DE102008015575A1 - Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle weist eine Membran, eine Kathodenelektrodenschicht, eine Kathodengas-Diffusionsschicht, eine Anodenelektrodenschicht und eine Anodengas-Diffusionsschicht auf. Die Kathodengas-Diffusionsschicht und/oder die Anodengas-Diffusionsschicht weist bzw. weisen eine katalytische Schicht und eine wasserabstoßende Schicht auf. Die katalytische Schicht enthält erste elektrisch leitfähige Fasern und einen Katalysator und ist auf einer Seite der Membran in Dickenrichtung der Membranelektrodenanordnung angeordnet. Die wasserabstoßende Schicht enthält zweite elektrisch leitfähige Fasern und ein Wasserabstoßungsmittel und ist in Dickenrichtung der Membranelektrodenanordnung weiter weg von der Membran angeordnet als die katalytische Schicht. Die ersten elektrisch leitfähigen Fasern weisen eine erste durchschnittliche Faserlänge auf. Die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern weisen eine zweite durchschnittliche Faserlänge auf. Die erste durchschnittliche Faserlänge ist länger als die zweite durchschnittliche Faserlänge.

Description

  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-79,598 , eingereicht am 26. März 2007, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Beschreibung der einschlägig verwandten Technik
  • Eine herkömmliche Membranelektrodenanordnung weist eine Membran, eine Kathodenelektrodenschicht, eine Kathodengas-Diffusionsschicht, eine Anodenelektrodenschicht und eine Anodengas-Diffusionsschicht auf. Die Membran zeigt Ionenleitfähigkeit. Die Kathodenelektrodenschicht ist auf einer der dickenweise einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran angeordnet. Die Kathodengas-Diffusionsschicht ist auf der dickenweise äußeren Seite der Kathodenelektrodenschicht angeordnet. Die Anodenelektrodenschicht ist auf der anderen der dickenweise einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran angeordnet. Die Anodengas-Diffusionsschicht ist auf der dickenweise äußeren Seite der Anodenelektrodenschicht angeordnet.
  • Die japanische Patent-Offenlegungsschrift (KOKAI) Gazette Nr. 2003-123,769 offenbart eine herkömmliche Elektrode für eine Brennstoffzelle. Die herkömmliche Elektrode weist eine Elektrodenschicht auf, die als katalytische Schicht dient und die ein Fasersubstrat, beispielsweise anorganische Fasern wie Aluminiumfaserkristalle und Silicafaserkristalle, oder Kohlenstofffasern aufweist. Gemäß dieser Schrift kann die herkömmliche Elektrode die Erzeugung von Rissen in der Elektrodenschicht verhindern.
  • Die japanische Patent-Offenlegungsschrift (KOKAI) Gazette Nr. 2004-119,398 offenbart eine herkömmliche katalytische Zusammensetzung für eine Batterie. Die herkömmliche katalytische Zusammensetzung weist faserförmigen Kohlenstoff, elektrisch leitende Pulverkörnchen und ein wasserabstoßendes Harz auf, die in mindestens einem Teil einer Gasdiffusionsschicht enthalten sind, die mit der katalytischen Schicht in Kontakt gebracht wird.
  • Die japanische Patent-Offenlegungsschrift (KOKAI) Gazette Nr. 8-180,879 offenbart die folgende herkömmliche Technik: Ausbilden einer Paste, die Kohlenstoff, der mit einem Katalysator beladen ist, und wasserlösliche kurze Fasern, wie kurze Polyvinylalkoholfasern, enthält; Verstreichen bzw. Ausbreiten der resultierenden Paste in Form eines Flächengebildes bzw. einer Folie, wodurch ein Flächengebilde entsteht, und anschließend Tauchen des resultierenden Flächengebildes in warmes Wasser, um die wasserlöslichen kurzen Fasern herauszulösen, damit die herausgelösten kurzen Fasern Poren zurücklassen, wodurch eine mit Poren versehene Elektrode gebildet wird. Dieser Schrift zufolge können die Poren die Gasdurchlässigkeit der solchermaßen erzeugten Elektrode verbessern. Außerdem wird in dieser Schrift dargelegt, dass es möglich ist, mehrere spezielle wasserlösliche kurze Fasern zu verwenden, deren Durchmesser jeweils unterschiedlich sind.
  • Die japanische Patent-Offenlegungsschrift (KOKAI) Gazette Nr. 2004-235,134 offenbart ein Elektrodensubstrat, das durch Ausbilden eines ersten porösen Elektrodensubstrats und eines zweiten porösen Elektrodensubstrats und anschließendes Schichten des ersten porösen Elektrodensubstrats und des zweiten porösen Elektrodensubstrats durch Warmpressen hergestellt wird. Beispielsweise wird das erste poröse Elektrodensubstrat durch Aneinanderbonden von ersten Kohlenstofffasern, die Faserlängen von 0,2 bis 9 Millimeter und Durchmesser von 0,1 bis 5 Mikrometer aufweisen, mit Kohlen stoff, was durch Carbonisieren eines Harzes bewirkt wird, hergestellt. Ebenso wird das zweite poröse Elektrodensubstrat durch Aneinanderbonden von zweiten Kohlenstofffasern, die Faserlängen von 3 bis 20 Millimeter und Durchmesser von 6 bis 20 Mikrometer aufweisen, mit Kohlenstoff, was durch Carbonisieren eines Harzes bewirkt wird, hergestellt. Gemäß dieser Schrift sind das erste poröse Elektrodensubstrat und das zweite poröse Elektrodensubstrat jeweils frei von allen Katalysatoren und ionenleitfähigen Substanzen. Außerdem behandelt die Veröffentlichung in keiner Weise eine Technik in Bezug auf eine katalytische Schicht, sondern vielmehr eine Technik in Bezug auf eine Gasdiffusionsschicht.
  • In herkömmlichen Brennstoffzellen erzeugt die Reaktion, mit der elektrische Leistung bzw. Strom erzeugt wird, Wasser. Somit kann es zu einem Fluten kommen, so dass die Stromerzeugungsleistung herkömmlicher Brennstoffzellen abnehmen kann. Der Ausdruck „Fluten" bedeutet, dass das erzeugte Wasser die Strömungskanäle, in denen Reaktionsgase, wie Luft, strömen, verschließen, wodurch die Strömungsquerschnitte verringert werden. Während der Stromerzeugungsoperation der Brennstoffzelle muss das resultierende Wasser auf angemessene Weise ausgetragen werden. Obwohl als Konsequenz verschiedene Verbesserungen vorgenommen wurden, um die Wasseraustragungsfähigkeit von herkömmlichen Membranelektrodenanordnungen zu verbessern, wird weiterhin eine Membranelektrodenanordnung gewünscht, die eine noch bessere Wasseraustragungsfähigkeit aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der genannten Umstände entwickelt. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membranelektrodenanordnung, die eine weiterentwickelte Wasseraustragungsfähigkeit aufweist, so dass sie von Vorteil ist für die Flutungsverhinderung, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen.
  • Eine Membranelektrodenanordnung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf:
    eine Membran, die Ionenleitfähigkeit zeigt;
    eine Kathodenelektrodenschicht, die auf einer von dickenweise einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran angeordnet ist;
    eine Kathodengas-Diffusionsschicht, die auf einer dickenweise äußeren Seite der Kathodenelektrodenschicht angeordnet ist;
    eine Anodenelektrodenschicht, die auf der anderen der dickenweise einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran angeordnet ist; und
    eine Anodengas-Diffusionsschicht, die auf einer dickenweise äußeren Seite der Anodenelektrodenschicht angeordnet ist;
    wobei die Kathodenelektrodenschicht und/oder die Anodenelektrodenschicht aufweist bzw. aufweisen:
    eine katalytische Schicht, die erste elektrisch leitfähige Fasern und einen Katalysator enthält und die in Dickenrichtung der Membran auf einer Seite von deren aufgebracht ist;
    eine wasserabstoßende Schicht, die zweite elektrisch leitfähige Fasern und ein Wasserabstoßungsmittel enthält und die in Dickenrichtung der Membran weiter weg von der Membran angeordnet ist als die katalytische Schicht; und
    wobei die ersten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der katalytischen Schicht enthalten sind, eine erste durchschnittliche Faserlänge zeigen, die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der wasserabstoßenden Schicht enthalten sind, eine zweite durchschnittliche Faserlänge zeigen und die erste durchschnittliche Faserlänge länger ist als die zweite durchschnittliche Faserlänge.
  • In der Membranelektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist bzw. weisen die Kathodenelektrodenschicht und/oder die Anodenelektrodenschicht eine membranseitige katalytische Schicht und eine wasserabstoßende Schicht auf. Überdies ist die wasserabstoßende Schicht in Dickenrichtung der Membranelektrodenanordnung weiter weg von der Membran angeordnet als die katalytische Schicht; anders ausgedrückt, die wasserabstoßende Schicht ist auf einer in Bezug auf die Membran dickenweise weiter außen befindlichen Seite angeordnet als die membranseitige katalytische Schicht. Die membranseitige katalytische Schicht ist eine Schicht, die aktiv einen Katalysator enthält, und erleichtert dadurch die Stromerzeugungsreaktion. Dagegen enthält die wasserabstoßende Schicht aktiv ein Wasserabstoßungsmittel, so dass sie die Austragung von resultierendem Wasser erleichtert. Jedoch ist die wasserabstoßende Schicht eine Schicht, die aktiv gar keinen Katalysator enthält.
  • Darüber hinaus zeigen die ersten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der katalytischen Schicht enthalten sind, die in Dickenrichtung der Membran weiter innen zur Membran hin angeordnet ist, eine erste durchschnittliche Faserlänge. Dagegen zeigen die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der wasserabstoßenden Schicht enthalten sind, die in Dickenrichtung weiter außen von der Membran angeordnet sind, eine zweite durchschnittliche Faserlänge. Außerdem ist die erste durchschnittliche Faserlänge länger als die zweite durchschnittliche Faserlänge. Man beachte hier, dass elektrisch leitfähige Fasern, die eine längere durchschnittliche Faserlänge aufweisen, Leerstellen oder Poren in katalytischen Schichten eher vergrößern als dies bei elektrisch leitfähigen Fasern, die eine kürzere durchschnittliche Faserlänge aufweisen, der Fall ist. Daher ermöglichen die ersten leitfähigen Fasern eine Verbesserung der Wasseraustragungsfähigkeit der Kathodenelektrodenschicht oder der Anodenelektrodenschicht. Auch wenn die Stromerzeugungsreaktion Wasser erzeugt, so dass als Folge davon Wasser an der Grenzfläche zwischen der Membran und der membranseitigen Katalysatorschicht der Kathodenelektrodenschicht oder Anodenelektrodenschicht entsteht, kann somit die Membranelektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine mehr zufriedenstellende Fähigkeit, das resultierende Wasser auszutragen, zeigen.
  • Außerdem kann in der Membranelektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die Kathodenelektrodenschicht die membranseitige katalytische Schicht und die wasserabstoßende Schicht aufweisen. Darüber hinaus kann auch die Anodenelektrodenschicht die membranseitige katalytische Schicht und die wasserabstoßende Schicht aufweisen. Die ersten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der membranseitigen katalytischen Schicht enthalten sind, können vorzugsweise eine erste durchschnittliche Faserlänge von 7 bis 100 Mikrometer, stärker bevorzugt von 10 bis 50 Mikrometer, noch stärker bevorzugt von 10 bis 20 Mikrometer aufweisen. Andererseits können die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der der wasserabstoßenden Schicht enthalten sind, eine zweite durchschnittliche Faserlänge von 2 bis 50 Mikrometer, stärker bevorzugt von 3 bis 15 Mikrometer, noch stärker bevorzugt von 5 bis 9 Mikrometer aufweisen. Kurz gesagt, die Kathodenelektrodenschicht oder die Anodenelektrodenschicht kann eine Kombination der katalytischen Schicht, die weiter innen zur Membran hin angeordnet ist, und der wasserabstoßenden Schicht, die weiter außen von der Membran angeordnet ist als die katalytische Schicht, aufweisen, eine Kombination, in der eine erste durchschnittliche Faserlänge der ersten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der membranseitigen katalytischen Schicht enthalten sind, relativ länger sein kann als eine zweite durchschnittliche Faserlänge der zweiten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der äußeren, wasserabstoßenden Schicht enthalten sind. Somit entstehen Leerstellen oder Poren, die für die Austragung von Wasser geeignet sind, wahrscheinlich in der membranseitigen katalytischen Schicht. In Anbetracht der Korrosionsbeständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der ersten elektrisch leitfähigen Fasern und der zweiten elektrisch leitfähigen Fasern können die ersten elektrisch leitfähigen Fasern und die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern vorzugsweise eine Kohlenstofffaser umfassen.
  • Eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gehört zu den bevorzugten Modifikationen des oben beschriebenen ersten Aspekts, d. h. die Kathodenelektrodenschicht und/oder die Anodenelektrodenschicht kann vorzugsweise die Kathodenelektrodenschicht sein. Genauer erzeugt die Stromerzeugungsreaktion in der Kathodenelektrodenschicht mehr Wasser als in der Anodenelektrodenschicht. Daher weist die Membranelektrodenanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Kathodenelektrodenschicht auf, welche die zufriedenstellende Wasseraustragungsfähigkeit zuverlässiger zeigt.
  • Eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine andere bevorzugte Modifikation des oben beschriebenen ersten Aspekts, d. h.:
    sowohl die Kathodenelektrodenschicht als auch die Anodenelektrodenschicht weisen die katalytische Schicht bzw. die wasserabstoßende Schicht auf;
    die katalytische Schicht, die auf einer Seite der Kathodenelektrodenschicht angeordnet ist, enthält die ersten elektrisch leitfähigen Fasern in einem ersten Gehalt pro Flächeneinheit;
    die katalytische Schicht, die auf einer Seite der Anodenelektrodenschicht angeordnet ist, enthält die ersten elektrisch leitfähigen Fasern in einem zweiten Gehalt pro Flächeneinheit; und
    der erste Gehalt pro Flächeneinheit ist größer als der zweite Gehalt pro Flächeneinheit.
  • Wie oben beschrieben, erzeugt die Stromerzeugungsreaktion in der Kathodenelektrodenschicht mehr Wasser als in der Anodenelektrodenschicht. Daher weist die Membranelektrodenanordnung gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Kathodenelektrodenschicht auf, welche die Wasseraustragungsfähigkeit zuverlässiger zeigt.
  • Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und umfasst die folgenden Schritte:
    Herstellen von längeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine erste durchschnittliche Faserlänge aufweisen, von kürzeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine zweite durchschnittliche Faserlänge aufweisen, die relativ kürzer ist als die erste durchschnittliche Faserlänge der längeren elektrisch leitfähigen Fasern, einer Membran, die Ionenleitfähigkeit zeigt, und einer Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran gerichtet werden kann;
    Laminieren einer wasserabstoßenden Schicht, welche die kürzeren elektrisch leitfähigen Fasern und ein Wasserabstoßungsmittel enthält, auf eine von einander ent gegengesetzten Oberflächen der Gasdiffusionsschicht, welche auf die Membran gerichtet ist, und anschließendes Laminieren einer äußeren katalytischen Schicht, welche die längeren elektrisch leitfähigen Fasern und einen Katalysator enthält, auf die wasserabstoßende Schicht, wodurch eine äußeres Zwischenprodukt gebildet wird, in dem die äußere katalytische Schicht auf der wasserabstoßenden Schicht angeordnet ist, und außerdem
    Laminieren einer inneren katalytischen Schicht, welche die längeren elektrisch leitfähigen Fasern und einen Katalysator enthält, auf eine von einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran, welche auf die Gasdiffusionsschicht gerichtet ist, wodurch ein membranseitiges Zwischenprodukt gebildet wird, in dem die innere katalytische Schicht auf der Membran angeordnet ist; und
    Laminieren des äußeren Zwischenprodukts auf das membranseitige Zwischenprodukt, so dass die äußere katalytische Schicht auf die innere katalytische Schicht gerichtet ist, wodurch eine Membranelektrodenanordnung hergestellt wird.
  • Man kann sagen, dass es für die Verbesserung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 40 bevorzugt ist, eine katalytische Schicht, die einen Katalysator enthält, in größerer Dicke aufzubringen. Jedoch gibt es natürlich Begrenzungen für die dickere Auftragung einer katalytischen Schicht. Um die Begrenzungen zu überwinden, verwendet das Herstellungsverfahren gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine katalytische Schicht, welche die äußere katalytische Schicht des äußeren Zwischenprodukts und die innere katalytische Schicht des membranseitigen Zwischenprodukts umfasst und die durch Laminieren der äußeren katalytischen Schicht auf die innere katalytische Schicht, oder umgekehrt, ausgebildet wird. Somit kann die resultierende katalytische Schicht zuverlässig eine angemessene Dicke aufweisen. Damit ein Katalysator effizient zur Stromerzeugungsreaktion beitragen kann, kann ein Katalysator vorzugsweise so weit wie möglich auf einer der Seiten der Membran vorhanden sein, auf die leitende Ionen sich zubewegen. Angesichts dieser Tatsache verwendet das Herstellungsverfahren gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung die innere katalytische Schicht, die näher an der Membran angeordnet ist und die einen Katalysator in größerer Dichte enthält. Infolgedessen kann der Katalysator, der in größerer Dichte in der inneren katalytischen Schicht vorhanden ist, wirksamer zur Stromerzeugungsreaktion beitragen. Auch wenn der Katalysator, der in der inneren katalytischen Schicht enthalten ist, aufgrund seiner Verwendung über einen langen Zeitraum hinweg schlechter geworden sein sollte, kann ferner ein Katalysator, der in der äußeren katalytischen Schicht enthalten ist, statt seiner zur Stromerzeugungsreaktion beitragen. Daher kann das Herstellungsverfahren gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Membranelektrodenanordnung herstellen, die im Betrieb Vorteile zeigt, wobei sie beispielsweise eine viel weiter entwickelte Wasseraustragungsfähigkeit zeigt, ebenso wie dies bei der Membranelektrodenanordnung gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt der Fall ist.
  • Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und umfasst die folgenden Schritte:
    Herstellen von längeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine erste durchschnittliche Faserlänge aufweisen, von kürzeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine zweite durchschnittliche Faserlänge aufweisen, die relativ kürzer ist als die erste durchschnittliche Faserlänge der längeren elektrisch leitfähigen Fasern, von einer Membran, die Ionenleitfähigkeit zeigt, und von einer Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran gerichtet werden kann;
    Ausbilden einer wasserabstoßenden Schicht, welche die kürzeren elektrisch leitfähigen Fasern und ein Wasserabstoßungsmittel enthält, auf einer gegenüber liegenden Oberfläche der Gasdiffusionsschicht, welche auf die Membran gerichtet ist;
    Ausbilden einer katalytischen Schicht, welche die längeren elektrisch leitfähigen Fasern und einen Katalysator enthält, auf einer gegenüber liegenden Oberfläche der Membran, welche auf die Gasdiffusionsschicht gerichtet ist, und/oder einer gegenüber liegenden Oberfläche der wasserabstoßenden Schicht, welche auf die Membran gerichtet ist; und
    Laminieren der Membran, der katalytischen Schicht, der wasserabstoßenden Schicht und der Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge, wodurch eine Membranelektrodenanordnung hergestellt wird.
  • Somit wird deutlich, dass die Membranelektrodenanordnung, die gemäß dem Herstellungsverfahren gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, im Betrieb Vorteile erzeugen kann, wobei sie beispielsweise eine viel weiter entwickelte Wasseraustragungsfähigkeit zeigt, ebenso wie dies bei der Membranelektrodenanordnung gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt der Fall ist.
  • Die Membranelektrodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die katalytische Schicht und eine wasserabstoßende Schicht auf, aus denen die Kathodenelektrodenschicht und/oder die Anodenelektrodenschicht besteht bzw. bestehen. Die katalytische Schicht enthält die ersten elektrisch leitfähigen Fasern, welche die erste durchschnittliche Faserlänge zeigen. Die wasserabstoßende Schicht enthält die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern, welche die zweite durchschnittliche Faserlänge zeigen. Die erste durchschnittliche Faserlänge ist länger als die zweite durchschnittliche Faserlänge. Infolgedessen vergrößern die ersten elektrisch leitfähigen Fasern mit größerer Wahrscheinlichkeit Leerstellen oder Poren in der katalytischen Schicht als die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern Leerstellen oder Poren in der wasserabstoßenden Schicht vergrößern. Somit macht es die katalytische Schicht möglich, dass die Kathodenelektrodenschicht und/oder die Anodenelektrodenschicht eine zufriedenstellend verbesserte Wasseraustragungsfähigkeit zeigen. Auch wenn Wasser, das bei der Stromerzeugungsreaktion erzeugt wird, an der Grenzfläche zwischen der Membran und der katalytischen Schicht vorhanden sein sollte, kann demgemäß die Membranelektrodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung das Wasser auf angemessene Weise austragen. Daher kann die vorliegende Membranelektrodenanordnung verhindern, dass ein Flutungsproblem entsteht, und kann dadurch eine verbesserte Stromerzeugungsleistung zeigen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Eine umfassendere Einsicht in die vorliegende Erfindung und viele ihrer Vorteile kann leicht gewonnen werden, da diese durch Bezug auf die folgende ausführliche Er läuterung in Zusammenschau mit der begleitenden Zeichnung und der ausführliche Beschreibung, die alle Teil dieser Offenbarung sind, besser verstanden wird.
  • 1 ist ein Querschnitt einer Membranelektrodenanordnung gemäß der Ausführungsform Nr. 1 der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Querschnitt einer Membranelektrodenanordnung gemäß der Ausführungsform Nr. 2 der vorliegenden Erfindung und zeigt die Membranelektrodenanordnung während ihrer Herstellung.
  • 3 ist ein Querschnitt einer Membranelektrodenanordnung gemäß der Ausführungsform Nr. 3 der vorliegenden Erfindung und zeigt die Membranelektrodenanordnung während ihrer Herstellung.
  • 4 ist ein Querschnitt einer Membranelektrodenanordnung gemäß der Ausführungsform Nr. 4 der vorliegenden Erfindung und zeigt die Membranelektrodenanordnung während ihrer Herstellung.
  • 5 ist ein Querschnitt einer Membranelektrodenanordnung gemäß der Ausführungsform Nr. 5 der vorliegenden Erfindung und zeigt die Membranelektrodenanordnung während ihrer Herstellung.
  • 6 ist ein Querschnitt zur Erläuterung einer Einzelzellen-Brennstoffzelle.
  • 7 ist ein Graph zur Erläuterung der Ergebnisse eines Spannungsabfalltests an Brennstoffzellen gemäß Beispielen und Vergleichsbeispielen.
  • 8 ist ein Graph zur Erläuterung der Ergebnisse eines anderen Spannungsabfalltests an Brennstoffzellen gemäß anderen Beispielen und Vergleichsbeispielen.
  • 9 ist ein Graph zur Erläuterung der Ergebnisse eines Tests auf elektrischen Widerstand an wasserabstoßenden Schichten gemäß Beispielen und Vergleichsbeispielen.
  • 10 ist ein Graph zur Erläuterung der Ergebnisse eines Gasdurchlässigkeitstests an wasserabstoßenden Schichten gemäß Beispielen und Vergleichsbeispielen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachdem die vorliegende Erfindung allgemein beschrieben wurde, kann ein weitergehendes Verständnis durch Bezug auf die speziellen bevorzugten Ausführungsformen, die hierin lediglich für die Zwecke der Erläuterung angegeben werden und die nicht den Bereich der beigefügten Ansprüche begrenzen sollen, gewonnen werden.
  • (Ausführungsform Nr. 1)
  • Im Folgenden wird die Ausführungsform Nr. 1 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben. Eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle (im Folgenden gegebenenfalls als „MEA" abgekürzt) gemäß der Ausführungsform Nr. 1 wird in Protonentauschermembran-Brennstoffzellen verwendet. Wie in 1 dargestellt, weist eine MEA 1 eine Membran 2, eine Kathodenelektrodenschicht 3, eine Kathodengas-Diffusionsschicht 4, eine Anodenelektrodenschicht 5 und eine Anodengas-Diffusionsschicht 6 auf. Die Membran 2, die Ionenleitfähigkeit zeigt, ist aus polymerem Material gebildet, beispielsweise aus einem Perfluorsulfonsäure-Harzmaterial. Die Kathodenelektrodenschicht 3 ist auf einer der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2 oder auf einer der dickenmäßig einander entgegengesetzten Seiten der MEA 1 angeordnet. Die Kathodengas-Diffusionsschicht 4 ist auf der dickenmäßig äußeren Seite der Kathodenelektrodenschicht 3 angeordnet. Die Anodenelektro denschicht 5 ist auf der anderen der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2 oder an der anderen der dickenmäßig einandner gegenüber liegenden Seiten der MEA 1 angeordnet. Die Anodengas-Diffusionsschicht 6 ist an der dickenmäßig äußeren Seite der Anodenelektrodenschicht 5 angeordnet. In der Beschreibung der Ausführungsform Nr. 1 und der folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Ionenleitfähigkeit" Protonenleitfähigkeit.
