DE102007045284A1

DE102007045284A1 - Verfahren zur Einstellung der Brennstoffverteilung, Membran, welche die Brennstoffverteilung einstellt, Verfahren zur Herstellung einer Membran, welche die Brennstoffverteilung einstellt, Brennstoffzelle, und Verfahren zur Erzeugung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007045284A1
Application number: DE102007045284A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Terada; Yasutada Nakagawa; Yuji Sasaki; Yuichi Yoshida
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2008-09-25
Also published as: US8354200B2; JP2008235026A; US20080233439A1; CN101271977A; KR20080085762A; CN101271977B

Abstract

Ein Verfahren zur Einstellung einer Brennstoffverteilung weist auf: Einstellung einer Verteilung einer Brennstoffzufuhrmenge zu einer Membranelektroden-Baugruppe so, dass eine Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichförmig wird, durch eine Membran, die an einer Brennstoffzufuhrseite der Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorgesehen ist. Eine Membran stellt eine Brennstoffverteilung ein, die an einer Brennstoffzufuhrseite einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorgesehen ist. Die Membran ist mit Öffnungen versehen, sodass eine Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichförmig wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung beruht auf der früheren Japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-073377 , eingereicht am 20. März 2007, und beansprucht deren Priorität, wobei deren Gesamtinhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Brennstoffverteilung, eine Membran, welche eine Brennstoffverteilung einstellt, ein Verfahren zur Herstellung einer Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, eine Brennstoffzelle, und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle.
Technischer Hintergrund
Bei der Entwicklung der Elektronik in den vergangenen Jahren wurden Elektronikgeräte kleiner, leistungsfähiger und einfacher transportierbar, sodass die Anforderungen an die Verkleinerung und eine höhere Energiedichte der darin eingesetzten Zellen verstärkt wurden. Bislang konzentrierte man sich auf mittelgroße oder verkleinerte und leichte Brennstoffzellen, die eine hohe Kapazität aufweisen. Eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), bei welcher Methanol als der Brennstoff dient, ist geeigneter zum Verkleinern als eine Brennstoffzelle, welche Wasserstoffgas einsetzt, da keine Schwierigkeiten in Bezug auf die Handhabung von Wasserstoffgas vorhanden sind, und keine Vorrichtung und dergleichen zur Erzeugung von Wasserstoff durch Reformieren eines flüssigen Brennstoffs erforderlich sind.
Bei der Direktmethanol-Brennstoffzelle sind eine Brennstoffelektrode (Anodenelektrode), eine Elektrolytmembran aus einem Feststoff, und eine Oxidationsmittelelektrode (Kathodenelektrode) vorgesehen, aneinander anschließend in dieser Reihenfolge, wodurch eine Membranelektroden-Baugruppe ausgebildet wird. Ein Brennstoff (Methanol) wird der Brennstoffseite zugeführt, und der Brennstoff (Methanol) wird einer Reaktion durch einen Katalysator in der Nähe der Elektrolytmembran unterworfen, um ein Proton (H⁺) und ein Elektron (e^–) abzuziehen. Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle wurde eine Vorgehensweise zum gleichmäßigen Zuführen des Brennstoffs (Methanol) zur Seite der Brennstoffelektrode vorgeschlagen (vergleiche beispielsweise die Japanische Veröffentlichung eines ungeprüften Patents JP-A-2006-196430 (Kokai), und die Deutsche Offenlegungsschrift Nr. 19853911 ).
Bei der Vorgehensweise, die in der Japanischen Veröffentlichung eines ungeprüften Patents JP-A-2006-196430 (Kokai) und in der Deutschen Offenlegungsschrift Nr. 19853911 vorgeschlagen wird, wird die Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe nicht berücksichtigt. Die Vorgehensweise zum gleichmäßigen Zuführen des Brennstoffs (Methanol) an die Brennstoffelektrodenseite wies daher das Problem auf, die elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle zu verbessern, insbesondere eine Verbesserung der Leistung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Einstellung einer Brennstoffverteilung zur Verfügung gestellt, welches umfasst: Einstellung einer Verteilung einer Brennstoffzufuhrmenge zu einer Membranelektroden-Baugruppe, sodass eine Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichförmig wird, durch eine Membran, die an einer Brennstoffzufuhrseite der Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorgesehen ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Membran zur Verfügung gestellt, welche eine Brennstoffverteilung einstellt, und in einer Brennstoffzufuhrseite einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei die Membran mit Öffnungen versehen ist, sodass die Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichmäßig wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Membran zur Verfügung gestellt, die eine Brennstoffverteilung einstellt, bei welchem vorgesehen sind: Ausbildung einer Membran so, dass sie eine Basis bildet; und Bereitstellung von Öffnungen in der Membran so, dass eine Temperaturverteilung in einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle im Wesentlichen gleichmäßig wird, wenn die Brennstoffzelle mit einem Brennstoff betrieben wird, der durch die Öffnungen zugeführt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt, welche aufweist: eine Membranelektroden-Baugruppe; und eine Membran, welche die Brennstoffverteilung einstellt, und an einer Brennstoffzufuhrseite einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei die Membran Öffnungen aufweist, sodass die Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichmäßig wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt, welche umfasst: eine Membranelektroden-Baugruppe; und eine Membran, welche die Brennstoffverteilung einstellt, und an einer Brennstoffzufuhrseite einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle angeordnet ist, wobei die Membran mit Öffnungen versehen ist, sodass die Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichmäßig wird, wobei vorgesehen sind: Herstellung der Membran durch: Ausbildung einer Membran so, dass sie eine Basis ist; und Bereitstellung von Öffnungen in der Membran, sodass die Temperaturverteilung in einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle im Wesentlichen gleichmäßig wird, wenn die Brennstoffzelle mit einem Brennstoff betrieben wird, der durch die Öffnungen zugeführt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit einer Spannung.
3 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Falls, bei welchem die Öffnungsrate pro Bereich geändert wird.
4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines anderen speziellen Beispiels für die Änderung der Öffnungsrate pro Bereich.
5 ist eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Falles der Änderung der Öffnungsrate pro Bereich.
6 ist eine schematische Schnittansicht zur Verdeutlichung des Falles der Änderung von Längen der Durchgangslöcher pro Bereich.
7 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Temperaturverteilung der elektromotorischen Abschnitte (der Membranelektroden-Baugruppenabschnitte).
8 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Leistungsdichteverteilung der elektromotorischen Abschnitte (der Membranelektroden-Baugruppenabschnitte).
9 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Betriebsweise der Brennstoffzelle.
