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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Membranelektrodenanordnung (membrane electrode assembly – MEA) für Brennstoffzellen, wobei eine Länge einer Elektrolytmembran, die an der Außenseite eines aktiven Bereichs der MEA angeordnet ist, kürzer als die einer Sub-Dichtung (Unterdichtung) ist, ein an der Sub-Dichtung angebrachtes Klebemittel in einem polaren Klebemittelblock und einem nichtpolaren Klebemittelblick gebildet ist und die Sub-Dichtung an der Elektrolytmembran durch thermisches Laminieren angebracht ist, wodurch verhindert wird, dass in die Elektrolytmembran eingefülltes Wasser zu der Außenseite der MEA diffundiert und abgeführt wird.
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HINTERGRUND
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Im Allgemeinen wird eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte membrane fuel cell – PEMFC) als eine Brennstoffzelle für Automobile verwendet. Damit diese Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle ein Hochleistungsverhalten von einigen zehn Kilowatt (kW) oder mehr unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufweist, muss sie in einem weiten Stromdichtebereich stabil betrieben werden.
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In der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle findet eine elektrochemische Reaktion zum Erzeugen von Elektrizität in einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer Perfluor-Sulfonsäure-Membran und einem Elektrodenpaar aus Anode und Kathode statt. In der Membranelektrodenanordnung wird an die Anode (Oxidationselektrode) zugeführter Wasserstoff in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen dissoziiert. Dann werden die Wasserstoffionen an die Kathode (Reduktionselektrode) durch die Membran übertragen, die Elektronen werden an die Kathode durch eine externe Schaltung übertragen und die Wasserstoffionen und Elektronen, die an die Kathode übertragen werden, reagieren mit Sauerstoffmolekülen, um Elektrizität, Wärme und Wasser als Nebenprodukt (H2O) zu erzeugen. In diesem Fall, wenn eine geeignete Menge an Wasser während der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt wird, kann die Feuchtigkeit der Membranelektrodenanordnung beibehalten werden, aber wenn eine übermäßige Menge an Wasser erzeugt wird, tritt ein Wasserüberflutungsphänomen bei einer hohen Stromdichte auf, falls es nicht in geeigneter Weise entfernt wird, und das übergelaufene Wasser hemmt Reaktionsgase daran, dass sie in effizienter Weise in die Brennstoffzelle zugeführt werden, wodurch sich ein Spannungsverlust erhöht.
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In der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle, wenn Wasserstoffionen von der Anode an die Kathode durch die Membran übertragen werden, werden sie mit Wassermolekülen in der Form von Wasserstoffionen (H3O+) verbunden, um Wassermoleküle mit sich zu ziehen. Dieses Phänomen wird als ”elektroosmotische Mitnahme (electro-osmotic drag – (EOD))” bezeichnet. Wenn die Menge an in der Kathode angesammeltem Wasser ansteigt, wird ein Teil des Wassers in umgekehrter Richtung von der Kathode zu der Anode übertragen, was als ”Rückdiffusion (back diffusion – (BD))” bezeichnet wird. Daher, damit die Brennstoffzelle eine ausgezeichnete Zellenleistung erhält, muss dieses Wasserübertragungsphänomen klar verstanden werden und das in der Brennstoffzelle vorhandene Wasser muss in effizienter Weise verwendet werden.
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Im Allgemeinen verwendet eine Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel, der einen Verbund (Laminat) aus mehreren hundert Elementarzellen darstellt. Diese Elementarzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA), eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL), eine Dichtung und einen Separator. Die Gasdiffusionsschicht muss an die Anode und Kathode der MEA angebracht werden. In diesem Fall, um die Handhabungseigenschaften der MEA zu verbessern, ist eine hohe Steifigkeit erforderlich. Ferner nimmt die MEA einen Kompressionsdruck für eine lange Zeit durch eine Dichtung aus elastischem Gummi auf, und somit muss diese Dichtung sogar unter einem Kompressionszustand ihre Form beibehalten, ohne zerrissen oder verformt zu werden. Zu diesem Zweck wird in der Regel eine folienartige Festphasen-Sub-Dichtung an der Peripherie einer Membran durch thermische Laminierung angebracht. In dem Sub-Dichtung-Laminierungsverfahren, um die Haftung zwischen der Membran und der Sub-Dichtung zu verbessern, kann ein Klebemittel zusammen mit Wärme verwendet werden, aber kann nicht gemäß den Materialeigenschaften der Sub-Dichtung und einer erforderlichen Haftfähigkeit verwendet werden. Als solches, wenn die mit der Sub-Dichtung ausgerüstete MEA verwendet wird, kann der Brennstoffzellenstapel für eine lange Zeit verwendet werden, selbst wenn er mit mehreren hundert MEAs laminiert wird.