  • Die Kathodenelektrodenschicht 3 weist eine erste katalytische Schicht 31 und eine erste wasserabstoßende Schicht 34 auf. Die erste katalytische Schicht 31 ist so angeordnet, dass sie auf eine der dickenmäßig einander entgegengesetzten Seiten der Membran 2 gerichtet ist, und weist beispielsweise eine Dicke von 40 bis 60 Mikrometer auf. Die erste wasserabstoßende Schicht 34 ist in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet als die erste katalytische Schicht 31, d. h. die erste wasserabstoßende Schicht 34 ist in Bezug auf die Membran 2 auf einer weiter außen liegenden Seite angeordnet als die erste katalytische Schicht 31. Die erste wasserabstoßende Schicht 34 weist beispielsweise eine Dicke von 50 bis 70 Mikrometer auf. Die erste katalytische Schicht 31 enthält Folgendes: längere Kohlenstofffasern als erste elektrisch leitfähige Fasern, einen Katalysator und eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz und eine ionenleitfähige Substanz als Hauptkomponenten. Beispielsweise umfasst der Katalysator Platin und die teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz umfasst Ruß, wie Acetylenruß; und die ionenleitfähige Substanz umfasst eine protonenleitfähige Substanz, wie Wasser. In der vorliegenden Schrift bedeutet der Ausdruck „einen Bestandteil als Hauptkomponente enthalten", dass eine bestimmte Schicht den Bestandteil in einer Menge von 5 Massenanteilen bzw. Massen% oder mehr oder 10 Massen% oder mehr aufweist, wenn die Schicht als 100 Massenanteile bzw. Massen% genommen wird. Man beachte, dass die erste katalytische Schicht 31 durch Compoundieren von mit Katalysator beladenem Kohlenstoff mit den längeren Kohlenstofffasern und einer ionenleitfähigen Substanz hergestellt wird. Darüber hinaus wird der mit Katalysator beladene Kohlenstoff durch Laden der Platin(oder Katalysator)-Teilchen auf die Oberfläche von Ruß, wie Acetylenruß (oder einer teilchenförmigen elektrisch leitfähigen Hilfssubstanz) hergestellt.
  • Wie in 1 dargestellt, ist die erste wasserabstoßende Schicht 34 auf die dickenmäßig innere Oberfläche der Kathodengas-Diffusionsschicht 4 gerichtet und enthält kürzere Kohlenstofffasern als zweite elektrisch leitfähige Fasern, ein Wasserabstoßungsmittel und eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz. Beispielsweise umfasst das Wasserabstoßungsmittel ein Fluorkohlenstoff-Polymer, und die teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz umfasst Ruß, wie Acetylenruß. Man beachte, dass die erste wasserabstoßende Schicht 34 aktiv gar keinen Katalysator enthält, da diese Schicht hauptsächlich darauf abzielt, Wasserabstoßung zu zeigen, um die Austragung von Wasser aus der MEA 1 zu erleichtern, und weil sie an einer Stelle angeordnet ist, die in Dickenrichtung der MEA 1 so weit entfernt von der MEA 1 angeordnet ist, dass sie weniger wahrscheinlich zur Stromerzeugungsreaktion beiträgt. Darüber hinaus sei auch darauf hingewiesen, dass ein Ausdruck wie „die erste wasserabstoßende Schicht 34 enthält aktiv gar keinen Katalysator" Fälle einschließt, wo die erste wasserabstoßende Schicht 34 bei ihrer eigentlichen Herstellung häufig einen Katalysator und/oder die anderen Substanzen passiv enthält.
  • Die ersten katalytisch leitfähigen Fasern, die in der ersten katalytischen Schicht 31 enthalten sind, d. h. die längeren Kohlenstofffasern, deren Faserlängen relativ länger sind als diejenigen der kürzeren Kohlenstofffasern, zeigen darüber hinaus eine durchschnittliche Faserlänge von 10 bis 50 Mikrometer und einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 0,05 bis 0,3 Mikrometer. Außerdem zeigen die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der ersten wasserabstoßenden Schicht 34 enthalten sind, d. h. die kürzeren Kohlenstofffasern, deren Faserlängen relativ kürzer sind als diejenigen der längeren Kohlenstofffasern, eine durchschnittliche Faserlänge von 3 bis 9 Mikrometer und einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 0,05 bis 0,3 Mikrometer. Man beachte, dass die längeren Kohlenstofffasern (oder die ersten elektrisch leitfähigen Fasern) vorzugsweise eine erste durchschnittliche Faserlänge zeigen können, die um einen Faktor 1,2 bis 4, stärker bevorzugt 1,4 bis 3, noch stärker bevorzugt 1,6 bis 2,2 länger ist als eine zweite durchschnittliche Faserlänge der kürzeren Kohlenstofffasern (oder der zweiten elektrisch leitfähigen Substanz).
  • Wie oben beschrieben, zeigen die längeren Kohlenstofffasern, die in der ersten katalytischen Schicht 31 enthalten sind, die in Dickenrichtung der MEA 1 näher an der Membran 2 angeordnet ist als die wasserabstoßende Schicht 34, eine durchschnittliche Faserlänge, die länger ist als diejenige der kürzeren Kohlenstofffasern, die in der wasserabstoßenden Schicht 34 enthalten sind, die in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet ist als die erste katalytische Schicht 31. Man beachte hier, dass Kohlenstofffasern, deren durchschnittliche Faserlänge länger ist, mit größerer Wahrscheinlichkeit dazu tendieren, Leerstellen oder Poren in der Kathodenelektrodenschicht 3 zu bilden. Somit können die längeren Kohlenstofffasern die Wasseraustragungsfähigkeit der Kathodenelektrodenschicht 3 stärker verbessern. Infolgedessen kann die MEA 1 auch dann, wenn die Stromerzeugungsreaktion Wasser erzeugt, das an der Grenzfläche zwischen der ersten katalytischen Schicht 31 und der Membran 2 erscheint, das resultierende Wasser auf angemessene Weise austragen, so dass sie das Fluten verhindert und eine weiterentwickelte Stromerzeugungsleistung zeigt.
  • Darüber hinaus weist, wie in 1 dargestellt, die Anodenelektrodenschicht 5 eine zweite katalytische Schicht 51 und eine zweite wasserabstoßende Schicht 54 auf. Die zweite katalytische Schicht 51 is so angeordnet, dass sie auf die andere der einander dickenweise gegenüber liegenden Oberflächen der Membran 2 gerichtet ist und weist beispielsweise eine Dicke von 20 bis 40 Mikrometer auf. Die zweite wasserabstoßende Schicht 54 ist in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet als die katalytische Schicht 51, d. h. die zweite wasserabstoßende Schicht 54 ist mit Bezug auf die Membran 2 auf einer weiter außen liegenden Seite angeordnet als die zweite katalytische Schicht 51. Die zweite wasserabstoßende Schicht 54 weist beispielsweise eine Dicke von 50 bis 70 Mikrometer auf. Man beachte jedoch, dass zwar die zweite katalytische Schicht 51 die folgenden Hauptbestandteile enthält: einen Katalysator, wie Platin, eine ionenleitfähige Substanz, wie eine protonenleitfähige Substanz, und eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz, wie Ruß, beispielsweise Acetylenruß, sie aktiv aber gar keine Kohlenstofffasern enthält. Der Hauptgrund dafür ist, dass in der katalytischen Schicht 5 der Anode die Wasseraustragungsfähigkeit weniger bedroht ist als in der Kathodenelektrodenschicht 3. Dagegen ist die zweite wasserabstoßende Schicht 54 eine Schicht, die hauptsächlich darauf abzielt, Wasserabstoßung zu zeigen, um die Austragung von Wasser aus der MEA 1 zu erleichtern. Daher enthält zwar die zweite wasserabstoßende Schicht 54 kürzere Kohlenstofffasern, ein Wasserabstoßungsmittel, wie ein Fluorkohlenstoff-Harz, und eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz, wie Ruß, aber sie enthält aktiv gar keinen Katalysator. Jedoch könnte, abhängig von Produktionsverfahren oder Serviceformen, die zweite wasserabstoßende Schicht 54 einen bestimmten Katalysator in Spurenmengen aufweisen.
  • Die zweite katalytische Schicht 51 wird durch Compoundieren von mit Katalysator beladenem Kohlenstoff mit der teilchenförmigen elektrisch leitfähigen Hilfssubstanz hergestellt. Darüber hinaus wird der mit Katalysator beladene Kohlenstoff durch Laden der Teilchen aus Platin (oder einem Katalysator) auf die Oberfläche von Ruß, wie Acetylenruß (oder einem teilchenförmigen elektrisch leitfähigen Hilfsmaterial) erzeugt. Außerdem zeigen die kürzeren Kohlenstofffasern, die in der wasserabstoßenden Schicht 54 der zweiten Anodenelektrodenschicht 5 enthalten sind, eine durchschnittliche Faserlänge von 3 bis 9 Mikrometer.
  • Nun wird bei der Erzeugung von Strom bzw. elektrischer Leistung ein Kathodengas, wie Luft, zur Kathodenelektrodenschicht 3 geliefert. Auf der anderen Seite wird ein Anodengas, wie ein Wasserstoffgas, zur Anodenelektrodenschicht 5 geliefert. Somit kommt es zur Stromerzeugungsreaktion, und dadurch wird elektrische Energie aus der MEA 1 genommen. Während die Stromerzeugungsreaktion fortschreitet, wird Wasser an der Kathodenelektrodenschicht 3 erzeugt.
  • Die MEA 1 gemäß der Ausführungsform Nr. 1 der vorliegenden Erfindung weist die Kathodenelektrodenschicht 3 auf. Dann weist die Kathodenelektrodenschicht 3 die erste katalytische Schicht 31 und die erste wasserabstoßende Schicht 34 auf. Die erste katalytische Schicht 31 ist in Dickenrichtung der MEA 1 näher an der Membran 2 angeordnet als die erste wasserabstoßende Schicht 34 und enthält die längeren Kohlenstoff fasern. Die erste wasserabstoßende Schicht 34 ist in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet als die erste katalytische Schicht 31 und enthält die kürzeren Kohlenstofffasern. Darüber hinaus zeigen die längeren Kohlenstofffasern eine durchschnittliche Faserlänge, die länger ist als dies bei den kürzeren Kohlenstofffasern der Fall ist. Wie oben beschrieben, ist es wahrscheinlicher, dass Kohlenstofffasern, deren durchschnittliche Faserlänge länger ist, Leerstellen oder Poren in der Kathodenelektrodenschicht 3 vergrößern als dies bei Kohlenstofffasern der Fall ist, deren durchschnittliche Faserlänge kürzer ist. Infolgedessen können die längeren Kohlenstofffasern die Wasseraustragungsfähigkeit der ersten katalytischen Schicht 31 in der Kathodenelektrodenschicht 3 verbessern. Daher kann auch dann, wenn Wasser an der der Grenzfläche zwischen der Membran 2 und der ersten katalytischen Schicht 31 vorhanden ist, dieses Wasser auf angemessene Weise ausgetragen werden. Alles in allem macht es die MEA 1 gemäß der Ausführungsform Nr. 1 möglich, ein Flutungsereignis zu verhindern, und ermöglicht es Brennstoffzellen, eine verbesserte Stromerzeugungsleistung zu zeigen.
  • Darüber hinaus nimmt mit fortschreitender Stromerzeugungsreaktion die Wahrscheinlichkeit, dass Wasser entsteht, auf der Seite der Kathodenelektrodenschicht 3 stärker zu als auf der Seite der Anodenelektrodenschicht 5. Angesichts dieser Tatsache weist die MEA 1 gemäß der Ausführungsform Nr. 1 der vorliegenden Erfindung die erste katalytische Schicht 31, die Bestandteil der Kathodenelektrodenschicht 3 ist und die aktiv die längeren Kohlenstofffasern enthält, und die zweite katalytische Schicht 51, die Bestandteil der Anodenelektrodenschicht 5 ist, die aber aktiv gar keine Kohlenstofffasern enthält, auf. Anders ausgedrückt, die erste katalytische Schicht 31, die Bestandteil der Kathodenelektrodenschicht 3 ist, enthält die längeren Kohlenstofffasern in einem höheren Gehalt pro Flächeneinheit als die zweite katalytische Schicht 51, die Bestandteil der Anodenelektrodenschicht 5 ist. Somit kann die MEA 1 gemäß dem Beispiel Nr. 1 die gute Wasseraustragungsfähigkeit auf der Seite der Kathodenelektrodenschicht 3, auf der es eher zu einer Flutung kommen könnte, zuverlässig zeigen.
  • Darüber hinaus kann die MEA 1 gemäß der Ausführungsform Nr. 1 der vorliegenden Erfindung wirksamer dazu beitragen, dass eine Rissbildung in der Kathodenelektrodenschicht 3 verhindert wird, weil sie die erste katalytische Schicht 31 aufweist, welche die längeren Kohlenstofffasern aktiv enthält.