10 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
1 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird die Direktmethanol-Brennstoffzelle beschrieben und erläutert.
Wie in 1 gezeigt, ist eine Brennstoffzelle 1 mit mehreren Brennstoffelektroden (Anodenelektroden) 6 und Oxidationsmittelelektroden (Kathodenelektroden) 8 mit derselben Anzahl wie jener der Brennstoffelektroden versehen. Weiterhin ist eine Elektrolytmembran 7 sandwichartig zwischen den Brennstoffelektroden 6 und den Oxidationsmittelelektroden 8 eingeschlossen. Sämtliche Formen der Brennstoffelektroden 6, der Elektrolytmembran 7, und der Oxidationsmittelelektroden 8 weisen die Form einer Platte auf. Weiterhin sind die Brennstoffelektrode 6, die Elektrolytmembran 7, und die Oxidationsmittelelektrode 8 in dieser Reihenfolge zusammenlaminiert, um eine Membranelektroden-Baugruppe (MEA) 9 auszubilden, und stellt die Membranelektroden-Baugruppe 9 einen elektromotorischen Abschnitt der Brennstoffzelle 1 dar. Sämtliche Membranelektroden-Baugruppen sind miteinander in Reihe geschaltet, und die Gesamtsumme der elektrischen Leistung, die in den jeweiligen Membranelektroden-Baugruppen 9 erzeugt wird, stellt die Elektrodenleistung der Brennstoffzelle 1 dar.
In der Brennstoffelektrode 6 und der Oxidationsmittelelektrode 8 sind Katalysatoren zum Fördern einer chemischen Reaktion jeweils enthalten. Die Katalysatoren sind einfach ein Metall aus der Gruppe der Platinelemente, beispielsweise Pt, Ru, Rh, Ir, Os, oder Pd, eine Legierung, die ein Element aus der Platingruppe enthält, und dergleichen. Im Einzelnen ist als Katalysator, der in der Brennstoffelektrode 6 vorhanden ist, Pt-Ru, Pt-Mo, oder dergleichen vorzuziehen, welche eine erhebliche Beständigkeit gegenüber Methanol und Kohlenstoffmonoxid aufweisen, und ist als Katalysator, der in der Oxidationsmittelelektrode 8 enthalten ist, Pt, Pt-Ni, oder dergleichen vorzuziehen. Weiterhin kann als Katalysator ein Halterungskatalysator, der einen leitfähigen Halterungskörper aufweist, oder ein ungehalterter Katalysator eingesetzt werden.
Bei der Elektrolytmembran 7 sind mehrere Durchgangslöcher vorgesehen, und in jedes der Durchgangslöcher ist ein Elektrolytmaterial eingefüllt, welches ein Proton (H⁺) durchlässt, jedoch verhindert, dass der Brennstoff dort hindurchgeht. Ein derartiges Elektrolytmaterial umfasst ein Harzmaterial, das eine Sulfonsäuregruppe aufweist, beispielsweise ein Perfluorosulfonsäurepolymer. Im Einzelnen lassen sich hierbei zum Beispiel Nafion (Marke), hergestellt von DuPont Corporation, und Flemion (Marke), hergestellt von Asahi Glass Co., Ltd., angeben.
Das Elektrolytmaterial kann ein Material sein, das protonenleitfähig ist, beispielsweise ein organisches Material einer oder mehrerer Funktionsgruppen, aus der Gruppe aus Sulfonsäuregruppen, Karboxylgruppen und Hydroxylgruppen. Im Innern des Elektrolytmaterials sind kleine Löcher in der Größenordnung der Molekülgröße durch diese Funktionsgruppen ausgebildet, sodass sich Protonen (H⁺) durch die kleinen Löcher bewegen können. Die Abmessungen der kleinen Löcher sind derartige Abmessungen, bei welchen Protonen (H⁺) und Wassermoleküle hindurchgehen können, jedoch Methanolmoleküle nicht durch die Löcher hindurchgehen können.
Weiterhin kann das Elektrolytmaterial ein Harz auf Fluorgrundlage oder ein Harz auf Grundlage von Kohlenwasserstoffen sein. In diesem Fall kann bei Einsatz eines Harzes auf Fluorgrundlage die Oxidationsbeständigkeit und die chemische Widerstandsfähigkeit verbessert werden. Weiterhin kann das Elektrolytmaterial eine Estergruppe oder eine Ethergruppe aufweisen, bei welcher zwei oder mehr Arten einer Sulfonsäuregruppe, einer Karboxylgruppe, und einer Hydroxylgruppe miteinander reagieren, und kann Polytetrafluorethylen als Hauptbestandteil enthalten.
Über eine Oberfläche einer entgegengesetzten Seite in der Brennstoffelektrode 6 im Vergleich zur Elektrolytmembran 7 sind eine Gasdiffusionsmembran 5, eine Brennstoffelektrode 4, eine Temperaturverteilungs-Einstellmembran (eine Membran, welche die Brennstoffverteilung einstellt) 15, eine poröse Membran 3, und eine Flüssigkeitsfesthaltemembran 2 in dieser Reihenfolge zusammenlaminiert.
Die Gasdiffusionsmembran spielt eine Rolle beim gleichmäßigen Zuführen eines Brennstoffs zur Brennstoffelektrode 6, und der Brennstoffelektrodensammler 4 dient als elektrischer Sammler. Der elektrische Brennstoffsammler 4 besteht aus einer porösen Membran, die beispielsweise aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, und eine Goldfolie aufweist, die mehrere Öffnungen hat, oder ein Gitter aus Gold.
Die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 stellt die Verteilung in der Ebene des Brennstoffs, der von der Seite der Flüssigkeitsfesthaltemembran 2 zugeführt wird, zur Seite der Brennstoffelektrode 6 ein. Die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 kann aus einem organischen Material oder einem anorganischen Material bestehen, welches wärmebeständig und in Bezug auf den Brennstoff oder ein komplexes Material von diesem beständig ist.
Das organische Material weist beispielsweise Polyethylen auf, Polypropylen, Polyimid, Polyamid, Polyetherimid, Polyetheretherketon, Polytetrafluoroethylen, Tetrafluoroethylen-Ethylen-Kopolymer, Tetrafluoroethylen-Propylen-Kopolymer, Tetrafluoroethylen-Hexafluoropropylen-Kopolymer, Polyvinylidenfluorid, Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkoxyethylen-Kopolymer, Polysulfon, Polyphenylensulfid, Polyallylat, Polyethersulfon und Polysilazan. Das anorganische Material umfasst Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Ceroxid, Bleioxid, Wismutoxid und Boroxid. Das Komplexmaterial umfasst Polypropylen, in welches Glasfasern oder organische Fasern vollständig hineingemischt sind.
