elektroden in der Einheitszelle 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen. In der zweiten Ausführungsform ist die Dicke jeder der Katalysatorschichten 134a und 136a in der Mittelzelle die gleiche wie die Dicke von jeder der Katalysatorschichten 134e und 136e in der Endbereichzelle. Die zweite Ausführungsform ist die gleiche wie die erste Ausführungsform mit der Ausnahme, daß die spezifische Oberfläche des Katalysators, welcher durch jede der Katalysatorschichten 134b und 136b in der Endbereichzelle getragen wird, größer ist als die des Katalysators, welcher durch jede von der Katalysatorschichten 134a und 136a in der Mittelzelle getragen wird.
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In der Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die bislang beschrieben wurde, ist die spezifische Oberfläche des Katalysators, welcher durch jede Katalysatorschicht in der Endbereichzelle getragen wird, größer als die des Katalysators, welcher durch jede Katalysatorschicht in der Mittelzelle getragen wird. Folglich kann die Fläche, in welcher die Reaktion auftritt, in der Endbereichzelle vergrößert werden. Demzufolge ist es möglich, eine Abnahme in der Temperatur der Endbereichzellen und eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 10 aufgrund von Überflutung zu unterdrücken.
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Die spezifischen Ausführungsformen der Erfindung wurden bislang beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Die Erfindung kann in verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden, ohne von dem wahren Bereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die Erfindung in den folgenden modifizierten Beispielen realisiert werden.
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Hiernach wird ein erstes modifiziertes Beispiel beschrieben.
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In den vorangehenden Ausführungsformen ist die Dicke jeder Katalysatorschicht in der Endbereichzelle oder die spezifische Oberfläche des Katalysators, welcher durch jede Katalysatorschicht in der Endbereichzelle getragen wird, größer als die in der Mittelzelle gemäß der Temperaturverteilung in der Zellenstapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 10. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt. Der Typ des Katalysators, welcher durch jede Katalysatorschicht in der Mittelzelle getragen wird, kann unterschiedlich von dem in der Endbereichzelle sein. Das heißt, der Katalysator mit einer katalytischen Fähigkeit, welche höher ist als die des Katalysators in der Mittelzelle, kann in der Endbereichzelle verwendet werden, in welcher die Temperatur wahrscheinlich abnehmen wird.
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Hiernach wird ein zweites modifiziertes Beispiel beschrieben.
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In den zuvor genannten Ausführungsformen ist die Dicke jeder Katalysatorschicht in der Endbereichzelle oder die spezifische Oberfläche des Katalysators, welcher durch jede katalytische Schicht in der Endbereichzelle getragen wird, größer als die in der Mittelzelle gemäß der Temperaturverteilung in der Zellenstapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 10. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform begrenzt. In dem zweiten modifizierten Beispiel wird die Dicke der Katalysatorschicht in jeder Einheitszelle 100 gemäß einer Temperaturverteilung in der Ebene verändert.
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6a und 6b sind erklärende graphische Darstellungen, welche ein Beispiel einer Konfiguration einer Elektrode der Einheitszelle 100 in einem zweiten modifizierten Beispiel zeigen. 6a zeigt die Einheitszelle 100, gesehen von der Seite der Sauerstoffelektrode 135 aus. In 6a, sind aus dem Grunde der Bequemlichkeit, der Separator 110 und die Gasdiffusionsschicht 136 nicht enthalten. 6b zeigt die Temperaturverteilung im Querschnitt entlang der Linie A-A von 6a (Temperaturverteilung in der Ebene).
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In 6a korrespondiert ein schraffierter Bereich M an dem Mittelbereich zu einem Bereich, in welchem die Temperatur relativ hoch ist. Eine quer schraffierte Region N in der Randregion korrespondiert zu einer Region, in welcher die Temperatur relativ niedrig ist. Die Dicke der Katalysatorschicht ist in der Ebene uneinheitlich. Die Dicke der Katalysatorschicht in der Region N ist größer als die der Katalysatorschicht in der Region M. Die Seite der Wasserstoffelektrode 134 ist die gleiche wie die Seite der Sauerstoffelektrode 136.
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In der zuvor genannten Konfiguration ist es ebenso möglich, eine Abnahme der Temperatur und eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 10 aufgrund von Überflutung zu unterdrücken.
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In dem zweiten modifizierten Beispiel ist die Dicke des Katalysators in der Region N unterschiedlich von der in der Region M. Die spezifische Oberfläche des Katalysators jedoch, welcher durch die Katalysatorschicht getragen wird, oder der Typ des Katalysators in der Region N, können unterschiedlich von dem in der Region M sein. Ebenso sind in dem zweiten modifizierten Beispiel zwei Typen von Regionen gemäß der Temperaturverteilung bereitgestellt. Drei oder mehr Typen von Regionen können jedoch bereitgestellt sein.
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Ein drittes modifiziertes Beispiel wird beschrieben.