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In der obigen herkömmlichen MEA-Struktur, um die Anbringung der Sub-Dichtung an der Membran zu verbessern, wird die Membran zu der Außenwand einer Brennstoffzelle verlängert und dann an der Sub-Dichtung zusätzlich zu dem aktiven Bereich angebracht, in dem die Anode und Kathode, die in der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle verwendet werden, an der Membran angebracht sind. Jedoch muss in dieser MEA-Struktur eine große kostspielige Membran verwendet werden und insbesondere tritt eine unerwünschte Diffusion von Wasser auf. Somit geht für eine Brennstoffzellenreaktion zu verwendendes Wasser verloren und eine Korrosion von weiteren Brennstoffstapelkomponenten aus Metall wird beschleunigt, wodurch die Betriebsstabilität eines Automobils in hohem Maße verschlechtert wird.
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Als weitere herkömmliche Technologie gibt es ein vorgeschlagenes Verfahren zum Anbringen einer Sub-Dichtung an eine MEA durch Spritzgießen anstatt thermischer Laminierung. Jedoch wird in diesem Verfahren die MEA während des Spritzgießens der Sub-Dichtung deformiert oder kontaminiert. Ferner muss ein kompliziertes Mehrstufenverfahren verwendet werden, um dieses Problem zu überwinden. Demzufolge ist dieses Verfahren auch insofern problematisch, weil das Verfahren zum Anbringen der Sub-Dichtung kompliziert wird im Vergleich dazu, wenn eine thermische Laminierung verwendet wird, und insofern, dass die Produktivität desselben verringert wird.
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Es soll verstand werden, dass das Vorstehende lediglich dazu vorgesehen ist, um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu fördern, und nicht bedeutet, dass die vorliegende Offenbarung in dem Bereich des Standes der Technik liegt, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt war.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung ist gemacht worden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung stellt eine Membranelektrodenanordnung (MEA) für Brennstoffzellen bereit, wobei eine Länge einer Elektrolytmembran, die an der Außenseite eines aktiven Bereichs der MEA angeordnet ist, kürzer als die einer Sub-Dichtung ist. Ein auf der Sub-Dichtung aufgebrachtes Klebemittel ist in einem polaren Klebemittelblock und einem nichtpolaren Klebemittelblock gebildet, und die Sub-Dichtung ist an der Elektrolytmembran durch thermische Laminierung angebracht. Dadurch wird verhindert, dass in die Elektrolytmembran gefülltes Wasser zu der Außenseite der MEA diffundiert und abgeführt wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) für Brennstoffzellen eine stromerzeugende Anordnung mit einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran. Eine Sub-Dichtungsanordnung umfasst eine die Peripherie der Anode umgebende Anoden-Sub-Dichtung und eine die Peripherie der Kathode umgebende Kathoden-Sub-Dichtung. Eine Verbindungsanordnung umfasst eine polare Verbindung und eine nichtpolare Verbindung, die eine Peripherie der Elektrolytmembran umgeben und die Anoden-Sub-Dichtung und die Kathoden-Sub-Dichtung aneinander befestigen.
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Die Elektrolytmembran kann länger als die Anode und die Kathode sein und von seitlichen Rändern der Anode und der Kathode hervorragen.
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Die Anoden-Sub-Dichtung und die Kathoden-Sub-Dichtung können derart gebildet werden, so dass sie von einem seitlichen Rand der Elektrolytmembran hervorragen.
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Die Verbindungsanordnung kann an der Peripherie der Elektrolytmembran angeordnet werden und kann zwischen der Anoden-Sub-Dichtung und der Kathoden-Sub-Dichtung eingefügt werden, um die Anoden-Sub-Dichtung und die Kathoden-Sub-Dichtung aneinander zu befestigen.
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Die Kanten der Anoden-Sub-Dichtung und der Kathoden-Sub-Dichtung können lasergeschweißt werden.
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Die Verbindungsanordnung kann eingerichtet sein, so dass die polaren Verbindungen und die nichtpolaren Verbindungen abwechselnd zwischen der Anoden-Sub-Dichtung und der Kathoden-Sub-Dichtung angeordnet sind.
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Die Verbindungsanordnung kann eine Mehrzahl von polaren Verbindungen und eine Mehrzahl von nichtpolaren Verbindungen umfassen und diese polaren Verbindungen und nichtpolaren Verbindungen sind abwechselnd zwischen der Anoden-Sub-Dichtung und der Kathoden-Sub-Dichtung angeordnet.