  • (Ausführungsform Nr. 2)
  • Nachstehend wird die Ausführungsform Nr. 2 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 2 beschrieben. Grundsätzlich wist die Ausführungsform Nr. 2 die gleichen Bestandteile auf wie die Ausführungsform Nr. 1 und funktioniert auf die gleiche Weise unter Schaffung der gleichen Vorteile wie Ausführungsform Nr. 1. Gemäß der Ausführungsform Nr. 2 wird zuerst Folgendes hergestellt: längere Kohlenstofffasern, deren durchschnittliche Faserlänge relativ länger ist; und kürzere Kohlenstofffasern, deren durchschnittliche Faserlänge relativ kürzer ist als die die längeren Kohlenstofffasern. Man beachte hierin, dass die längeren Kohlenstofffasern beispielsweise eine durchschnittliche Faserlänge von 10 bis 50 Mikrometer und einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 0,05 bis 0,3 Mikrometer aufweisen. Überdies weisen die kürzeren Kohlenstofffasern beispielsweise eine durchschnittliche Faserlänge von 3 bis 9 Mikrometer und einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 0,05 bis 0,3 Mikrometer auf.
  • Zweitens wird, wie in 2 dargestellt, eine erste wasserabstoßende Schicht 34 auf eine der einander entgegengesetzten Oberflächen der Kathodengas-Diffusionsschicht 4 gegenüber der Oberfläche, die auf die Membran 2 gerichtet ist, laminiert. Man beachte, dass die erste wasserabstoßende Schicht 34 die oben beschriebenen kürzeren Kohlenstofffasern, ein Wasserabstoßungsmittel und teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz enthält, aber aktiv gar keinen Katalysator und gar keine ionenleitfähige Substanz enthält. Dann wird, wie in 2 dargestellt, eine kathodenseitige erste äußere katalytische Schicht 311 auf die resultierende erste wasserabstoßende Schicht 34 laminiert. Man beachte, dass die kathodenseitige erste äußere katalytische Schicht 311 die oben beschriebenen längeren Kohlenstofffasern, Wasserabstoßungsmittel, eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz, eine ionenleitfähige Substanz und Kataly sator enthält. Überdies umfasst die teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz beispielsweise Ruß, und der Katalysator umfasst beispielsweise Platin. Infolgedessen wird ein kathodenseitiges erstes äußeres Zwischenprodukt 7 gebildet, wie in 7 dargestellt.
  • Drittens wird, wie in 2 dargestellt, eine zweite wasserabstoßende Schicht 54 auf die gleiche Weise wie die erste wasserabstoßende Schicht 34 auf eine der einander entgegengesetzten Oberflächen der Anodengas-Diffusionsschicht 6 gegenüber der Oberfläche, welche auf die Membran 2 gerichtet ist, laminiert. Man beachte, dass die zweite wasserabstoßende Schicht 54 die oben beschriebenen kürzeren Kohlenstofffasern, Wasserabstoßungsmittel, teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz und ionenleitfähige Substanz enthält. Dann wird, wie in 2 dargestellt, die anodenseitige zweite äußere katalytische Schicht 511 auf die gleiche Weise wie die erste äußere katalytische Schicht 311 auf die resultierende wasserabstoßende Schicht 54 laminiert. Man beachte, dass die zweite äußere katalytische Schicht 511 die oben beschriebene ionenleitfähige Substanz, teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz und einen Katalysator aufweist, aber gar keine längeren Kohlenstofffasern und gar kein Wasserabstoßungsmittel enthält. Infolgedessen wird ein anodenseitiges zweites äußeres Zwischenprodukt 8 gebildet, wie in 2 dargestellt.
  • Viertens wird, wie in 2 dargestellt, eine erste innere katalytische Schicht 312 auf eine Oberfläche (oder kathodenseitige gegenüber liegende Oberfläche) 2a von den einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2, die Ionenleitfähigkeit zeigt, laminiert, die Oberfläche 2a, die auf die Kathodengas-Diffusionsschicht 4, genauer auf die erste äußere katalytische Schicht 311 des kathodenseitigen ersten Zwischenprodukts 7, gerichtet ist. Man beachte, dass die erste innere katalytische Schicht 312 die oben beschriebenen längeren Kohlenstofffasern, eine ionenleitfähige Substanz, eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz und einen Katalysator enthält. Überdies umfasst die teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz beispielsweise Ruß, und der Katalysator umfasst beispielsweise Platin. Ebenso wird, wie in 2 dargestellt, eine zweite innere katalytische Schicht 512 auf eine Oberfläche (oder anodenseitige gegen über liegende Oberfläche) 2c von den einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2, die Ionenleitfähigkeit aufweist, laminiert, die Oberfläche 2c, die auf die Anodengas-Diffusionsschicht 6 gerichtet ist, genauer gesagt auf die zweite äußere katalytische Schicht 511 des anodenseitigen zweiten äußeren Zwischenprodukts 8. Man beachte, dass die zweite innere katalytische Schicht 512 die oben beschriebene ionenleitfähige Substanz enthält, die teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz enthält, aber aktiv gar keine längeren Kohlenstofffasern. Überdies umfasst die teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz beispielsweise Ruß und der Katalysator umfasst beispielsweise Platin. Somit wird ein membranseitiges Zwischenprodukt gebildet wie in 2 dargestellt.
  • Fünftens werden das kathodenseitige erste äußere Zwischenprodukt 7 und das anodenseitige zweite äußere Zwischenprodukt 8 so übereinandergelegt, dass das membranseitige Zwischenprodukt 9 dazwischen gehalten wird, und werden dann anhand eines Pressmittels, wie einer Warmpresse, aneinander gefügt. Somit werden die kathodenseitige erste äußere katalytische Schicht 311 und die kathodenseitige innere katalytische Schicht 312 einander zugewandt aufeinander laminiert. Ähnlich wie das kathodenseitige erste äußere Zwischenprodukt 7 und das anodenseitige zweite äußere Zwischenprodukt 8 werden das anodenseitige zweite äußere Zwischenprodukt 8 und das membranseitige Zwischenprodukt 9 aneinandergefügt, und dadurch werden die anodenseitige zweite äußere katalytische Schicht 511 und die anodenseitige innere katalytische Schicht 512 einander zugewandt aufeinander laminiert. Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wird eine MEA 1 hergestellt.
  • Im Allgemeinen kann man sagen, dass es für eine Verbesserung der Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle bevorzugt ist, die katalytischen Schichten, welche den Katalysator enthalten, der zur Stromerzeugungsreaktion beiträgt, in größerer Dicke in der Kathodenelektrodenschicht 3 und der Anodenelektrodenschicht 5 aufzutragen. Jedoch stößt die dickere Auftragung der katalytischen Schicht sicher an Grenzen. Um diese Beschränkung zu überwinden, wird im Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform Nr. 2 der vorliegenden Erfindung die erste katalytische Schicht 31 in der Kathodenelektrodenschicht 3 verwendet. Genauer umfasst die erste katalytische Schicht 31 die erste äußere katalytische Schicht 311 des kathodenseitigen ersten äußeren Zwischenprodukts 7 und die erste innere katalytische Schicht 312 des membranseitigen Zwischenprodukts 9. Überdies wird die erste katalytische Schicht 31 durch Aneinanderlaminieren der ersten äußeren katalytische Schicht 311 und der ersten inneren katalytische Schicht 312 gebildet. Somit kann die resultierende erste katalytische Schicht 31 zuverlässig eine angemessene Dicke in der Kathodenelektrodenschicht 3 aufweisen und ist daher von Vorteil bei der Verbesserung der Stromerzeugungsleistung der MEA 1. Damit der Katalysator effizient zur Stromerzeugungsreaktion beiträgt, kann der Katalysator ferner vorzugsweise so viel wie möglich auf den Seiten der Membran 2 vorhanden sein, die Ionenleitfähigkeit zeigt. Unter diesem Gesichtspunkt verwendet das Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform Nr. 2 der vorliegenden Erfindung die erste innere katalytische Schicht 312, die mehr Katalysator enthält und die näher an der Membran 2 angeordnet ist, in der Kathodenelektrodenschicht 3. Infolgedessen ist es möglich, dass die erste innere katalytische Schicht 312 wirksamer zur Stromerzeugungsreaktion beiträgt. Auch wenn der Katalysator, der in der ersten inneren katalytischen Schicht 312 der Kathodenelektrodenschicht 3 enthalten ist, schlechter geworden ist, weil er über einen langen Zeitraum verwendet wurde, kann ferner der Katalysator, der in der ersten äußeren katalytischen Schicht 311 der Kathodenelektrodenschicht 3 enthalten ist, dazu gebracht werden, statt seiner zur Stromerzeugungsreaktion beizutragen.
  • Darüber hinaus wird im Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform Nr. 2 der vorliegenden Erfindung die zweite katalytische Schicht 51 in der Anodenelektrodenschicht 5 verwendet. Die zweite katalytische Schicht 51 weist ebenso die zweite äußere katalytische Schicht 511 des anodenseitigen zweiten äußeren Zwischenprodukts 8 und die zweite innere katalytische Schicht 512 des membranseitigen Zwischenprodukts 9 auf. Außerdem wird die zweite katalytische Schicht 51 durch Aneinanderlaminieren der zweiten äußeren katalytischen Schicht 511 und der zweiten inneren katalytischen Schicht 512 gebildet. Somit kann die resultierende zweite katalytische Schicht 51 zuverlässig eine angemessene Dicke in der Anodenelektrodenschicht 5 aufweisen. Darüber hinaus ist die zweite innere katalytische Schicht 512 näher an der Membran 2 in der Anodenelektrodenschicht 5 angeordnet. Infolgedessen kann die zweite innere katalytische Schicht 512 wirksam zur Stromerzeugungsreaktion beitragen. Ferner ist es auch dann, wenn der Katalysator, der in der zweiten innere katalytischen Schicht 512 der Anodenelektrodenschicht 5 enthalten ist, schlechter geworden ist, weil er über einen langen Zeitraum verwendet wurde, möglich, den Katalysator, der in der zweiten äußeren katalytischen Schicht 511 der Anodenelektrodenschicht 5 enthalten ist, dazu zu bringen, statt seiner zur Stromerzeugungsreaktion beizutragen.
  • (Ausführungsform Nr. 3)
  • Nachstehend wird die Ausführungsform Nr. 3 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 3 beschrieben. Grundsätzlich weist die Ausführungsform Nr. 3 die gleichen Bestandteile auf wie die Ausführungsform Nr. 2 und funktioniert auf die gleiche Weise unter Schaffung der gleichen Vorteile wie Ausführungsform Nr. 2. Die Ausführungsform Nr. 3 wird nachstehend mit Schwerpunkt auf den Bestandteilen der Ausführungsform Nr. 3, die sich von denen der Ausführungsform Nr. 2 unterscheiden, beschrieben. Auch in der Ausführungsform Nr. 3 weist die erste katalytische Schicht 31 in der Kathodenelektrodenschicht 3 die erste innere katalytische Schicht 312 und die erste äußere katalytische Schicht 311 auf. Die erste innere katalytische Schicht 312 ist in Dickenrichtung der MEA 1 näher an der Membran 2 angeordnet. Die erste äußere katalytische Schicht 311 ist in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet als die erste innere katalytische Schicht 312. Überdies wird die erste katalytische Schicht 31 durch Aneinanderlaminieren der ersten äußeren katalytischen Schicht 311 und der ersten inneren katalytischen Schicht 312 gebildet. Außerdem ist, wie in 3 dargestellt, die erste äußere katalytische Schicht 311, die in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet ist als die erste innere katalytische Schicht 312, frei von den längeren Kohlenstofffasern. Auf der anderen Seite enthält die erste innere katalytische Schicht 312, die in Dickenrichtung der MEA 1 näher an der Membran angeordnet ist als die erste äußere katalytische Schicht 311, die längeren Kohlenstofffasern.
  • Darüber hinaus weist die Kathodenelektrodenschicht 3 ferner ebenso die erste wasserabstoßende Schicht 34 auf. Die erste wasserabstoßende Schicht 34 ist in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet als die erste innere katalytische Schicht 312 und die erste äußere katalytische Schicht 311. Außerdem enthält die erste wasserabstoßende Schicht 34 die kürzeren Kohlenstofffasern. Darüber hinaus zeigen die längeren Kohlenstofffasern, die in der ersten inneren katalytische Schicht 312 enthalten sind, die in Dickenrichtung der MEA 1 am nächsten bei der Membran 2 angeordnet ist, eine durchschnittliche Faserlänge, die länger ist als die der kürzeren Kohlenstofffasern, die in der ersten wasserabstoßenden Schicht 34 enthalten sind, die in Dickenrichtung der MEA 1 am weitesten weg von der Membran 2 angeordnet ist. Infolgedessen zeigt die Kathodenelektrodenschicht 3 eine verbesserte Wasseraustragungsfähigkeit an der ersten katalytischen Schicht 312 in der ersten katalytischen Schicht 31. Auch wenn die Stromerzeugungsreaktion Wasser erzeugt, das an der Grenzfläche zwischen der Kathodenelektrodenschicht 3 und der Membran 2 entsteht, macht es die Kathodenelektrodenschicht 3 somit möglich, dass die MEA 1 dieses Wasser auf angemessene Weise austrägt, und kann dadurch verhindern, dass eine Flutung stattfindet. Somit kann die MEA 1 gemäß der Ausführungsform Nr. 3 der vorliegenden Erfindung Brennstoffzellen herstellen, die eine verbesserte Stromerzeugungsleistung zeigen.