Weiterhin kann die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 an der Brennstoffzufuhrseite der Membranelektroden-Baugruppe 9 vorgesehen sein, und kann die Lage geeignet geändert werden. Weiterhin kann die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 so vorgesehen sein, dass sie in die poröse Membran 3, den Brennstoffelektrodensammler 4, und die Gasdiffusionsmembran 5 eingebettet ist.
Weiterhin können die Funktionen der porösen Membran 3 und die Funktionen der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15, die Funktionen des Brennstoffelektrodensammlers 4 und die Funktionen der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 vereinigt sein. Beispielsweise kann die Einstellung der Brennstoffzufuhrmenge dadurch durchgeführt werden, dass die Öffnungsrate des Brennstoffelektrodensammlers 4 pro vorbestimmten Bereich geändert wird. Weiterhin kann die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 an mehreren Orten vorgesehen sein.
Die poröse Membran 3 weist Hydrophobie auf, und verhindert, dass sich Wasser von der Seite der Gasdiffusionsmembran 5 zur Seite der Flüssigkeitshaltemembran 2 bewegt, und ermöglicht andererseits, dass eine Gaskomponente des Brennstoffs von der Seite der Flüssigkeitshaltemembran 2 zur Seite der Gasdiffusionsmembran übertragen wird. Das Material für die poröse Membran 3 umfasst Polytetrafluorethylen (PTFE) und eine wasserabstoßende Silikonschicht.
Durch Anordnen der porösen Membran 3 zwischen der Gasdiffusionsmembran 5 und der Flüssigkeitshaltemembran 2, als Beispiel, kann selbst dann, wenn in der Oxidationsmittelelektrode 8 erzeugtes Wasser dazu veranlasst wird, durch die Elektrolytmembran 7 hindurchzugehen, und sich zur Brennstoffelektrode 6 zu bewegen, das sich bewegende Wasser daran gehindert werden, in die Flüssigkeitshaltemembran 2 einzudringen, und in deren Brennstoffzufuhrseite. Daher kann beispielsweise die Verdampfung des Brennstoffs in einem Brennstofftank, der nicht dargestellt ist, so erfolgen, dass sie nicht gesperrt wird. Weiterhin kann durch Festhalten von Wasser zwischen der Brennstoffelektrode 6 und der porösen Membran 3 Wasser der Brennstoffelektrode 6 zusätzlich zugeführt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn keine Feuchtigkeit von einem nicht dargestellten Brennstofftank zugeführt wird, beispielsweise dann, wenn reines Methanol als der Brennstoff verwendet wird.
Die Flüssigkeitsrückhaltemembran 2 ist eine filzartige Schicht zum Zuführen des Brennstoffs zur Brennstoffelektrode 6, und in deren Seitenendabschnitt ist ein Ergänzungsteil 13 zum Zuführen des Brennstoffs von dem nicht dargestellten Brennstofftank vorgesehen.
Der in dem Brennstofftank, der nicht dargestellt ist, aufbewahrte Brennstoff kann eine wässrige Lösung von Methanol mit einer Konzentration von 50 Mol% sein, oder mehr, oder reines Methanol.
Andererseits sind über die Oberfläche an der entgegengesetzten Seite in der Oxidationsmittelelektrode 8 in Bezug auf die Elektrolytmembran 7 eine Gasdiffusionsmembran 10, ein oxidationsmittelelektrodenseitiger Sammler 11, und eine poröse Feuchtigkeitsrückhaltemembran 12 in dieser Reihenfolge auflaminiert.
Die Gasdiffusionsmembran 10 spielt eine Rolle bei der gleichmäßigen Zufuhr eines Oxidationsmittels (Sauerstoff) zur Oxidationsmittelelektrode 8, und der oxidationsmittelelektrodenseitige Sammler 11 dient als elektrischer Sammler an der Seite der Oxidationsmittelelektrode 8. Der oxidationsmittelelektrodenseitige Sammler 11 besteht aus einer porösen Membran, die aus einem leitfähigen Material besteht, das beispielsweise aus einer Goldfolie besteht, die mehrere Öffnungen aufweist, oder aus einem Gitter aus Gold.
Die poröse Feuchtigkeitsrückhaltemembran 12 wird mit einem gewissen Ausmaß an Wasser imprägniert, das in der Luftelektrode 8 erzeugt wird, und spielt eine Rolle bei der Unterdrückung der Verdampfung von Wasser, und dient auch als Hilfs-Diffusionsmembran zum Fördern einer gleichmäßigen Diffusion des Oxidationsmittels zu der Luftelektrode 8 durch gleichmäßiges Zuführen eines Oxidationsmittels (Luft) zur Gasdiffusionsmembran. Als die poröse Feuchtigkeitsrückhaltemembran 12 kann eine Membran eingesetzt werden, die aus einem Material wie einer porösen Polyethylenmembran besteht, deren maximaler Lochdurchmesser beispielsweise gleich 20–50 Mikrometer ist. Der Grund dafür, dass der maximale Lochdurchmesser in diesem Bereich liegt, besteht darin, dass dann, wenn der Lochdurchmesser kleiner ist als 20 Mikrometer, die Luftdurchlässigkeit verringert wird, und dann, wenn er größer ist als 50 Mikrometer, die Verdampfung von Feuchtigkeit zu groß wird.
Als nächstes wird die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 erläutert.
Zuerst wird erläutert, warum die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 erforderlich ist.
Um eine Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte zu erhalten, ist es erforderlich, eine ausreichende Zufuhrmenge des Brennstoffs zur Membranelektroden-Baugruppe 9 aufrechtzuerhalten. Wenn hierbei eine größere Menge an Brennstoff als die geeignete Menge der Membranelektroden-Baugruppe 9 zugeführt wird, besteht die Gefahr, dass nicht reagierter Brennstoff sich zur Seite der Oxidationsmittelelektrode 8 bewegt, sodass die Katalysatoroberfläche der Oxidationsmittelelektrode 8 verkleinert wird, und daher der Spannungsverlust ansteigt. Wenn im Gegensatz hierzu erheblich weniger Brennstoff zugeführt wird als ordnungsgemäß, besteht die Gefahr, dass die Reaktionsenergie zu groß wird, und der Spannungsverlust zunimmt.
Allerdings hat sich herausgestellt, dass selbst dann, wenn die Brennstoffzufuhrmenge zur Brennstoffelektrode 6 gleichmäßig wird, die Leistung der Brennstoffzelle nicht maximal wird.