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Die Verbindungsanordnung kann eingerichtet sein, so dass die polaren Verbindungen und die nicht-polaren Verbindungen abwechselnd entlang der Peripherie der Elektrolytmembran angeordnet sind.
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Die Verbindungsanordnung kann eingerichtet sein, so dass sich die polare Verbindung neben der Elektrolytmembran befindet, die nichtpolare Verbindung einen seitlichen Rand der polaren Verbindung umgibt und ein konvexer Abschnitt der nicht-polaren Verbindung in einem konkaven Abschnitt der polaren Verbindung eingesetzt ist.
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Die Verbindungsanordnung kann eingerichtet sein, so dass sich die nichtpolare Verbindung neben der Elektrolytmembran befindet, die polare Verbindung einen seitlichen Rand der nichtpolaren Verbindung umgibt und der konvexe Abschnitt der nichtpolaren Verbindung in dem konkaven Abschnitt der polaren Verbindung eingesetzt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
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1 bis 5 zeigen Schnittansichten, die Membranelektrodenanordnungen (MEAs) für Brennstoffzellen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. 1 bis 5 zeigen Schnittansichten, die MEAs für Brennstoffzellen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellen.
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Bezugnehmend auf 1 umfasst die Membranelektrodenanordnung (MEA) für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung eine stromerzeugende Anordnung 100 mit einer Anode 120, einer Kathode 140 und einer Elektrolytmembran 160. Eine Sub-Dichtungsanordnung 200 umfasst eine Anoden-Sub-Dichtung 220, die eine Peripherie der Anode 120 umgibt, und eine Kathoden-Sub-Dichtung 240, die die Peripherie der Kathode 140 umgibt. Eine Verbindungsanordnung 300 umfasst eine polare Verbindung 320 und eine nichtpolare Verbindung 340, die eine Peripherie der Elektrolytmembran 160 umgeben und die Anoden-Sub-Dichtung 220 und die Kathoden-Sub-Dichtung 240 aneinander befestigen. Hierbei kann die Reihenfolge der polaren Verbindung 320 und der nichtpolaren Verbindung 340 miteinander vertauscht werden.
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine MEA-Sub-Dichtungsstruktur bereit, die direkt wichtige Funktionen der Sub-Dichtungen 220 und 240 aufweisen kann und gleichzeitig verhindern kann, dass in die Elektrolytmembran 160 gefülltes Wasser an die Außenseite einer Brennstoffzelle angeführt wird. Die vorliegende Offenbarung stellt die MEA für Brennstoffzellen bereit, die durch thermische Laminierung anstatt durch Spritzgießen hergestellt wird, und die einen Verlust/Ausfall einer Elektrolytmembran verringern kann und verhindern kann, dass in die Elektrolytmembran gefülltes Wasser unnötigerweise an die Außenseite der Brennstoffzelle abgeführt wird, weil eine Länge der Elektrolytmembran kürzer als die der herkömmlichen Elektrolytmembran ist. In dieser thermischen Laminierung wird ein Polymerfilm mit einer hohen Steifigkeit in der Regel als eine Sub-Dichtung verwendet. In diesem Fall, um die Haftung zwischen der Elektrolytmembran und der Sub-Dichtung zu erhalten, kann ein polares Klebemittel verwendet werden.
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Jedoch, wenn nur das polare Klebemittel für eine lange Zeitdauer verwendet wird, kann das in die Elektrolytmembran gefüllte Wasser an die Außenseite der Brennstoffzelle durch dieses polare Klebemittel abgeführt werden. Im Gegensatz dazu, wenn nur ein nichtpolares Klebemittel mit einem statischen Kontaktwinkel von mehr als 90° und einer ausgezeichneten Hydrophobie verwendet wird, kann die Haftung zwischen der Elektrolytmembran und der Sub-Dichtung stark verringert werden.
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In der vorliegenden Offenbarung wird eine Doppelklebeblock-Montagestruktur verwendet, die sowohl ein polares Klebemittel als auch ein nichtpolares Klebemittel verwendet, um die Verwendung der Elektrolytmembran im Vergleich zu der herkömmlichen Technologie zu verringern, indem die Länge der Elektrolytmembran, die an der Außenseite eines aktiven Bereichs der MEA angeordnet ist, kürzer als die einer Sub-Dichtung ist, und um zu verhindern, dass Wasser an die Außenseite der MEA abgeführt wird.
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Das heißt, die Elektrolytmembran 160 kann von den seitlichen Rändern der Anode 120 und der Kathode 140 hervorragen, weil die Elektrolytmembran 160 länger als die Anode 120 und die Kathode 140 ist. Ferner können die Anoden-Sub-Dichtung 220 und die Kathoden-Sub-Dichtung 240 derart gebildet werden, so dass sie den hervorragenden Abschnitt der Elektrolytmembran 160 umgeben.