  • (Ausführungsform Nr. 4)
  • Nachstehend wird die Ausführungsform Nr. 4 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 4 beschrieben. Grundsätzlich weist die Ausführungsform Nr. 4 die gleichen Bestandteile auf wie die Ausführungsform Nr. 2 und funktioniert auf die gleiche Weise unter Schaffung der gleichen Vorteile wie Ausführungsform Nr. 2. Die Ausführungsform Nr. 4 wird nachstehend mit Schwerpunkt auf den Bestandteilen der Ausführungsform Nr. 4, die sich von denen der Ausführungsform Nr. 2 unterscheiden, beschrieben. Auch in der Ausführungsform Nr. 4 umfasst die katalytische Schicht 31 in der Kathodenelektrodenschicht 3 die erste innere katalytische Schicht 312 und die erste äußere katalytische Schicht 311. Die erste innere katalytische Schicht 312 ist in Dickenrichtung der MEA 1 näher an der Membran 2 angeordnet. Die erste äußere katalytische Schicht 311 ist in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet als die erste innere katalytische Schicht 312. Überdies wird die erste katalytische Schicht 31 durch Aneinanderlaminieren der ersten äußeren katalytischen Schicht 311 und der ersten inneren katalytischen Schicht 312 gebildet. Man beachte hier, dass, wie in 4 dargestellt, die erste äußere katalytische Schicht 311 die längeren Kohlenstofffasern enthält, obwohl die erste innere katalytische Schicht 312 aktiv gar keine längeren Kohlenstofffasern aufweist. Außerdem weist die Kathodenelektrodenschicht 3 ferner ebenso die wasserabstoßende Schicht 34 auf. Darüber hinaus enthält die erste wasserabstoßende Schicht 34 die kürzeren Kohlenstofffasern, deren durchschnittliche Faserlänge kürzer ist als die der längeren Kohlenstofffasern, die in der ersten äußeren katalytischen Schicht 311 enthalten sind. Auch wenn Wasser, das bei der Stromerzeugungsreaktion erzeugt wird, an der Grenzfläche zwischen der Kathodenelektrodenschicht 3 und der Membran 2 vorhanden ist, zeigt daher die Kathodenelektrodenschicht 3 eine zufriedenstellende Fähigkeit, das resultierende Wasser auszutragen, und kann dadurch eine Flutung durch das resultierende Wasser verhindern. Somit ermöglicht die Ausführungsform Nr. 4 gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellung von Brennstoffzellen mit verbesserter Stromerzeugungsleistung.
  • (Ausführungsform Nr. 5)
  • Nachstehend wird die Ausführungsform Nr. 5 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 5 beschrieben. Grundsätzlich weist die Ausführungsform Nr. 5 die gleichen Bestandteile auf wie die Ausführungsform Nr. 2 und funktioniert auf die gleiche Weise unter Schaffung der gleichen Vorteile wie Ausführungsform Nr. 2. Die Ausführungsform Nr. 5 wird nachstehend mit Schwerpunkt auf den Bestandteilen der Ausführungsform Nr. 5, die sich von denen der Ausführungsform Nr. 2 unterscheiden, beschrieben. Im Ausführungsmodus Nr. 5 weist nicht nur die erste katalytische Schicht 31 in der Kathodenelektrodenschicht 3 die erste innere katalytische Schicht 312 auf, welche die längeren Kohlenstofffasern enthält, sondern auch die zweite katalytische Schicht 51 in der Anodenelektrodenschicht 5 weist die zweite katalytische Schicht 512 auf, welche die längeren Kohlenstofffasern enthält. Darüber hinaus weist die katalytische Schicht 5 der Anode die zweite wasserabstoßende Schicht 54 auf, die in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet ist als die zweite innere katalytische Schicht 512. Außerdem enthält die zweite wasserabstoßende Schicht 54 die kürzeren Kohlenstofffasern. Darüber hinaus enthält die zweite innere katalytische Schicht 512, die in Dickenrichtung der MEA 1 näher an der Membran 2 angeordnet ist als die zweite wasserabstoßende Schicht 54, die längeren Kohlenstofffasern, deren durchschnittliche Faserlänge länger ist als diejenige der kürzen Kohlenstofffasern, die in der zweiten wasserabstoßende Schicht 54 enthalten sind, die in Dickenrichtung der MEA 1 weiter weg von der Membran 2 angeordnet ist. Auch wenn Wasser, das bei der Stromerzeugungsreaktion entsteht, an der Grenzfläche zwischen der Anodenelektrodenschicht 5 und der Membran 2 vorhanden ist, ist die Anodenelektrodenschicht 5 im Hinblick auf die Fähigkeit zur Austragung des resultierenden Wassers sehr zufriedenstellend, so dass es möglich ist, eine Flutung durch das resultierende Wasser zu verhindern. Somit macht es die MEA 1 gemäß der Ausführungsform Nr. 5 der vorliegenden Erfindung möglich, dass Brennstoffzellen eine verbesserte Stromerzeugungsleistung zeigen.
  • Man beachte jedoch, dass die kathodenseitige erste katalytische Schicht 31 die längeren Kohlenstofffasern in einem größeren Gehalt pro Flächeneinheit enthält als die anodenseitige zweite katalytische Schicht 51. Diese bevorzugte Modifikation ergibt sich aus der Tatsache, dass die Stromerzeugungsreaktion Wasser auf der Seite der Kathodenelektrodenschicht 3 mit größerer Wahrscheinlichkeit als auf der Seite der Anodenelektrodenschicht 5 erzeugt.
  • (Beispiel Nr. 1)
  • Eine MEA gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung wurde auf Basis der Ausführungsform Nr. 2 hergestellt wie oben beschrieben und in 2 dargestellt.
  • (1) Bildung einer ersten wasserabstoßenden Schicht 34 und einer zweiten wasserabstoßenden Schicht 54
  • Folgendes wurde hergestellt: 75 g Acetylenruß; 25 g Fluorkohlenstoff-Harzdispersion und 7,5 g kürzer Kohlenstofffasern mit relativ kürzeren Faserlängen. Der Acetylenruß war ein Erzeugnis von DENKI KAGAKU Co., Ltd.. Die Fluorkohlenstoff-Harzdispersion war „D-1", Hersteller DAIKIN KOGYO Co., Ltd., und schloss Polytetrafluorethylen (oder PTFE) als Wasserabstoßungsmittel in einem Gehalt von 60 Massen% ein. Die kürzeren Kohlenstofffasern waren „VGCF-H", Hersteller SHOWA DENKO Co., Ltd., und wiesen eine Faserlänge von 5 bis 9 Mikrometer und einen Faserdurchmesser von 0,15 Mikrometer auf. Der Acetylenruß, die Fluorkohlenstoff-Harzdispersion und die kürzeren Kohlenstofffasern wurden in Wasser dispergiert, und dadurch wurde eine Kohlenstoffpaste gebildet. Die resultierende Kohlenstoffpaste wurde anhand eines Rakelverfahrens in einer Auftragungsmenge von 5 Milligramm/cm2 auf eine der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen eines Kohlepapiers aufgetragen. Man beachte, dass das Kohlepapier die Kathodengas-Diffusionsschicht 4 darstellte. Darüber hinaus handelte es sich bei dem Kohlepapier um „TGP-H-602", Hersteller TORAY Co., Ltd., das eine Dicke von 200 Mikrometer aufwies. Dann wurde die resultierende Kathodengas-Diffusionsschicht 4 auf natürliche Weise getrocknet und weiter 1 Stunde lang bei etwa 380°C calciniert. So wurde die kathodenseitige erste wasserabstoßende Schicht 34 ausgebildet.
  • Auf ähnliche Weise wurde die Kohlenstoffpaste in einer Auftragungsmenge von 5 Milligramm/cm2 anhand eines Rakelverfahrens auf eine der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen eines anderen Kohlepapiers aufgetragen. Man beachte, dass das andere Kohlepapier die Anodengas-Diffusionsschicht 6 darstellte. Darüber hinaus handelte es sich bei dem anderen Kohlepapier auch um „TGP-H-602", Hersteller TORAY Co., Ltd., das eine Dicke von 200 Mikrometer aufwies. Dann wurde die resultierende Kathodengas-Diffusionsschicht 6 auf natürliche Weise getrocknet und weiter 1 Stunde lang bei etwa 380°C calciniert. So wurde die anodenseitige zweite wasserabstoßende Schicht 54 ausgebildet.
  • Obwohl die kathodenseitige erste wasserabstoßende Schicht 34 die kürzeren Kohlenstofffasern, die elektrische Leitfähigkeit zeigen, und den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz) enthielt, enthielt sie aktiv gar keine ionenleitfähige Substanz und gar keinen Katalysator.
  • Ebenso wie die kathodenseitige wasserabstoßende Schicht 34 enthielt die anodenseitige wasserabstoßende Schicht 54 zwar die kürzeren Kohlenstofffasern, die elektrische Leitfähigkeit zeigen, und den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz), aber sie enthielt aktiv gar keine ionenleitfähige Substanz und gar keinen Katalysator.
  • Man beachte hierin, dass in der oben beschriebenen Kohlenstoffpaste die Zugabemenge der kürzeren Kohlenstofffasern mit Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 15 Massenanteilen liegen kann. Entsprechend der Zugabemenge der kürzere Kohlenstofffasern liegt die Summe der Mengen der kürzeren Kohlenstofffasern und des Acetylenrußes in einem Bereich von 105 bis 115 Massenanteilen, wenn der gesamte Acetylenruß relativ als 100 Massenanteile ausgedrückt wird. Abhängig von den Umständen könnten die kathodenseitige erste wasserabstoßende Schicht 34 und die anodenseitige zweite wasserabstoßende Schicht 54 eine ungenügende elektrische Leitfähigkeit und Gasdurchlässigkeit zeigen, wenn die Zugabemenge der kürzeren Kohlenstofffasern unter 5 Massenanteilen liegt. Außerdem könnten abhängig von den Umständen die kathodenseitige wasserabstoßende Schicht 34 und die anodenseitige wasserabstoßende Schicht 54 eine schlechtere Filmbildungsfähigkeit zeigen, wenn die Zugabemenge der kürzeren Kohlenstofffasern 15 Massenanteile überschreitet. Im Allgemeinen zeigen die kathodenseitige wasserabstoßende Schicht 34 und die anodenseitige wasserabstoßende Schicht 54 eine umso größere elektrische Leitfähigkeit und Gasdurchlässigkeit, je mehr die kürzeren Fasern compoundiert werden. Jedoch zeigen die kathodenseitige wasserabstoßende Schicht 34 und die anodenseitige wasserabstoßende Schicht 54 eine Tendenz zu einer konstanten Gasdurchlässigkeit, wenn die kürzeren Kohlenstofffasern in einer Menge von 10 bis 15 Massenanteilen in Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, compoundiert werden. Beispielsweise können die kathodenseitige erste wasserabstoßende Schicht 34 und die anodenseitige zweite wasserabstoßende Schicht 54 vorzugsweise die kürzeren Kohlenstofffasern in einer Menge von 5 bis 15 Massenanteilen in Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, aufweisen.
  • (2) Bildung einer kathodenseitigen ersten äußeren katalytischen Schicht 311
  • Folgendes wurde hergestellt: 30 g mit Platin beladener Kohlenstoff; 300 g elektrolytische Harzlösung und 1,5 g längere Kohlenstofffasern mit relativ längeren Faserlängen. Der mit Platin beladene Kohlenstoff umfasste Kohlenstoffteilchen und Platin, der auf die Oberfläche der Kohlenstoffteilchen geladen war, und dabei handelte es sich um „TEC10E50", Hersteller TANAKA KIKINZOKU Co., Ltd. Die elektrolytische Harzlösung wies einen Feststoffgehalt von 5 Massen% auf, und dabei handelte es sich um „SS1100", Hersteller ASAHI KASEI Co., Ltd. Die längeren Kohlenstofffasern waren „VGCF", Hersteller SHOWA DENKO Co., Ltd., und wiesen eine Faserlänge von 10 bis 20 Mikrometer und einen Faserdurchmesser von 0,15 Mikrometer auf. Der mit Platin beladene Kohlenstoff, die elektrolytische Harzlösung und die kürzeren Fasern wurden in einer Lösungsmischung aus Wasser und Isopropylalkohol dispergiert. Somit wurde eine katalytische Paste zur Ausbildung einer Kathodenelektrodenschicht (oder eine katalytische Paste, die längere Kohlenstofffasern enthielt) hergestellt. Man beachte, dass die elektrolytische Harzlösung eine ionen-(d. h. protonen-)leitfähige Substanz, die Ionen-(d. h. Protonen-)Leitfähigkeit zeigte, umfasste. Dann wurde die katalytische Paste auf die kathodenseitige erste wasserabstoßende Schicht 34 aufgetragen, die wie unter – (1) Bildung einer ersten wasserabstoßenden Schicht 34 und einer zweiten wasserabstoßenden Schicht 54 – ausgeführt hergestellt worden war, d. h. wie weiter oben im Einzelnen beschrieben, wodurch eine kathodenseitige erste äußere katalytische Schicht 311 ausgebildet wurde. Infolgedessen wurde das kathodenseitige erste äußere Zwischenprodukt 7 fertig gestellt. Wie in 2 dargestellt, wurde das kathodenseitige erste äußere Zwischenprodukt 7 durch Laminieren der kathodenseitigen ersten wasser abstoßenden Schicht 34 und der kathodenseitigen ersten katalytischen Schicht 311 in dieser Reihenfolge an die Oberfläche der Kathodengas-Diffusionsschicht 4 ausgebildet.