Als Ergebnis von Untersuchungen haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass die Leistungsdichte durch eine Temperaturverteilung in dem elektromotorischen Abschnitt (dem Abschnitt der Membranelektroden-Baugruppe 9) beeinflusst wird, zusätzlich zur Beeinflussung durch die Stromdichte und die Spannung.
2 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit der Spannung.
Wie in 2 gezeigt, hängt die Spannung V von der Stromdichte I und der Temperatur T in jedem der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) ab, und kann durch die folgende Gleichung (1) repräsentiert werden. V = f(I, T) (1)
Weiterhin kann die Stromdichte I durch die folgende Gleichung (2) in Abhängigkeit von einer Konzentration repräsentiert werden, die zur Erzeugung elektrischen Stroms in dem zugeführten Brennstoff beiträgt. I = g(a) (2)
Hierbei wird die Leistungsdichte w in jedem der elektromotorischen Abschnitte (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) durch das Produkt aus Gleichung (1) und Gleichung (2) repräsentiert. Weiterhin ist die Leistung W in den gesamten elektromotorischen Abschnitten (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) die Gesamtsumme der Leistungsdichten w der jeweiligen elektromotorischen Abschnitte.
Daher kann zur Einstellung der Leistung W so, dass sie insgesamt maximal in den elektromotorischen Abschnitten ist, die Stromerzeugung unter der Bedingung durchgeführt werden, dass der Wert von W, repräsentiert durch folgende Gleichung (3), maximal ist. W = ΣV·I = Σf(I, T)·I (3)
Hierbei ist die Stromdichte I eine Funktion der Konzentration des Brennstoffs, und kann daher im Wesentlichen durch die Art des eingesetzten Brennstoffs bestimmt werden. Daher lässt sich die Leistung W so ansehen, dass sie eine Funktion der Temperatur T ist.
Andererseits wird in den elektromotorischen Abschnitten (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) Wärme durch eine chemische Reaktion erzeugt. In dem Umfangsbereich tritt jedoch eine Wärmeabgabe zur Außenluft hin auf, sodass daher der Temperaturanstieg kleiner ist als jener im zentralen Abschnitt. Dies führt dazu, dass selbst dann, wenn eine gleichmäßige Wärmeerzeugung in den jeweiligen elektromotorischen Abschnitten auftritt (den jeweiligen Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9), eine Ungleichförmigkeit der Temperaturverteilung hervorgerufen wird, nämlich dass die Temperatur in dem zentralen Bereich der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) hoch ist, und die Temperatur im Umfangsbereich niedrig ist. In einem derartigen Fall wird infolge der Tatsache, dass sich die Energieerzeugungswirkungsgrade im zentralen Bereich und in dem Umfangsbereich unterscheiden, die Gefahr hervorgerufen, dass insgesamt keine hohe Leistung erzielt werden kann. Wenn daher beispielsweise zwar die Temperatur in dem zentralen Bereich auf eine Temperatur eingestellt ist, die am geeignetsten ist für die Stromerzeugung, aber die Temperatur in dem Umfangsbereich niedriger ist als jene Temperatur, und daher die Leistung in dem Umfangsbereich absinkt, wird die Gefahr hervorgerufen, dass keine hohe Leistung von der gesamten Brennstoffzelle erhalten werden kann.
Infolge weiterer Untersuchungen haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass dann, wenn die Verteilung der Brennstoffzufuhrmenge zu den elektromotorischen Abschnitten (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) so eingestellt werden kann, dass die Temperaturverteilung in den elektromotorischen Abschnitten (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) vergleichmäßigt wird, und die Temperatur auf die geeignetste Temperatur zur Erzeugung elektrischen Stroms eingestellt wird, insgesamt eine hohe Leistung erzielt werden kann.
Daher wird die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15, welche eine derartige Brennstoffzufuhr zu den elektromotorischen Abschnitten (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) erreichen kann, wie voranstehend geschildert, erforderlich.
3 ist eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung jenes Falls, bei welchem die Öffnungsrate pro Bereich geändert wird.
Wie in 3 gezeigt, ist eine Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15a ein plattenförmiger Körper, der rechteckförmig ausgebildet ist. Weiterhin ist die Form des zentralen Bereiches 35 rechteckig, gesehen von Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15a aus, ist die Form des mittleren Bereiches 36 in Form eines rechteckigen Rahmens ausgebildet, der den zentralen Bereich 35 umgibt, und ist die Form des Umfangsbereiches 37 in Form eines rechteckigen Rahmens ausgebildet, wobei der mittlere Bereich 36 umgeben wird, und die Randgrenze der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15a enthält. Weiterhin ist die Anordnung der Dichte von Durchgangslöchern 32 unter den Bereichen verschieden, ist die Dichte in dem zentralen Bereich 35 am niedrigsten, ist die Dichte in dem Umfangsbereich 37 am höchsten, und liegt die Dichte in dem mittleren Bereich in der Mitte. Daher ist die Öffnungsrate durch die Durchgangslöcher 32 in der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15a am niedrigsten im zentralen Bereich 35, am höchsten im Umfangsbereich 37, und liegt in der Mitte in dem mittleren Bereich 36.
Zur Vereinfachung der Erläuterung ist die Membran auf drei Bereiche unterteilt, aber nicht in dieser Hinsicht eingeschränkt, und kann die Anzahl der Bereiche geeignet abgeändert werden. Weiterhin sind die Durchgangslöcher 32 als geradlinige Löcher ausgebildet, jedoch können sie auch labyrinthförmig ausgebildet sein. Darüber hinaus muss die Abmessung des Durchmessers des Durchgangsloches 32 nicht in Längsrichtung konstant sein, sodass zum Beispiel eine sich verjüngende Form möglich ist, oder sich die Abmessung des Durchmessers pro vorbestimmter Länge ändern kann. Weiterhin ist die Schnittform des Durchgangsloches 32 nicht auf eine Kreisform beschränkt, sondern kann eine frei wählbare Form sein.
Wenn die Öffnungsrate pro Bereich, wie voranstehend geschildert, geändert wird, wird die Brennstoffzufuhrmenge zum zentralen Bereich 35 am kleinsten, und wird die Wärmeerzeugungsmenge in dem Bereich an kleinsten. Im Gegensatz hierzu wird die Brennstoffzufuhrmenge zum Umfangsbereich 37 am größten, und wird die Wärmeerzeugungsmenge in diesem Bereich am größten. Weiterhin liegen die Brennstoffzufuhrmenge zum mittleren Bereich 36 und die Wärmeerzeugungsmenge in diesem in der Mitte. In diesem Fall wird die Wärmeabgabe nach außerhalb am kleinsten im zentralen Bereich 35, und am größten im Umfangsbereich. Durch Einstellung des Gleichgewichts zwischen der Wärmeerzeugung und der Wärmeabgabe durch die Brennstoffzufuhrmenge kann daher die Temperatur in dem gesamten Bereich der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) die geeignetste Temperatur zur Stromerzeugung sein.