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Als solches, wenn die Sub-Dichtungen an die Elektrolytmembran durch thermische Laminierung angebracht werden, wird durch die polare Verbindung 320 geleitetes Wasser, das diffundiert werden soll, durch die nichtpolare Verbindung 340 mit einer hohen Hydrophobie blockiert, wodurch verhindert wird, dass das Wasser an die Außenseite der MEA diffundiert wird, um an die Außenseite der Brennstoffzelle abgeführt zu werden. In der vorliegenden Offenbarung kann eine Dicke/Stärke der polaren Verbindung 320 und der nichtpolaren Verbindung 340 gleich oder dünner als die der Elektrolytmembran 160 sein. In dieser in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Dicke/Stärke der polaren Verbindung 320 und der nichtpolaren Verbindung 340 dünner als die der Elektrolytmembran 160.
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In der vorliegenden Offenbarung können die polare Verbindung 320 und die nichtpolare Verbindung 340 in ihrer Position verändert werden. In diesem Fall wird das in die Elektrolytmembran 160 gefüllte Wasser sofort durch die nichtpolare Verbindung 340, die sich direkt neben der Elektrolytmembran 160 befindet, blockiert, wodurch verhindert wird, dass Wasser an die Außenseite der MEA diffundiert wird.
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Wie in 2 dargestellt, kann eine MEA für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Mehrfach-Klebeblock-Montagestruktur aufweisen. Wenn diese Mehrfach-Klebeblock-Montagestruktur verwendet wird, kann die Haftung zwischen der Elektrolytmembran 160 und den Sub-Dichtungen 220 und 240 gleichmäßiger beibehalten werden. Ferner kann, selbst wenn eine nichtpolare Verbindung 340 das in die Elektrolytmembran 160 gefüllte Wasser nicht vollständig blockiert, eine weitere nichtpolare Verbindung 340 dieses Wasser zusätzlich blockieren. Das heißt, die Verbindungsanordnung 300 kann derart eingerichtet sein, so dass die polaren Verbindungen 320 und die nichtpolaren Verbindungen 340 abwechselnd zwischen der Anoden-Sub-Dichtung 220 und der Kathoden-Sub-Dichtung 240 angeordnet sind. Insbesondere umfasst die Verbindungsanordnung 300 eine Mehrzahl von polaren Verbindungen 320 und eine Mehrzahl von nichtpolaren Verbindungen 340. Die Mehrzahl von polaren Verbindungen 320 und nichtpolaren Verbindungen 340 kann abwechselnd zwischen der Anoden-Sub-Dichtung 220 und der Kathoden-Sub-Dichtung 240 angeordnet werden. Ferner kann die Verbindungsanordnung 300 eingerichtet sein, so dass die polaren Verbindungen 320 und die nichtpolaren Verbindungen 340 abwechselnd entlang der Peripherie der Elektrolytmembran 160 angeordnet sind.
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3 und 4 zeigen MEAs für Brennstoffzellen, wobei eine Doppelklebeblock-Montagestruktur verwendet wird, die polare Verbindung 320, die direkt an den Sub-Dichtungen 220 und 240 angebracht ist, länger als die nichtpolare Verbindung 340 ist, um die Haftung zwischen den Verbindungen 320 und 340 und den Sub-Dichtungen 220 und 240 zu erhöhen. Die polare Verbindung 320 und die nichtpolare Verbindung 340 sind miteinander in einer konvex-konkaven Form gekoppelt, um in effizienter Weise die Ableitung von Wasser zu verhindern. Die in 3 dargestellte Verbindungsanordnung 300 ist derart eingerichtet, so dass sich die polare Verbindung 320 neben der Elektrolytmembran 160 befindet, die nichtpolare Verbindung 340 den seitlichen Rand der polaren Verbindung 320 umgibt und der konvexe Abschnitt der nichtpolaren Verbindung 340 in den konkaven Abschnitt der polaren Verbindung 320 eingesetzt ist. Die in 4 dargestellte Verbindungsanordnung 300 ist derart eingerichtet, so dass sich die nichtpolare Verbindung 340 neben der Elektrolytmembran 160 befindet, die polare Verbindung 320 den seitlichen Rand der nichtpolaren Verbindung 340 umgibt und der konvexe Abschnitt der nichtpolaren Verbindung 340 in den konkaven Abschnitt der polaren Verbindung 320 eingesetzt ist.