  • Wie oben beschrieben, wies die kathodenseitige erste katalytische Schicht 311 die längeren Kohlenstofffasern, die elektrische Leitfähigkeit zeigen, den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz), Platin (d. h. einen Katalysator) und Wasser (d. h. eine ionen- d. h. protonenleitfähige Substanz) auf.
  • (3) Bildung einer anodenseitigen zweiten äußeren katalytische Schicht 511
  • Eine katalytische Paste zur Ausbildung einer Anodenelektrodenschicht wurde hergestellt. Man beachte, dass die resultierende katalytische Paste eine Zusammensetzung aufwies, die in etwa der der katalytischen Paste zur Ausbildung von Kathodenelektroden entsprach wie unter – (2) Bildung einer kathodenseitigen ersten äußeren katalytische Schicht 311 – ausgeführt, d. h. wie im Einzelnen weiter oben beschrieben. Jedoch war die resultierende katalytische Paste frei von längeren Kohlenstofffasern. Dann wurde die so hergestellte katalytische Paste für die Ausbildung einer Anodenelektrodenschicht (oder eine katalytische Paste, die frei von jeglichen Kohlenstofffasern war) anhand eines Rakelverfahrens in einer Auftragungsmenge von 2 Milligramm/cm2 auf die anodenseitige wasserabstoßende Schicht 54 aufgetragen, die wie unter – (1) Bildung einer ersten wasserabstoßenden Schicht 34 und einer zweiten wasserabstoßenden Schicht 54 – ausgeführt gebildet worden war, d. h. wie im Einzelnen weiter oben beschrieben. Infolgedessen wurde das anodenseitige zweite äußere Zwischenprodukt 8 fertig gestellt. Wie in 2 dargestellt, wurde das anodenseitige zweite äußere Zwischenprodukt 8 mit der anodenseitigen zweiten wasserabstoßenden Schicht 54 und der anodenseitigen zweiten äußeren katalytische Schicht 511 versehen, die in dieser Reihenfolge an die Oberfläche der Anodengas-Diffusionsschicht 6 laminiert wurden. Man beachte, dass die anodenseitige zweite äußere katalytische Schicht 511 Platin (oder einen Katalysator) in einer Beladungsmenge von 0,2 Milligramm/cm2 aufwies. Obwohl die anodenseitige zweite äußere katalytische Schicht 511 den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elekt risch leitfähige Hilfssubstanz, d. h. Protonen) aufwies, wies sie aktiv gar keine längeren Kohlenstofffasern, die elektrische Leitfähigkeit zeigen, auf.
  • (4) Bildung einer kathodenseitigen ersten inneren katalytischen Schicht 312
  • Der gleiche mit Platin beladene Kohlenstoff und längere Kohlenstofffasern, die unter – (2) Bildung einer kathodenseitigen ersten äußeren katalytische Schicht 311 – ausgeführt sind, d. h. die wie im Einzelnen weiter oben beschrieben hergestellt wurden, wurden hergestellt, um eine katalytische Paste für eine Kathodenelektrodenschicht herzustellen. Die resultierende katalytische Paste wurde anhand des Decal-Verfahrens (d. h. eines Übertragungsverfahrens) auf eine der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2, d. h. auf deren Oberfläche 2a aufgetragen, und dadurch wurde die kathodenseitige erste innere katalytische Schicht 312 an die Oberfläche 2a der Membran 2 laminiert. Man beachte, dass die kathodenseitige erste innere katalytische Schicht 312 Platin (oder einen Katalysator) in einer Beladungsmenge von 0,3 Milligramm/cm2 aufwies. Darüber hinaus kann die kathodenseitige erste innere katalytische Schicht 312 vorzugsweise die längeren Kohlenstofffasern in einer Zugabemenge von 5 bis 15 Massenanteilen, bezogen auf den mit Platin beladenen Kohlenstoff, der als 100 Massenanteile genommen wird, aufweisen. In diesem Fall liegt die Summe der Mengen der längeren Kohlenstofffasern und des mit Platin beladenen Kohlenstoffs in einem Bereich von 105 bis 115 Massenanteilen, wenn der gesamte mit Platin beladene Kohlenstoff relativals 100 Massenanteile ausgedrückt wird. Man beachte hierin, dass Befürchtungen bestehen könnten, dass die kathodenseitige erste innere katalytische Schicht 312 keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und Gasdurchlässigkeit zeigen könnte, wenn die längeren Kohlenstofffasern in einer Zugabemenge von weniger als 5 Massenanteilen compoundiert werden. Darüber hinaus könnte eine weitere Besorgnis gegeben sein, nämlich dass die kathodenseitige erste innere katalytische Schicht 312 außerdem eine ungenügende Flutungsbeständigkeit zeigt, wenn die längeren Kohlenstofffasern in einer Zugabemenge von weniger als 5 Massenanteilen compoundiert werden. Wenn die Zugabemenge der längeren Kohlenstofffasern 15 Massenanteile überschreitet, könnte andererseits die Besorgnis bestehen, dass die fertige MEA 1 eine schlechtere Stromer zeugungsleistung zeigt, weil die Dicke der resultierenden kathodenseitigen ersten inneren katalytische Schicht 312 zu groß geworden ist.
  • (5) Bildung einer anodenseitigen zweiten inneren katalytische Schicht 512
  • Die gleiche katalytische Paste wie sie für eine Anodenelektrodenschicht, die unter – (3) Bildung einer anodenseitigen zweiten äußeren katalytische Schicht 511 – ausgeführt ist, d. h. die wie im Einzelnen weiter oben beschrieben hergestellt wurde, wurde anhand des Decal-Verfahrens (d. h. eines Übertragungsverfahrens) auf die andere der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2, d. h. auf deren Oberfläche 2c, aufgetragen, und dadurch wurde die anodenseitige zweite innere katalytische Schicht 512 an die Oberfläche 2c der Membran 2 laminiert. Man beachte, dass die anodenseitige zweite innere katalytische Schicht 512 Platin (oder einen Katalysator) in einer Beladungsmenge von 0,2 Milligramm/cm2 aufwies. So wurde das membranseitige Zwischenprodukt 9 fertig gestellt. Das membranseitige Zwischenprodukt 9 wies die Membran 2, die kathodenseitige erste innere katalytische Schicht 312 und die anodenseitige zweite innere katalytische Schicht 512 auf. Man beachte, dass, wie in 2 dargestellt, die kathodenseitige erste innere katalytische Schicht 312 auf die Unterseite 2a der Membran 2 laminiert ist, und dass die anodenseitige zweite innere katalytische Schicht 512 auf die Oberseite 2c der Membran 2 laminiert wurde.
  • (6) Herstellung einer MEA 1
  • Das membranseitige Zwischenprodukt 9 wurde zwischen das erste äußere Zwischenprodukt 7 und das zweite äußere Zwischenprodukt 8 gelegt, so dass es zwischen diesen gehalten wurde, und dadurch wurde eine laminierte Vorform bzw. ein laminierter Rohling gebildet. Die laminierte Vorform wurde durch Anlegen einer Presskraft von 8 MPa in Dickenrichtung mit einer Warmpresse laminiert. So wurde die MEA 1 fertig gestellt. Man beachte hier, dass die erste äußere katalytische Schicht 311 und die zweite innere katalytische Schicht 312 aneinander laminiert wurden, um die kathodenseitige erste katalytische Schicht 31 herzustellen. Darüber hinaus wurden die zweite äußere katalytische Schicht 511 und die zweite innere katalytische Schicht 512 aneinander laminiert, um die anodenseitige katalytische Schicht 51 herzustellen.
  • Wie in 2 dargestellt, wies die resultierende MEA 1 die Membran 2, die Kathodenelektrodenschicht 3, die Kathodengas-Diffusionsschicht 4, die Anodenelektrodenschicht 5 und die Anodengas-Diffusionsschicht 6 auf. Die Membran 2 zeigte Ionenleitfähigkeit. Die Kathodenelektrodenschicht 3 wurde auf einer der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2 angeordnet. Die Kathodengas-Diffusionsschicht 4 wurde auf der dickenmäßig äußeren Seite der Kathodenelektrodenschicht 3 angeordnet. Die Anodenelektrodenschicht 5 wurde auf der anderen von den dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran 2 angeordnet. Die Anodengas-Diffusionsschicht 6 wurde auf der dickenmäßig äußeren Seite der Anodenelektrodenschicht 5 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, umfasste darüber hinaus die Kathodenelektrodenschicht 3 nicht nur die erste katalytische Schicht 31, sondern auch die erste wasserabstoßende Schicht 34. Die erste katalytische Schicht 31 enthielt den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz), die längeren Kohlenstofffasern, das Platin (d. h. einen Katalysator) und Wasser (oder genauer Wasserstoffionen, d. h. eine ionenleitfähige Substanz). Die erste wasserabstoßende Schicht 34 enthielt den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz), die kürzeren Kohlenstofffasern und das Fluorkohlenstoffharz (oder genauer PTFE, d. h. ein Wasserabstoßungsmittel). Ebenso umfasste die erste Anodenelektrodenschicht 5 nicht nur die zweite katalytische Schicht 51, sondern auch die zweite wasserabstoßende Schicht 54. Die zweite katalytische Schicht 51 enthielt den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz), das Platin (d. h. einen Katalysator) und Wasser (oder genauer Wasserstoffionen, d. h. eine ionenleitfähige Substanz). Die zweite wasserabstoßende Schicht 54 enthielt den Acetylenruß (d. h. eine teilchenförmige elektrisch leitfähige Hilfssubstanz), die kürzeren Kohlenstofffasern und das Fluorkohlenstoffharz (oder genauer PTFE, d. h. ein Wasserabstoßungsmittel). Man beachte hierin, dass die anodenseitige zweite katalytische Schicht 51 aktiv gar keine Kohlenstofffasern enthielt.
  • Die MEA 1 gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung wies die Kathodenelektrodenschicht 3 auf, die aus der ersten katalytischen Schicht 31 und der ersten wasserabstoßende Schicht 34 bestand. Die erste katalytische Schicht 31 war in Dickenrichtung der Kathodenelektrodenschicht 3 näher an der Membran 2 angeordnet als die erste wasserabstoßende Schicht 34, und somit war die erste wasserabstoßende Schicht 34 in Dickenrichtung der Kathodenelektrodenschicht 3 weiter weg von der Membran 2 angeordnet als die erste katalytische Schicht 31. Darüber hinaus enthielt die erste katalytische Schicht 31, die näher an der Membran 2 angeordnet war, die längeren Kohlenstofffasern, und die wasserabstoßende Schicht 34, die weiter weg von der Membran 2 angeordnet war, enthielt die kürzeren Kohlenstofffasern. Außerdem zeigten die längeren Kohlenstofffasern eine längere durchschnittliche Faserlänge als dies bei den kürzeren Kohlenstofffasern der Fall war. Somit konnten die erste katalytische Schicht 31 und die erste wasserabstoßende Schicht 34 die Wasseraustragungsfähigkeit der Kathodenelektrodenschicht 3 für Wasser zufriedenstellend verbessern. Auch wenn die Stromerzeugungsreaktion Wasser erzeugt haben sollte, so dass das resultierende Wasser an der Grenzfläche zwischen der Membran 2 und der ersten katalytische Schicht 31 erschien, konnte demgemäß die Kathodenelektrodenschicht 3 dieses Wasser mit verbesserter Austragungsfähigkeit austragen. Daher machte es die MEA 1 gemäß dem Beispiel Nr. 1 möglich, dass die aus ihr hergestellten Brennstoffzellen eine verbesserte Stromerzeugungsleistung zeigen.
  • (Versuchsbeispiel)
  • (Test auf Erzeugung von elektrischer Leistung)
  • Die wie in 2 dargestellt hergestellte MEA 1 wurde verwendet, um eine Einzelzellen-Brennstoffzelle herzustellen. 6 zeigt die fertige Einzelzellen-Brennstoffzelle. Wie in 6 dargestellt, wies die Einzelzellen-Brennstoffzelle die MEA 1, einen Separator 101 für die Anode und einen Separator 201 für die Kathode auf. Der Anodenseparator 101 war auf einer der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberfläche der MEA 1 angeordnet und war mit einer Brenngas-Zufuhröffnung 102 und Brenngas-Ver teilernuten 103, die auf die Anodenelektrodenschicht 5 der MEA 1 gerichtet waren, ausgestattet. Der Kathodenseparator 201 war auf der anderen der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der MEA 1 angeordnet und war mit einer Oxidierungsgas-Zufuhröffnung 202 und Oxidierungsgas-Verteilernuten 203, die auf die Kathodenelektrodenschicht 3 der MEA 1 gerichtet waren, ausgestattet.