4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines weiteren speziellen Beispiels zur Änderung der Öffnungsrate pro Bereich.
Wie in 4 gezeigt, ist die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15b ein plattenartiger Körper mit Rechteckform. Weiterhin ist, ähnlich wie die voranstehend beschriebene Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15a, die Membran unterteilt auf einen rechteckigen Bereich 35, einen mittleren Bereich 36 ähnlich wie ein Rechteckrahmen, und einen Umfangsbereich 37 ähnlich wie ein Rechteckrahmen, und sind die Durchmesser der Durchgangslöcher in den verschiedenen Bereichen verschieden. Hierbei ist der Durchmesser der Durchgangslöcher 32a kleiner als der Durchmesser der Durchgangslöcher 32b in dem mittleren Bereich 36, und ist der Durchmesser der Durchgangslöcher 32b in dem mittleren Bereich 36 kleiner als der Durchmesser der Durchgangslöcher 32c in dem Umfangsbereich 37. Andererseits sind die Dichten der Anordnungen von Durchgangslöchern bei den jeweiligen Bereichen gleich. Daher ist die Öffnungsrate infolge der Durchgangslöcher der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15b am niedrigsten in dem zentralen Bereich 35, am höchsten in dem Umfangsbereich 37, und mittel in dem mittleren Bereich 36.
Zur Vereinfachung der Beschreibung ist die Membran auf drei Bereiche unterteilt, ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und es kann die Anzahl der Bereiche geeignet abgeändert werden. Weiterhin sind die Durchgangslöcher als geradlinige Löcher ausgebildet, können jedoch auch labyrinthförmig sein. Weiterhin muss die Durchmesserabmessung des Durchgangslochs nicht in Längsrichtung konstant sein, und ist beispielsweise eine sich verjüngende Form möglich, oder kann die Durchmesserabmessung pro vorbestimmter Länge geändert sein. Weiterhin ist die Schnittform des Durchgangslochs nicht auf die Kreisform beschränkt, sondern kann eine frei wählbare Form sein.
Wenn, wie voranstehend geschildert, die Öffnungsrate pro Bereich geändert ist, wird die Brennstoffzufuhrmenge zum zentralen Bereich 35 am kleinsten, und wird das Ausmaß der Wärmeerzeugung in diesem Bereich am kleinsten. Im Gegensatz hierzu wird die Brennstoffzufuhrmenge zum Umfangsbereich 37 am größten, und wird das Ausmaß der Wärmeerzeugung in diesem Bereich am größten. Weiterhin werden die Brennstoffzufuhrmenge zum mittleren Bereich 36 und das Ausmaß der Wärmeerzeugung dort mittel. In diesem Fall wird die Wärmeabgabe nach außerhalb am kleinsten im zentralen Bereich 35, und am größten im Umfangsbereich 37. Durch Einstellung des Gleichgewichtes zwischen der Wärmeerzeugung und der Wärmeabgabe durch die Brennstoffzufuhrmenge kann daher die Temperatur in dem gesamten Bereich der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) die geeignetste Temperatur zur Erzeugung elektrischer Energie sein.
5 ist ein schematisches Diagramm als Beispiel für den Fall der Änderung der Öffnungsrate pro Bereich.
Die Horizontalachse in 5 gibt die Entfernung gegenüber dem zentralen Bereich der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 an, und die Vertikalachse ist die Öffnungsrate.
Wenn hierbei die Größe der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) (die Größe der Brennstoffzelle) geändert wird, wird das Ausmaß der Wärmeabgabe nach außen geändert. Daher muss, wie bei A und B in der Figur gezeigt, durch die Entfernung von dem zentralen Bereich der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 die Öffnungsrate geändert werden. 100% der Öffnungsrate stellt jenen Fall dar, bei welchem die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 praktisch nicht vorhanden ist.
6 ist eine schematische Schnittansicht zur Verdeutlichung des Falles der Änderung von Längen der Durchgangslöcher pro Bereich.
6 ist eine Schnittansicht der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15c, die ein plattenartiger Körper mit Rechteckform ist.
Wie in 6 gezeigt, sind die Dicken der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15c unterschiedlich im zentralen Bereich C, dem mittleren Bereich D und dem Umfangsbereich E. Die Dicke in dem zentralen Bereich C ist am größten, die Dicke in dem Umfangsbereich E ist am kleinsten, und eine Schrägfläche ist in dem mittleren Bereich D so vorgesehen, dass sie den zentralen Bereich C und den Umfangsbereich E verbindet. Weiterhin sind in den jeweiligen Bereichen die Durchgangslöcher 32, die im Wesentlichen senkrecht zur Hauptoberfläche der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15c verlaufen, vorgesehen. Hierdurch können die Längen der Durchgangslöcher pro Bereich geändert werden.
Wenn die Flusskanallänge des Durchgangsloches größer ist, nimmt der Flusskanalwiderstand zu, und kann die Zufuhrmenge an Brennstoff verringert werden. Dies führt dazu, ähnlich wie in jenem Fall, bei welchem, wie voranstehend geschildert, die Öffnungsrate pro Bereich geändert wird, dass die Brennstoffzufuhrmenge pro Bereich eingestellt werden kann.
Zur Vereinfachung der Beschreibung ist die Membran auf drei Bereiche unterteilt, ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und es kann die Anzahl an Bereichen geeignet abgeändert werden. Weiterhin ist in 6 die Durchmessergröße des Durchgangslochs 32 so gewählt, dass sie gleich ist, jedoch kann die Durchmessergröße geändert werden. Weiterhin ist der mittlere Bereich D als geradlinige Schrägfläche ausgebildet, jedoch kann die Schrägfläche durch eine Kurve gebildet werden, und kann auch treppenartig sein. Weiterhin sind die Durchgangslöcher 32 als gerade Löcher ausgebildet, können jedoch auch in Form eines Labyrinths ausgebildet sein. Weiterhin müssen die Durchmessergrößen der Durchgangslöcher 32 nicht in Längsrichtung konstant sein, und ist beispielsweise eine sich verjüngende Form möglich, oder kann die Durchmessergröße pro vorbestimmte Länge sich ändern. Weiterhin ist die Schnittform des Durchgangslochs nicht auf die Kreisform beschränkt, sondern kann eine frei wählbare Form sein.