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Die polare Verbindung kann aus einem oder einem Gemisch aus zwei oder mehreren hergestellt werden, die ausgewählt werden aus Epoxidharz, Acrylharz, Silikonharz, Phenoxyharz, Polyamid, Polyurethan, Cyanacrylat, Polyester, Harnstoff-Formaldehyd, Polyimid, Polybenzimidazol, Celluloseacetat, Cellulosenitrat, Polyvinylazetat und Polyvinylalkohol.
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Ferner kann die nichtpolare Verbindung aus einem oder einem Gemisch aus zwei oder mehreren hergestellt werden, die ausgewählt werden aus Polyisobutylen, Homopolymere und Copolymere von Polyethylen, Homopolymer und Copolymer von Polypropylen und Naturkautschuk. Solche polaren und nichtpolaren Klebemittel können verschiedene Arten/Typen von Klebemitteln umfassen, wie ein Flüssigklebemittel, ein Folienklebemittel, ein Heißschmelzklebemittel, ein druckempfindliches Klebemittel und dergleichen. Ein Folienklebemittel oder Heißschmelzklebemittel mit ausgezeichneten Handhabungseigeneschaften kann beim Anbringen der Sub-Dichtungen der MEA verwendet werden.
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Wie in 5 dargestellt, können die Kanten der Anoden-Sub-Dichtung 220 und der Kathoden-Sub-Dichtung 240 lasergeschweißt werden. Hierbei kann eine Doppelklebeblock- oder Mehrfachklebeblock-Montagestruktur, die sowohl eine polare Verbindung 320 als auch eine nichtpolare Verbindung 340 verwendet, verwendet werden, und die Gesamtlänge von auf den Sub-Dichtungen 220 und 240 aufgebrachten Klebeblöcken kann kürzer als die von jeder der Sub-Dichtungen sein. Unter diesen Bedingungen wird die Elektrolytmembran an die Sub-Dichtungen 220 und 240 durch thermische Laminierung angebracht und dann werden die Peripherien der Sub-Dichtungen 220, die nicht mit Klebemitteln beschichtet sind, zusätzlich lasergeschweißt, wodurch zusätzlich verhindert wird, dass Wasser an die Außenseite einer Brennstoffzelle abgeführt wird.
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Die auf diese Weise eingerichtete MEA übt die Wirkung aus, dass ein Abführen von Wasser an die Außenseite der MEA selbst während der Verwendung einer kleinen Menge eines Klebemittels zusätzlich verhindert wird. In diesem Fall kann die Ausgangsleistung des Lasers 5~100 W betragen, da, wenn die Leistung des Lasers weniger als 5 W beträgt, eine Schweißaktivität sehr gering ist und es somit schwierig ist, eine hohe Haftung zwischen den Filmen/Folien der Sub-Dichtungen zu erhalten. Wenn die Leistung davon mehr als 100 W beträgt, werden die Filme/Folien der Sub-Dichtungen thermisch verformt, so dass eine Dicke/Stärke von jeder Sub-Dichtung übermäßig erhöht wird, und somit ist es schwierig, eine stabile Form der Sub-Dichtung nach dem Laserschweißen beizubehalten. Insbesondere wenn das Laserschweißen in einem solchen Maße erfolgt, dass die Filme/Folien der Sub-Dichtungen stark verformt werden, nimmt die Abweichung der Dicke/Stärke zwischen den Sub-Dichtungen zu, wodurch rasch die Stabilität der Laminierung der Elementarzellen in dem Brennstoffzellenstapel, der mehrere hundert laminierte MEAs umfasst, verschlechtert wird.
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Ferner kann die Bestrahlungsrate des Lasers 10~600 mm/s betragen, da, wenn die Bestrahlungsrate des Lasers weniger als 10 mm/s beträgt, eine Verbindungsgeschwindigkeit sehr niedrig ist, so dass dessen Produktivität gesenkt wird. Wenn seine Bestrahlungsrate mehr als 600 mm/s beträgt, wird dessen Verbindungswirkung relativ gering.
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Wie oben beschrieben, können gemäß der oben eingerichteten MEA für Brennstoffzellen ausgezeichnete Handhabungseigenschaften, die für die herkömmliche MEA-Sub-Dichtung erforderlich sind, beibehalten werden, die übermäßige Verwendung einer kostspieligen Elektrolytmembran kann gelöst werden und die Diffusion von Wasser an die Außenseite einer Brennstoffzelle kann verhindert werden, wodurch die Effizienz des Wassermanagements in der Brennstoffzelle und die Betriebsstabilität eines Automobils erhöht werden kann.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden sind, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass verschiedenste Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Erfindung, wie dies in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