  • Darüber hinaus wurden die erste innere katalytische Schicht 312 und die erste äußere katalytische Schicht 311, aus denen die erste katalytische Schicht 31 der Kathodenelektrodenschicht 3 der MEA 1 bestand, auf verschiedene Weise hergestellt, so dass sie die längeren Kohlenstofffasern in einer Zugabemenge von 0 Massenanteilen, 10 Massenanteilen bzw. 15 Massenanteilen mit Bezug auf den mit Platin beladenen Kohlenstoff, der als 100 Massenanteile genommen wurde, enthielten. Man beachte, dass die erste innere katalytische Schicht 312 und die erste äußere katalytische Schicht 311, die 0 Massenanteile längere Kohlenstofffasern enthielten oder die frei waren von den längeren Kohlenstofffasern, zum Vergleichsversuchsbeispiel Nr. 1 gehören. Dagegen gehören die erste innere katalytische Schicht 312 und die erste äußere katalytische Schicht 311, die 10 Massenanteile und 15 Massenanteile längere Kohlenstofffasern enthielten, zu Versuchsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Dann wurde Luft mit 2,5 atm Überdruck mittels der Oxidierungsgas-Verteilernuten 203 durch die Oxidierungsgas-Zufuhröffnung 202 zur Kathodenelektrodenschicht 3 geliefert. Gleichzeitig wurde ein Wasserstoffgas mit 2,5 atm Überdruck mittels der Brenngas-Verteilernuten 103 durch die Brenngas-Zufuhröffnung 102 zur Anodenelektrodenschicht 5 geliefert. Somit erzeugte die Einzelzellen-Brennstoffzelle elektrische Leistung bzw. Strom. Während der Stromerzeugung wurden sowohl die Luft als auch das Wasserstoffgas anhand eines Blubberverfahrens angefeuchtet. Die erzeugte elektrische Leistung wurde mittels des Anodenseparators 101 und des Kathodenseparators 201 herausgenommen, und der resultierende elektrische Strom wurde vom Kathodenseparater 201 über einen externen variablen Widerstand 300 zum Anodenseparator 101 fließen gelassen, um die Stromerzeugungsleistung der Einzelzellen-Brennstoffzelle durch Messen der Dichte des elektrischen Stroms und der Zellenspannung zu prüfen. Während des Tests der Stromerzeugungsleistung wurde der Anodennutzungsfaktor auf 90% gesteuert, der Kathodennutzungsfaktor wurde auf 40% gesteuert, die Dichte des elektrischen Stroms wurde auf 0,26 Ampere/cm2 gesteuert und die Zellentemperatur wurde auf 70°C gesteuert. Ferner wurde die Luft (d. h. ein Kathodengas), die (bzw. das) der Kathodenelektrodenschicht 3 zugeführt wurde, variirt und auf 58 RF%, 70 RF%, 80 RF% und 90 RF% angefeuchtet, und die relative Feuchtigkeit wurde jeweils 2 Stunden auf diesem Wert gehalten, um den Grad des Spannungsabfalls, der sich aus einer Flutung ergab, zu beobachten. Man beachte, dass die Bezeichnung „RF%" die relative Feuchtigkeit angibt.
  • 7 zeigt die Ergebnisse des Tests der Stromerzeugungsleistung. Man beachte, dass in 7 die horizontale Achse die kathodenseitige Feuchtigkeit in RF%, d. h. die relative Feuchtigkeit der Luft (d. h. eines Kathodengases), die (bzw. das) der Kathodenelektrodenschicht 3 zugeführt wurde, angibt. Dagegen gibt die vertikale Achse die Ausgangsspannung einer Einzelzellen-Brennstoffzelle in Volt an. Wie aus 7 ersichtlich ist, zeigte die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Vergleichsversuchsbeispiel Nr. 1, welche die erste katalytische Schicht 31, die frei von jeglichen längeren Kohlenstofffasern war, aufwies, bei einer kathodenseitigen Feuchtigkeit, die auf 70 RF% oder weniger gesetzt war, eine gute Stromerzeugungsleistung, da sie eine Spannung von immerhin 0,7 Volt oder mehr erzeugte, wie es bei der Einzelzellen-Brennstoffzelle, welche die erste katalytische Schicht 31 aufwies, deren Gehalt an längeren Kohlenstofffasern mit Bezug auf den mit Platin beladenen Kohlenstoff, der als 100 Massenanteile genommen wurde, auf 10 Massenanteile gesetzt war, und bei der Einzelzellen-Brennstoffzelle, welche die erste katalytische Schicht 31 aufwies, deren Gehalt an längeren Kohlenstofffasern mit Bezug auf den mit Platin beladenen Katalysator, der als 100 Massenanteile genommen wurde, auf 15 Massenanteile gesetzt war, der Fall war. Wenn die kathodenseitige Feuchtigkeit jedoch zunahm, genauer auf beispielsweise 80 RF% oder mehr, erzeugte das Vergleichsversuchsbeispiel Nr. 1 eine scharf abfallende Spannung. Der Grund dafür ist Folgender. Da die relative Feuchtigkeit der Luft, die zur Kathodenelektrodenschicht 3 geliefert wurde, anstieg, wurde ein Flutungsereignis wahrscheinlich. Infolgedessen kam es schließlich zu einer Flutung und demgemäß wurde die Spannung, die vom Vergleichsversuchsbeispiel Nr. 1 erzeugt wurde, negativ beeinflusst. Anderer seits erzeugten die Einzelzellen-Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die erste katalytische Schicht 31, deren Gehalt an längeren Kohlenstofffasern mit Bezug auf den mit Platin beladenen Katalysator, der als 100 Massenanteile genommen wurde, auf 10 Massenanteile bzw. 15 Massenanteile gesetzt war, weiterhin eine hohe Spannung, obwohl sie unter feuchteren Bedingungen betrieben wurden, wo die kathodenseitige Feuchtigkeit höher eingestellt war, genauer auf beispielsweise 80 RF% oder mehr. Der Vorteil wird wie folgt begründet. Da die Kathodenelektrodenschicht 3 eine gute Fähigkeit zur Austragung von Wasser, das aus der Stromerzeugungsreaktion entstand, zeigte, konnte sie das Auftreten einer Flutung verhindern. Somit zeigte die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine gute Stromerzeugungsleistung.
  • (Beispiele Nr. 2 und 3)
  • Darüber hinaus zeigt 8 die Ergebnisse des Tests der Stromerzeugungsleistung an den Einzelzellen-Brennstoffzellen gemäß den Beispielen Nr. 2 und 3 und den Vergleichsbeispielen Nr. 2 und 3. In 8 gibt die Kennlinie „A1" die Ergebnisse des Tests der Stromerzeugungsleistung der Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 1 an. Die Kennlinie „A2" gibt die Ergebnisse des Tests der Stromerzeugungsleistung der Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 2 an. Die Kennlinie „A3" gibt die Ergebnisse des Tests der Stromerzeugungsleistung der Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 3 an. Die Kennlinie „A4" gibt die Ergebnisse des Tests der Stromerzeugungsleistung der Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Vergleichsbeispiel Nr. 2 an. Die Kennlinie „A5" gibt die Ergebnisse des Tests der Stromerzeugungsleistung der Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Vergleichsbeispiel Nr. 3 an. Obwohl die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 2 grundsätzlich auf die gleiche Weise aufgebaut war wie die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 1, unterschied sie sich davon auf folgende Weise: die erste innere katalytische Schicht 312 enthielt die längeren Kohlenstofffasern; aber die erste äußere katalytische Schicht 311 enthielt keine längeren Kohlenstofffasern. Ebenso war zwar die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 3 grundsätzlich genauso aufgebaut wie die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 1, aber sie unterschied sich von dieser auf die folgende Weise: die erste innere katalytische Schicht 312 enthielt keine längeren Kohlenstofffasern, aber die erste äußere katalytische Schicht 311 enthielt die längeren Kohlenstofffasern. Darüber hinaus war zwar die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Vergleichsbeispiel Nr. 2 grundsätzlich gleich aufgebaut wie die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 1, aber sie unterschied sich von dieser auf die folgende Weise: sowohl die erste innere katalytische Schicht 312 als auch die erste äußere katalytische Schicht 311 enthielten keine längeren Kohlenstofffasern. Außerdem war zwar die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Vergleichsbeispiel Nr. 3 grundsätzlich genauso aufgebaut wie die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel 1, aber sie unterschied sich von dieser auf die folgende Weise: sowohl die erste innere katalytische Schicht 312 als auch die erste äußere katalytische Schicht 311 enthielten keine längeren Kohlenstofffasern; und ferner enthielt weder die erste wasserabstoßende Schicht 34 noch die zweite wasserabstoßende Schicht 54 die kürzeren Kohlenstofffasern.
  • Wie aus 8 ersichtlich ist, erzeugten die Einzelzellen-Brennstoffzellen gemäß den Vergleichsbeispielen Nr. 2 und 3 eine scharf abfallende Spannung, als die Feuchtigkeit auf der Kathodenseite zunahm, genauer auf beispielsweise 80 RF% oder mehr. Es wird angenommen, dass die zunehmende relative Feuchtigkeit der Luft, die zur Kathodenelektrodenschicht 3 geliefert wurde, ein Flutungsereignis wahrscheinlich machte, so dass die Spannung, die von den Einzelzellen-Brennstoffzellen gemäß den Vergleichsbeispielen Nr. 2 und 3 erzeugt wurde, von der resultierenden Flutung negativ beeinflusst wurde. Andererseits erzeugten die Einzelzellen-Brennstoffzellen gemäß den Beispielen Nr. 1, 2 und 3 auch dann eine kaum herabgesetzte Spannung, wenn die Feuchtigkeit auf der Kathodenseite zunahm, genauer auf beispielsweise 80 RF% oder mehr. Insbesondere zeigte die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 1, welche die erste äußere katalytische Schicht 311 und die erste innere katalytische Schicht 312 aufwies, die beide die längeren Kohlenstofffasern enthielten, den Vorteil der Verhinderung eines Spannungsabfalls am deutlichsten. Es wird angenommen, dass es für die Einzelzellen-Brennstoffzelle gemäß dem Beispiel Nr. 1 vermutlich möglich war, ein Flutungsereignis zu verhindern, da die Kathodenelektrodenschicht 3 eine gute Fähigkeit zur Austragung von Wasser, das aus der Stromerzeugungsreaktion stammt, zeigte.
  • (Test auf elektrischen Widerstand)
  • Darüber hinaus wurde die wasserabstoßende Schicht 34 der MEA 1 gemäß dem Beispiel Nr. 2 auf den elektrischen Widerstand hin untersucht. Modellteststücke mit einer vorgegebenen Größe wurden auf die gleiche Weise hergestellt wie oben für die Herstellung der ersten wasserabstoßenden Schicht 34 der MEA 1 gemäß Beispiel Nr. 1 beschrieben. Jedes der Teststücke wies die folgenden spezifischen Abmessungen auf: eine Länge von 30 Millimeter, eine Breite von 36 Millimeter, d. h. eine Fläche von 10,8 cm2, und eine Dicke von 0,5 Millimeter. Man beachte, dass die jeweiligen Teststücke anhand des oben in Beispiel Nr. 1 beschriebenen Verfahrens hergestellt wurden. Genauer wurde zuerst Folgendes hergestellt: 75 g Acetylenruß; 25 g PTFE-Dispersion (d. h. ein Wasserabstoßungsmittel) und 7,5 g kürzere Kohlenstofffasern mit relativ kürzeren Faserlängen. Der Acetylenruß war ein Erzeugnis von DENKI KAGAKU Co., Ltd.. Die PTFE-Dispersion war „D-1", Hersteller DAIKIN KOGYO Co., Ltd., und enthielt PTFE (d. h. eine Feststoffkomponente) in einer Menge von 60 Massen%. Die kürzeren Kohlenstofffasern waren „VGCF-H", Hersteller SHOWA DENKO Co., Ltd., und wiesen eine Faserlänge von 5 bis 9 Mikrometern und einen Faserdurchmesser von 0,15 Mikrometern auf. Zweitens wurden der Acetylenruß, die PTFE-Dispersion und die kürzeren Fasern in Wasser dispergiert, und dadurch wurde eine Kohlenstoffpaste gebildet. Drittens wurde die Kohlenstoffpaste anhand eines Rakelverfahrens in einer Auftragungsmenge von 5 Milligramm/cm2 auf eine der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen eines Kohlepapiers aufgetragen. Das Kohlepapier war „TGP-H-60", Hersteller TORAY Co., Ltd., und wies eine Dicke von 200 Mikrometern auf. Viertens wurde das resultierende laminierte Element auf natürlichem Wege getrocknet und wurde ferner bei etwa 380°C eine Stunde lang calciniert. Somit wurde eine Vielzahl von Modellteststücken gefertigt. Im Test auf elektrischen Widerstand enthielt die Kohlenstoffpaste die kürzeren Kohlenstofffasern in einer Zugabemenge, die wie folgt variiert wurde: 0 Massenanteile, 5 Massenanteile, 10 Massenanteile und 15 Massenanteile in Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wurde. Wenn die Kohlenstoffpaste die kürzeren Kohlenstofffasern beispielsweise in einer Zugabemenge von 10 Massenanteilen in Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wurde, enthielt, war die Summe der Mengen der kürzeren Fasern und des Acetylens 110 Massenanteile in Bezug auf den gesamten Acetylenruß, der relativ als 100 Massenanteile ausgedrückt wurde.