7 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Temperaturverteilung der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9).
X1 in der Figur repräsentiert eine Temperaturverteilung im Falle der gleichmäßigen Zufuhr des Brennstoffs zu den elektromotorischen Abschnitten (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9), und Y1 repräsentiert den Fall der Einstellung der Brennstoffzufuhrmenge pro Bereich durch Bereitstellung der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15.
Im Falle der gleichmäßigen Brennstoffzufuhr wird das Ausmaß der Wärmeerzeugung beinahe gleichmäßig, aber ist das Ausmaß der Wärmeabgabe größer in dem Bereich weiter am Umfang, und wird daher die Temperaturverteilung ungleichförmig. Im Gegensatz hierzu kann, wenn die Brennstoffzufuhrmenge pro Bereich eingestellt wird, durch Bereitstellung der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 so, dass das Gleichgewicht zwischen der Wärmeerzeugungsmenge und dem Ausmaß der Wärmeabgabe aufrechterhalten wird, die Temperaturverteilung gleichförmig sein, wie bei Y1 von 7 gezeigt ist.
8 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Leistungsdichteverteilung der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9).
X2 in der Figur repräsentiert eine Temperaturverteilung im Falle der gleichmäßigen Zufuhr des Brennstoffs zu den elektromotorischen Abschnitten (den Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9), und Y2 repräsentiert den Fall der Einstellung der Brennstoffzufuhrmenge pro Bereich.
Im Falle der gleichmäßigen Brennstoffzufuhr wird die Wärmeerzeugungsmenge beinahe gleichmäßig, aber ist das Ausmaß der Wärmeabgabe größer in dem Bereich weiter am Umfang, sodass die Temperatur im Umfangsbereich niedriger ist als jene des zentralen Bereichs. Daher wird die Reaktion in dem Umfangsbereich nicht gefördert, und sinkt die Leistungsdichte. Weiterhin tritt in dem zentralen Bereich der Effekt auf, dass die Umwandlungsenergie in elektrische Energie infolge der Zunahme der Umwandlung in Wärmeenergie absinkt. Daher tritt in dem zentralen Bereich ein Abschnitt auf, bei welchem die Leistungsdichte verringert ist.
Im Gegensatz hierzu kann die Temperaturverteilung gleichförmig sein, wenn die Brennstoffzufuhrmenge pro Bereich durch Bereitstellung der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 eingestellt wird, sodass das Gleichgewicht zwischen der Wärmeerzeugungsmenge und dem Ausmaß der Wärmeabgabe aufrechterhalten wird. Wenn die Temperatur auf die geeignetste Temperatur zur Erzeugung elektrischen Stroms eingestellt wird, kann die hohe Leistungsdichte in dem gesamten Bereich der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) erhalten werden. Weiterhin kann infolge von Kenntnissen, welche die vorliegenden Erfinder erlangt haben, jede Temperatur, die am geeignetsten zur Erzeugung elektrischen Stroms ist, geeignet in dem Bereich von 30°C bis 60°C ausgewählt werden, abhängig von der Art oder Konzentration des Brennstoffs, der Größe der Brennstoffzelle, und dergleichen.
Gemäß dem Ergebnis von Simulationsversuchen, die von dem vorliegenden Erfinder durchgeführt wurden, konnte dann, wenn die Brennstoffzufuhrmenge zum Umfangsbereich das 1,6-fache betrug, die Temperaturverteilung der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) im Wesentlichen gleichförmig sein. Und wenn die Leistung der Brennstoffzelle mit einer derartigen Verteilung der Brennstoffzufuhrmenge gemessen wurde, konnte die Leistung das 1,5-fache jener im Falle der gleichmäßigen Zufuhr des Brennstoffs sein.
Als nächstes wird der Betriebsablauf der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
9 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Betriebsablaufs der Brennstoffzelle.
Gleiche Teile wie jene, die anhand von 1 erläutert wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf deren Beschreibung wird verzichtet.
An der Seite der Brennstoffelektrode 6 erzeugt, wenn eine wässrige Lösung von Methanol, welche den Brennstoff darstellt, zugeführt wird, die wässrige Lösung von Methanol eine Oxidationsreaktion gemäß folgender Gleichung (4) durch den Katalysator der Brennstoffelektrode 6. Die Reaktion erzeugt CO₂, ein Proton (H⁺) , und ein Elektron (e^–). In diesem Fall stellt die Auswirkung der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 die Brennstoffzufuhrmenge zu den jeweiligen elektromotorischen Abschnitten ein (den jeweiligen Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9).
Das Proton (H⁺) durchdringt die Elektrolytmembran 7 und bewegt sich zur Seite der Oxidationsmittelelektrode 8. Das Elektron (e^–) geht durch einen Verbraucher 69 hindurch, um Arbeit zu leisten, und bewegt sich dann zur Seite der Oxidationsmittelelektrode 8. CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^– (4)
Das Proton (H⁺), welches die Seite der Oxidationsmittelelektrode 8 erreicht, und das Elektron (e^–), welches die Seite der Oxidationsmittelelektrode 8 erreicht, reagieren mit Sauerstoff in der Luft infolge des Katalysators in der Oxidationsmittelelektrode 8, um eine reduzierende Reaktion gemäß Gleichung (5) hervorzurufen. 6H⁺ + 6e^– + (3/2)O₂ → 3H₂O (5)
Das Kohlendioxid (CO₂), das an der Seite der Brennstoffelektrode 6 erzeugt wird, wird nach außerhalb von einer Brennstoffauslassleitung, die nicht dargestellt ist, mit der restlichen wässrigen Lösung von Methanol abgelassen. Weiterhin wird Wasser, das an der Seite der Oxidationsmittelelektrode 8 erzeugt wird, von einem Luftloch, welches nicht gezeigt ist, als Feuchtigkeitsdampf abgelassen.