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In den zuvor genannten Ausführungsformen kann die Erfindung auf eine der Wasserstoffelektrode 134 oder Sauerstoffelektrode 136 angewendet werden, obwohl die Verbindung auf beide der Wasserstoffelektrode 134 und der Sauerstoffelektrode 135 angewendet wird. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Erfindung auf mindestens die Sauerstoffelektrode 136 angewendet werden sollte. Dies hat den Grund, daß die Reaktionsrate der Kathodenreaktion an der Sauerstoffelektrode niedriger ist als die der Anodenreaktion an der Wasserstoffelektrode.
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Hiernach wird ein viertes modifiziertes Beispiel beschrieben.
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In der ersten Ausführungsform wird die Erfindung auf die Einheitszellen 100 an beiden Endbereichen des Brennstoffzellenstapels 10 angewendet. Die Erfindung kann jedoch auf eine der beiden Endbereiche des Brennstoffzellenstapels 10 angewendet werden.
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Ebenso kann eine Vielzahl von Einheitszellen 100 eine Einheitszelle 100 einschließen, welche eine Katalysatorschicht mit einer katalytischen Fähigkeit einschließt, die unterschiedlich von der von Katalysatorschichten von anderen Einheitszellen ist. Zum Beispiel wird in dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der zuvor genannten Ausführungsform die Temperatur der Einheitszelle benachbart zu dem Kühlseparator 140 wahrscheinlich abnehmen, da der Kühlseparator 140 bereitgestellt ist. Folglich kann in der Einheitszelle 100 benachbart zu dem Kühlseparator 140 die Dicke der Katalysatorschicht angehoben, oder die spezifische Oberfläche des Katalysators, welche durch die Katalysatorschicht getragen wird, vergrößert werden, oder der Katalysator kann eine höhere katalytische Fähigkeit aufweisen.
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Ebenso kann in der Einheitszelle, welche wahrscheinlich aufgrund zu hoher Temperatur trocknen wird, die Katalysatorschicht mit einer hohen katalytischen Fähigkeit verwendet werden. Mit der Konfiguration ist es möglich, eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 10 aufgrund von Trocknen der Elektrolytmembran zu unterdrücken.
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Hiernach wird ein fünftes modifiziertes Beispiel beschrieben.
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In jeder der zuvor genannten Ausführungsformen und im ersten modifizierten Beispiel wurden die Parameter, welche die katalytische Fähigkeit betreffen, das heißt die Dicke der Katalysatorschicht, die spezifische Oberfläche des Katalysators, welche durch die Katalysatorschicht getragen wird, oder der Typ des Katalysators, unabhängig voneinander verändert. Mindestens zwei der Parameter jedoch können in Kombination miteinander verändert werden.
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Hiernach wird ein sechstes modifiziertes Beispiel beschrieben.
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In den zuvor genannten Ausführungsformen wird die Erfindung auf eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle angewendet. Die Erfindung kann jedoch auf andere Typen von Brennstoffzellen mit einer Stapelstruktur angewendet werden.
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Hiernach wird ein siebtes modifiziertes Beispiel beschrieben.
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In den zuvor genannten Ausführungsformen und den modifizierten Beispielen wird die Katalysatorschicht mit einer hohen katalytischen Fähigkeit in der Einheitszelle, deren Temperatur wahrscheinlich abnehmen wird, oder der Einheitszelle, in welcher wahrscheinlich Überflutung eintreten wird, verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform und modifizierten Beispiele beschränkt. Da die Erfindung gemacht wurde, um eine Verringerung der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu unterdrücken, selbst in dem Fall, in dem die Temperatur oder der feuchte Zustand der Einheitszelle in dem Brennstoffzellenstapel nicht optimal ist, kann die Katalysatorschicht mit einer hohen katalytischen Fähigkeit in der Einheitszelle verwendet werden, welche wahrscheinlich trocknen wird.
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Während die Erfindung unter Bezug ihre beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen oder Konstruktionen begrenzt ist. Im Gegenteil ist mit der Erfindung beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken. Zusätzlich, während die verschiedenen Elemente der beispielhaften Ausführungsform in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt werden, welche beispielhaft sind, fallen andere Kombinationen und Konfigurationen, welche mehr, weniger oder nur einzelne Elemente einschließen, ebenso in den Bereich der Erfindung.
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In einer Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur wird eine Abnahme der elektrischen Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle selbst in dem Fall unterdrückt, in dem die Temperatur oder der feuchte Zustand der Brennstoffzelle nicht optimal sind. Eine Katalysatorschicht wird mindestens an der Wasserstoffelektrode oder an der Sauerstoffelektrode bereitgestellt, welche in jeder Einheitszelle eines Brennstoffzellenstapels (10) gebildet sind. Die Dicke der Katalysatorschicht jeder der Endzellen, welche Einheitszellen sind, die an beiden Endbereichen des Brennstoffzellenstapels (10) positioniert sind, wird größer gemacht als die Dicke der Katalysatorschicht einer Mittelzelle, welche eine Einheitszelle ist, die in einem Mittelbereich des Brennstoffzellenstapels (10) positioniert sind. Die spezifische Oberfläche oder der Typ des Katalysators, der durch die Katalysatorschicht der Endzelle getragen wird, können unterschiedlich von dem des Katalysators sein, welcher durch die Katalysatorschicht der Mittelzelle getragen wird.