  • Die resultierenden Modellteststücke wurden jeweils zwischen zwei Kohlenstoffelektroden gehalten. Während eine 1,96 MPa-Oberflächenlast an die Modellteststücke angelegt wurde, wurde dann ein konstanter elektrischer Strom an die Modellteststücke geliefert, um die Ausgangsspannungen, die von diesen erzeugt wurden, zu messen. Die Widerstände der Modellteststücke wurden aus den resultierenden Ausgangsspannungswerten berechnet. 9 zeigt die Ergebnisse des Tests auf elektrischen Widerstand. Aus 9 wird klar, dass mit zunehmender Menge an kurzen Kohlenstofffasern die Modellteststücke einen abnehmenden elektrischen Widerstand zeigten und somit eine bessere elektrische Leitfähigkeit zeigten. Daher kann behauptet werden, dass für eine Verringerung des elektrischen Widerstands die erste wasserabstoßende Schicht 34 vorzugsweise die kürzeren Kohlenstofffasern enthalten kann und dass die erste wasserabstoßende Schicht 34 die kürzeren Kohlenstofffasern stärker bevorzugt in einer Menge von 5 Massenanteilen oder mehr in Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, enthalten kann. Man beachte jedoch, dass gesagt werden kann, dass wenn die Zugabemenge der kurzen Kohlenstofffasern sich 15 Massenanteilen mit Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, nähert, die Wirkung der Verbesserung des elektrischen Widerstands, die sich aus den kürzeren Kohlenstofffasern ergibt, ihre Sättigung erreicht. Daher kann die erste wasserabstoßende Schicht 34 vorzugsweise die kürzeren Kohlenstofffasern in einer Zugabemenge von 5 bis 15 Massenanteilen mit Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, enthalten.
  • (Gasdurchlässigkeitstest)
  • Außerdem wurde ein Gasdurchlässigkeitstest durchgeführt, um die Gasdurchlässigkeit der wasserabstoßenden Schicht 34 der MEA 1 gemäß dem Beispiel Nr. 1 zu bewerten. In dem Gasdurchlässigkeitstest wurden die Modellteststücke jeweils auf einer planen Oberfläche fixiert. Dann ließ man ein getrocknetes Stickstoffgas senkrecht zu den einander entgegengesetzten Oberflächen der Modellteststücke durch die fixierten Modellteststücke strömen. Der Druck des getrockneten Stickstoffgases vor dem Eintritt in die Modellteststücke und der Druck des getrockneten Stickstoffgases nach Austritt aus den Modellteststücken wurden gemessen, wodurch die Druckunterschiede zwischen den einander entgegengesetzten Oberflächen der Modellteststücke bestimmt wurden. 10 zeigt die Ergebnisse des Gasdurchlässigkeitstests. Aus 10 geht hervor, dass die zunehmende Zugabemenge der kurzen Kohlenstofffasern zu einer Inkrementierung der Gasdurchlässigkeit der Modellteststücke führte. Daher ist Folgendes von Bedeutung, wenn man die Gasdurchlässigkeit der ersten wasserabstoßenden Schicht 34 verbessern will: es ist bevorzugt, dass die kürzeren Kohlenstofffasern in der ersten wasserabstoßenden Schicht 34 enthalten sind, und es ist stärker bevorzugt, dass die kürzeren Kohlenstofffasern in der ersten wasserabstoßenden Schicht in einer Menge von mindestens 5 Massenanteilen in Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, enthalten sind. Jedoch kann man sagen, dass die verbessernde Wirkung der kürzeren Kohlenstofffasern auf die Gasdurchlässigkeit sich der Sättigung nähert, wenn die Zugabemenge der kurzen Kohlenstofffasern in Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, sich etwa 15 Massenanteilen nähert. Somit sei darauf hingewiesen, dass es viel stärker bevorzugt ist, dass die kürzeren Kohlenstofffasern in einer Zugabemenge von mindestens 5 Massenanteilen bis höchstens 15 Massenanteilen mit Bezug auf den Acetylenruß, der als 100 Massenanteile genommen wird, in der ersten wasserabstoßenden Schicht enthalten sind.
  • (Ergänzungen)
  • Die MEA 1 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Anodenelektrodenschicht 5 auf, die mit der zweiten katalytischen Schicht 51 und der zweiten wasserabstoßenden Schicht 54 versehen ist. Jedoch ist es zulässig, eine Form zu verwenden, in der die Anodenelektrodenschicht 5 mit der zweiten katalytischen Schicht 51 versehen ist, aber keine zweite wasserabstoßende Schicht 54 aufweist. Darüber hinaus sind die Spezifikationen der kürzeren Kohlenstofffasern und der längeren Kohlenstofffasern keineswegs auf die oben beschriebenen Spezifikationen beschränkt, und daher ist es selbstverständlich möglich, die Spezifikationen auf angemessene Weise zu modifizieren, falls nötig. Außerdem sind die vorliegende Membranelektrodenanordnung und das Herstellungsverfahren dafür nicht auf die oben beschriebenen und in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt, sondern es ist möglich, die vorliegenden Membranelektrodenanordnung und das Herstellungsverfahren dafür auf angemessene Weis innerhalb von Bereichen, die nicht vom Gedanken und Bereich der vorliegenden Erfindung abweichen, wie sie nachstehend beansprucht werden, zu modifizieren und dann in die Praxis umzusetzen. Außerdem ist es möglich, die spezifischen Konstruktionen und Funktionen, die eine der Ausführungsformen und eines der Beispiele ausmachen auch auf die anderen Ausführungsformen und Beispiele zu übertragen.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dafür können nützlich sein als Brennstoffzellensysteme für elektronische Instrumente, elektrische Instrumente, Fahrzeuginstrumente, tragbare Instrumente und Instrumente für die Erzeugung von elektrischer Leistung.
  • Nachdem die vorliegende Erfindung vollständig beschrieben wurde, wird der Durchschnittsfachmann wissen, dass viele Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder Bereich der vorliegenden Erfin dung abzuweichen, wie er hierin einschließlich der beigefügten Ansprüche ausgeführt wird.
  • 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.
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Claims (10)

  1. Membranelektrodenanordnung, umfassend: eine Membran, die Ionenleitfähigkeit zeigt; eine Kathodenelektrodenschicht, die auf einer der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran angeordnet ist; eine Kathodengas-Diffusionsschicht, die auf einer dickenmäßig äußeren Seite der Kathodenelektrodenschicht angeordnet ist; eine Anodenelektrodenschicht, die auf der anderen der dickenmäßig einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran angeordnet ist; und eine Anodengas-Diffusionsschicht, die auf einer dickenmäßig äußeren Seite der Anodenelektrodenschicht angeordnet ist; wobei die Kathodenelektrodenschicht und/oder die Anodenelektrodenschicht aufweisen: eine katalytische Schicht, die erste elektrisch leitfähige Fasern und einen Katalysator enthält und die in Dickenrichtung der Membran auf einer von deren Seiten angeordnet ist; eine wasserabstoßende Schicht, die zweite elektrisch leitfähige Fasern und ein Wasserabstoßungsmittel enthält und die in Dickenrichtung der Membran weiter weg von dieser angeordnet ist als die katalytische Schicht; und wobei die ersten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der katalytischen Schicht enthalten sind, eine erste durchschnittliche Faserlänge aufweisen, die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern, die in der wasserabstoßenden Schicht enthalten sind, eine zweite durchschnittliche Faserlänge aufweisen, und die erste durchschnittliche Faserlänge länger ist als die zweite durchschnittliche Faserlänge.
  2. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Kathodenelektrodenschicht und/oder der Anodenelektrodenschicht um die Kathodenelektrodenschicht handelt.
  3. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei: sowohl die Kathodenelektrodenschicht als auch die Anodenelektrodenschicht jeweils die katalytische Schicht und die wasserabstoßende Schicht aufweisen; die katalytische Schicht, die auf einer Seite der Kathodenelektrodenschicht angeordnet ist, die ersten elektrisch leitfähigen Fasern in einem ersten Gehalt pro Flächeneinheit enthält; die katalytische Schicht, die auf einer Seite der Anodenelektrodenschicht angeordnet ist, die ersten elektrisch leitfähigen Fasern in einem zweiten Gehalt pro Flächeneinheit aufweist; und der erste Gehalt pro Flächeneinheit größer ist als der zweite Gehalt pro Flächeneinheit.
  4. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die ersten elektrisch leitfähigen Fasern und/oder die zweiten elektrisch leitfähigen Fasern eine Kohlenstofffaser umfassen.
  5. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 2, wobei die katalytische Schicht umfasst: eine erste katalytische Schicht, die in Dickenrichtung der Membran näher an dieser angeordnet ist und dichter mit dem Katalysator beladen ist; und eine zweite katalytische Schicht, die in Dickenrichtung der Membran weiter weg von dieser angeordnet ist und weniger dicht mit dem Katalysator beladen ist.
  6. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 5, wobei sowohl die erste katalytische Schicht als auch die zweite katalytische Schicht die ersten elektrisch leitfähigen Fasern enthalten.
  7. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 5, wobei: die erste katalytische Schicht die ersten elektrisch leitfähigen Fasern enthält; und die zweite katalytische Schicht frei von den ersten elektrisch leitfähigen Fasern ist.
  8. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 5, wobei: die erste katalytische Schicht frei von den ersten elektrisch leitfähigen Fasern ist; und die zweite katalytische Schicht die ersten leitfähigen Fasern enthält.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Herstellen von längeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine erste durchschnittliche Faserlänge aufweisen, von kürzeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine zweite durchschnittliche Faserlänge aufweisen, die relativ kürzer ist als die erste durchschnittliche Faserlänge der längeren elektrisch leitfähigen Fasern, von einer Membran, die Ionenleitfähigkeit aufweist, und von einer Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran gerichtet werden kann; Laminieren einer wasserabstoßenden Schicht, die die elektrisch leitfähigen Fasern und ein Wasserabstoßungsmittel enthält, auf eine der einander entgegengesetzten Oberflächen der Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran gerichtet ist, und anschließendes Laminieren einer äußeren katalytischen Schicht, die die längeren elektrisch leitfähigen Fasern und einen Katalysator enthält, auf die wasserabstoßende Schicht, wodurch ein äußeres Zwischenprodukt gebildet wird, in dem die äußere katalytische Schicht auf der wasserabstoßenden Schicht angeordnet ist, und außerdem Laminieren einer inneren katalytischen Schicht, die die längeren elektrisch leitfähigen Fasern und einen Katalysator enthält, auf eine der einander entgegengesetzten Oberflächen der Membran, die auf die Gasdiffusionsschicht gerichtet ist, wodurch ein membranseitiges Zwischenprodukt gebildet wird, in dem die innere katalytische Schicht auf der Membran angeordnet ist; und Laminieren des äußeren Zwischenprodukts auf das membranseitige Zwischenprodukt, so dass die äußere katalytische Schicht auf die innere katalytische Schicht gerichtet ist, wodurch eine Membranelektrodenanordnung hergestellt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Herstellen von längeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine erste durchschnittliche Faserlänge aufweisen, von kürzeren elektrisch leitfähigen Fasern, die eine zweite durchschnittliche Faserlänge aufweisen, die relativ kürzer ist als die erste durchschnittliche Faserlänge der längeren elektrisch leitfähigen Fasern, von einer Membran, die Ionenleitfähigkeit aufweist, und von einer Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran gerichtet werden kann; Ausbilden einer wasserabstoßenden Schicht, die die kürzeren elektrisch leitfähigen Fasern und ein Wasserabstoßungsmittel enthält, auf eine gegenüber liegende Oberfläche der Gasdiffusionsschicht, die auf die Membran gerichtet ist; Ausbilden einer katalytischen Schicht, die die längeren elektrisch leitfähigen Fasern und einen Katalysator enthält, auf einer gegenüber liegenden Oberfläche der Membran, die auf die Gasdiffusionsschicht gerichtet ist, und/oder einer gegenüber liegenden Oberfläche der wasserabstoßenden Schicht, die auf die Membran gerichtet ist, und Laminieren der Membran, der katalytischen Schicht, der wasserabstoßenden Schicht und der Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge, wodurch eine Membranelektrodenanordnung hergestellt wird.
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