Durch diese Reaktionen wird Reaktionswärme erzeugt, jedoch tritt eine Wärmeabgabe zur Außenluft hin in dem Umfangsbereich auf, und wird daher der Temperaturanstieg niedriger als jener des zentralen Bereichs. Dies führt dazu, dass selbst dann, wenn eine gleichmäßige Wärmeerzeugung in den jeweiligen elektromotorischen Abschnitten (den jeweiligen Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) auftritt, eine Ungleichförmigkeit der Temperaturverteilung hervorgerufen wird, nämlich dass die Temperatur in dem zentralen Bereich hoch wird, und die Temperatur in dem Umfangsbereich niedrig wird. In einem derartigen Fall besteht die Gefahr, dass insgesamt keine hohe Leistung erzielt werden kann, da die Stromerzeugungswirkungsgrade des zentralen Bereichs und des Umfangsbereichs verschieden sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann, da die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 vorgesehen ist, und daher die Brennstoffzufuhrmenge zu den jeweiligen elektromotorischen Abschnitten (den jeweiligen Abschnitten der Membranelektroden-Baugruppe 9) eingestellt wird, die Temperatur in dem gesamten Bereich der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe 9) die geeignetste Temperatur zur Stromerzeugung sein. Dies führt dazu, dass eine Brennstoffzelle mit hoher Leistung erhalten werden kann.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Brennstoffzelle 1 gemäß dieser Ausführungsform erläutert.
10 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform.
Zuerst wird eine poröse Materialschicht hergestellt, durch Verwendung chemischer oder physikalischer Verfahren, beispielsweise ein Phasentrennverfahren, ein Schaumverfahren, und ein Sol-Gel-Verfahren, und es kann ein im Handel erhältliches poröses Material geeignet eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine poröse Polyimidmembran (UBILEX PT, hergestellt von UBE INDUSTRIES, LTD) mit einer Dicke von 25 Mikrometer und einer Öffnungsrate von 25 und dergleichen verwendet werden.
Dann wird ein Elektrolyt in die poröse Materialschicht eingefüllt, um die Elektrolytmembran 7 auszubilden (Schritt S1). Ein Verfahren zum Einfüllen des Elektrolyts umfasst ein Verfahren mit Eintauchen der porösen Materialschicht in eine Elektrolytlösung und das Herausziehen und Trocknen der Schicht, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Elektrolytlösung enthält Nafion (eingetragene Marke, hergestellt von DuPont Corporation). Die Elektrolytmembran 7 kann eine Membran sein, die aus einem Polyelektrolytmaterial hergestellt ist. In diesem Fall sind die Herstellung der porösen Membranschicht und das Einfüllen des Elektrolyten nicht erforderlich.
Als nächstes wird die Gasdiffusionsmembran 10 hergestellt, durch Tränken eines Kohlenstoff-Textilerzeugnistuches mit porösen Eigenschaften oder eines Kohlenstoffpapiers mit einer PTFE-Lösung (Polytetrafluoroethylen-Lösung). Weiterhin werden feine Teilchen aus Platin (Pt), körniger oder fasriger Kohlenstoff wie Aktivkohle oder Graphit, und ein Lösungsmittel zur Ausbildung einer Paste gemischt, und wird die Paste aufgebracht und bei normaler Temperatur getrocknet, wodurch ein Katalysator ausgebildet wird, zur Herstellung der Oxidationsmittelelektrode 8 (Schritt S2).
Andererseits wird die Gasdiffusionsmembran 5 dadurch hergestellt, dass ein Kohlenstoff-Textilerzeugnistuch mit porösen Eigenschaften oder ein Kohlenstoffpapier mit einer Lösung aus PTFE (Polytetrafluoroethylen) getränkt wird. Weiterhin werden feine Teilchen aus Platin-Ruthenium (Pt-Ru), körniger oder fasriger Kohlenstoff wie beispielsweise Aktivkohle oder Graphit, und ein Lösungsmittel gemischt, um eine Paste auszubilden, und wird die Paste aufgebracht und bei normaler Temperatur getrocknet, wodurch ein Katalysator ausgebildet wird, zur Herstellung der Brennstoffelektrode 6 (Schritt S3).
Als nächstes wird die Membranelektroden-Baugruppe 9 aus der Elektrolytmembran 7, der Oxidationsmittelelektrode 8 und der Brennstoffelektrode 6 ausgebildet. Weiterhin werden der Brennstoffelektrodenkollektor 4 und der Oxidationsmittelelektrodenkollektor 11, die jeweils aus einer Goldfolie bestehen, die mit mehreren Öffnungen versehen ist, um Luft einzulassen, oder Methanol zu verdampfen, so vorgesehen, dass sie sandwichartig die Gasdiffusionsmembranen 5, 10 einschließen (Schritt S4).
Als nächstes wird eine Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf dem Brennstoffelektrodenkollektor 4 vorgesehen (Schritt 5).
Die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 wird dadurch hergestellt, dass Öffnungen in einer Basis vorgesehen werden, die aus einem organischen Material oder anorganischen Material besteht, welches wärmebeständig ist, und beständig gegen den Brennstoff, oder aus einem entsprechenden zusammengesetzten Material. Als ein Verfahren zur Bereitstellung der Öffnungen kann ein Trockenätzverfahren oder ein Nassätzverfahren oder dergleichen eingesetzt werden. Hier ist als Beispiel jener Fall angegeben, bei welchem die Membran, welche die Basis werden soll, aus anorganischem Material hergestellt wird, und die Öffnungen unter Verwendung eines Nassätzverfahrens ausgebildet werden. Zuerst wird ein durch Ultraviolett aushärtbares Harz durch Schleuderbeschichtung mit im Wesentlichen einigen 10 Mikrometer auf der Membran aufgebracht, die aus anorganischem Material besteht, und wird ein Muster der Öffnungen ausgebildet durch Ausheizen, Belichtung, Entwicklung und Nachausheizen. Dann wird eine Ätzung mit gepufferter Flusssäure durchgeführt, und wird der Resist durch Einsatz einer Entfernungslösung entfernt, wodurch gewünschte Öffnungen in der Membran bereitgestellt werden können. Weiterhin können im Falle der Änderung der Richtung der Dicke der Membran, wie anhand von 6 erläutert, die Öffnungen unter Einsatz eines Trockenätzverfahrens oder eines Nassätzverfahrens hergestellt werden.
Beispielsweise kann durch Änderung der Öffnungsrate des Brennstoffelektrodenkollektors 4 pro vorbestimmten Bereich der Kollektor dazu veranlasst werden, dass er auch die Funktion der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 aufweist. In diesem Fall lässt sich das so ansehen, dass der Brennstoffelektrodenkollektor 4 und die Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 vereinigt sind.
Als nächstes werden die poröse Membran 3 und die Flüssigkeitsrückhaltemembran 2 auf der Brennstoffverteilungs-Einstellmembran 15 in dieser Reihenfolge vorgesehen, und wird die Flüssigkeitsrückhaltemembran 2 mit dem Zusatzteil 13 versehen (Schritt S6). Ein Brennstofftank, der nicht dargestellt ist, wird an das Zusatzteil 13 angeschlossen.
Als nächstes wird die poröse, Feuchterückhaltemembran 12, die aus einem porösen Material hergestellt ist, auf dem Oxidationsmittelelektrodenkollektor 11 vorgesehen (Schritt S7).
Als letztes wird das Erzeugnis geeignet in einem Behälter aufgenommen, und so weiter, um die Brennstoffzelle 10 auszubilden (Schritt S8).
Wie voranstehend beschrieben, wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Beispiele erläutert. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Insoweit es die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aufweist, ist das voranstehend beschriebene, spezielle Beispiel, das geeignet konstruktiv von Fachleuten auf diesem Gebiet abgeändert ist, vom Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst.
So sind beispielsweise die Form, die Größe, das Material, die Anordnung und dergleichen jedes Bestandteils der voranstehend beschriebenen Brennstoffzelle nicht auf die als Beispiel angegebenen Einzelheiten beschränkt, sondern können geeignet abgeändert werden.
Weiterhin wird die Brennstoffzelle erläutert, die aus einer einzigen Membranelektroden-Baugruppe besteht, jedoch ist auch eine gestapelte Anordnung möglich, bei welcher mehrere der Membranelektroden-Baugruppen zusammenlaminiert sind.
Weiterhin ist die Brennstoffzelle erläutert, die mit mehreren der elektromotorischen Abschnitte (der Abschnitte der Membranelektroden-Baugruppe) versehen ist, jedoch ist auch eine Brennstoffzelle möglich, die mit dem einfachen elektromotorischen Abschnitt (dem Abschnitt der Membranelektroden-Baugruppe) versehen ist.
Weiterhin ist als Beispiel für den Brennstoff eine wässrige Lösung von Methanol angegeben, jedoch ist der Brennstoff nicht hierauf beschränkt. Anderer Brennstoff umfasst einen Alkohol, beispielsweise Ethanol und Propanol, ebenso wie Methanol, einen Ether wie beispielsweise Dimethylether, ein Zykloparaffin wie beispielsweise Zyklohexan, ein Zykloparaffin, das eine hydrophobe Gruppe aufweist, beispielsweise eine Hydroxylgruppe, eine Karboxylgruppe, eine Aminogruppe, oder eine Amidgruppe. Ein derartiger Brennstoff wird normalerweise als wässrige Lösung von im Wesentlichen 5–90 Gewichtsprozent verwendet.
Weiterhin können die Bestandteile, welche die voranstehend beschriebenen, jeweiligen speziellen Beispiele aufweisen, kombiniert werden, und ist das Beispiel, das eine Kombination daraus aufweist, vom Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst, soweit es die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2007-073377 [0001]
- JP 2006-196430 [0004, 0005]
- DE 19853911 A [0004, 0005]

Claims

Verfahren zur Einstellung einer Brennstoffverteilung, welches aufweist: Einstellung einer Verteilung einer Brennstoffzufuhrmenge zu einer Membranelektroden-Baugruppe, sodass eine Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichförmig wird, durch eine Membran, die an einer Brennstoffzufuhrseite der Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorgesehen ist.
Verfahren zur Einstellung einer Brennstoffverteilung nach Anspruch 1, bei welchem die Einstellung durch Änderung der Öffnungsrate der Membran pro vorbestimmten Bereich durchgeführt wird.
Verfahren zur Einstellung einer Brennstoffverteilung nach Anspruch 1, bei welchem die Einstellung durch Änderung des Flusskanalwiderstands von Öffnungen durchgeführt wird, die in der Membran vorgesehen sind, pro vorbestimmten Bereich.
Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, die an einer Brennstoffzufuhrseite einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorhanden ist, wobei die Membran mit Öffnungen versehen ist, sodass eine Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichförmig wird.
Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 4, bei welcher die Öffnungsrate der Öffnung pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert ist.
Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 4, bei welcher der Flusskanalwiderstand der Öffnungen pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert ist.
Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 4, bei welcher die Öffnungen so vorgesehen sind, dass die Wärmeerzeugungsmenge in einem zentralen Bereich der Membran kleiner ist als jene in einem Umfangsbereich der Membran.
Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 4, bei welcher die Öffnungen so vorgesehen sind, dass deren Öffnungsrate in einem zentralen Bereich der Membran kleiner ist als jene in einem Umfangsbereich der Membran.
Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 4, bei welcher die Größe der Öffnungen in einem zentralen Bereich der Membran kleiner ist als jene in einem Umfangsbereich der Membran.
Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 4, bei welcher die Flusskanallänge der Öffnungen eines zentralen Bereichs in der Membran größer ist als jene in einem Umfangsbereich der Membran.
Verfahren zur Herstellung einer Membran, welche eine Brennstoffverteilung einstellt, bei welchem vorgesehen sind: Ausbildung einer Membran, die zu einer Basis werden soll; und Bereitstellung von Öffnungen in der Membran so, dass eine Temperaturverteilung in einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle im Wesentlichen gleichförmig wird, wenn die Brennstoffzelle mit einem Brennstoff betrieben wird, der durch die Öffnungen zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 11, bei welchem die Öffnungsrate der Öffnungen pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, nach Anspruch 11, bei welchem der Flusskanalwiderstand der Öffnungen pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert wird.
Brennstoffzelle, welche aufweist: eine Membranelektroden-Baugruppe; und eine Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, die an einer Brennstoffzufuhrseite einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei die Membran mit Öffnungen versehen ist, sodass eine Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichförmig ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, bei welcher die Öffnungsrate der Öffnungen pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, bei welcher der Flusskanalwiderstand der Öffnungen pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, bei welcher die Öffnungen so vorgesehen sind, dass eine Wärmeerzeugungsmenge in einem zentralen Bereich der Membran kleiner ist als jene in einem Umfangsbereich der Membran.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, welche aufweist: eine Membranelektroden-Baugruppe; und eine Membran, die eine Brennstoffverteilung einstellt, die an einer Brennstoffzufuhrseite einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle vorhanden ist, wobei die Membran mit Öffnungen versehen ist, sodass eine Temperaturverteilung in der Membranelektroden-Baugruppe im Wesentlichen gleichförmig wird, wobei vorgesehen sind: Herstellung der Membran durch: Ausbildung einer Membran, die zu einer Basis werden soll; und Bereitstellung von Öffnungen in der Membran so, dass eine Temperaturverteilung in einer Membranelektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle im Wesentlichen gleichförmig wird, wenn die Brennstoffzelle mit einem Brennstoff betrieben wird, der durch die Öffnungen zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 18, bei welchem die Öffnungsrate der Öffnungen pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 18, bei welchem der Flusskanalwiderstand der Öffnungen pro vorbestimmten Bereich der Membran geändert wird.