DE102015116006A1

DE102015116006A1 - Brennstoffzelle und beweglicher Körper

Info

Publication number: DE102015116006A1
Application number: DE102015116006.4A
Authority: DE
Inventors: Go Tejima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2016-03-31
Also published as: JP2016066548A; KR101800078B1; US20160093894A1; KR20160036653A; CN105470528B; JP6202343B2; US20190267637A1; US10720650B2; CN105470528A

Abstract

Eine Brennstoffzelle (20) hat eine Katalysatorschicht (23a, 24a) mit einem Polymerelektrolyt (102) und einen Katalysator tragenden Kohlenstoff (101). Ein Wert (P1) eines anfänglichen Gewichtsverhältnisses (I/C) des Polymerelektrolyts (102) zum Katalysator tragenden Kohlenstoff (101) in der Katalysatorschicht (23a, 24a) ist auf einen Wert eingestellt, der um 0,1 bis 0,2 kleiner ist als ein Wert (P0) eines Gewichtsverhältnisses, das eine Maximalausgabe der Brennstoffzelle (20) in einem Zustand maximiert, bei dem der Polymerelektrolyt (102) nicht geschwollen ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und einen beweglichen Körper
2. Beschreibung des Standes der Technik
Einzelzellen einer in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen installierten Brennstoffzelle umfassen jeweils eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode an beiden Seiten einer Elektrolytmembran, und jede der Elektroden umfasst eine Katalysatorschicht zum Unterstützen einer elektrochemischen Reaktion in der Einzelzelle. Die Katalysatorschicht hat einen Katalysator tragenden Kohlenstoff, der einen Katalysator wie beispielsweise Platin trägt, und ein Polymerelektrolyt (ein Ionomer), das zum Leiten von Protonen oder Sauerstoff dient (siehe beispielsweise die offengelegten japanischen Patentanmeldungen JP 2011-258452 A , JP 2013-143340 A und JP 2013-089447 A )
Hierbei beeinflusst das Gewichtsverhältnis (I/C) des Polymerelektrolyts (I) zum Katalysator tragenden Kohlenstoff (C) in der Katalysatorschicht die Leistung der Brennstoffzelle, beispielsweise die maximale Ausgabe bzw. Maximalausgabe der Brennstoffzelle, deutlich und wird daher auf einen vorbestimmten Wert bei der Herstellung der Einheits- bzw. Einzelzellen eingestellt. Grundsätzlich wird das Gewichtsverhältnis (I/C) zu einem Anfangszeitpunkt (zum Zeitpunkt der Herstellung) so eingestellt, dass die Anfangsleistung der Brennstoffzelle maximal wird. Wie insbesondere in 5 gezeigt ist, wird ein Wert P₀ des Gewichtsverhältnisses (I/C), der die Maximalausgabe der Brennstoffzelle maximiert, in einer Kennkurve So gewählt, die die Korrelation zwischen einem Gewichtsverhältnis (I/C) und einer Maximalausgabe der Brennstoffzelle bei einem Anfangszustand (Schwellkoeffizient = 0) zeigt.
Während der Verwendung der Brennstoffzelle enthält das Polymerelektrolyt der Katalysatorschicht jedoch Wasser und schwillt nicht umkehrbar an. Durch dieses Anschwellen verändert sich, wie in 5 gezeigt, die Kennkurve zwischen dem Gewichtsverhältnis (I/C) und der Maximalausgabe der Brennstoffzelle, so dass, wenn der Schwellkoeffizient ansteigt, die Spitze der Maximalausgabe der Brennstoffzelle sich hin zur Seite eines niedrigeren Gewichtsverhältnisses (I/C) bewegt und die Maximalausgabe der Brennstoffzelle abnimmt. Zudem wird der Kohlenstoff des den Katalysator tragenden Kohlenstoffs oxidiert und verschwindet während der Verwendung der Brennstoffzelle, was zu einer Verringerung der Menge an Kohlenstoff führt, so dass der Wert des Gewichtsverhältnisses (I/C) allmählich abnimmt. Dies führt ebenfalls zu einer Verringerung der Maximalausgabe der Brennstoffzelle.
Als Ergebnis besteht, wenn das anfängliche Gewichtsverhältnis (I/C) auf einen Wert P₀ eingestellt ist, der wie vorstehend beschrieben die Maximalausgabe der Brennstoffzelle maximiert, die Möglichkeit, dass die Leistung der Brennstoffzelle beispielsweise bei kontinuierlicher Verwendung der Brennstoffzelle abnimmt, wie durch die Pfeile in 5 angedeutet.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine Brennstoffzelle, die eine Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle aufgrund ihrer Verwendung unterdrücken kann, und schafft ferner einen beweglichen Körper mit einer derartigen Brennstoffzelle.
Ein Aspekt der Erfindung ist gerichtet auf eine Brennstoffzelle mit einer Katalysatorschicht mit einem Polymerelektrolyt und einem Katalysator tragenden Kohlenstoff, wobei ein Wert eines anfänglichen Gewichtsverhältnisses des Polymerelektrolyts zum Katalysator tragenden Kohlenstoff in der Katalysatorschicht ein Wert ist, der um 0,1 bis 0,2 kleiner ist als ein Wert eines Gewichtsverhältnisses des Polymerelektrolyts zum Katalysator tragenden Kohlenstoff, das eine Maximalausgabe der Brennstoffzelle in einem Zustand maximiert, bei dem das Polymerelektrolyt nicht geschwollen ist.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle zu unterdrücken, selbst wenn der Polymerelektrolyt der Katalysatorschicht während der Verwendung der Brennstoffzelle unumkehrbar anschwillt, oder wenn der Kohlenstoff des den Katalysator tragenden Kohlenstoffs während der Verwendung der Brennstoffzelle oxidiert und verschwindet, wodurch die Menge des Kohlenstoffs abnimmt.
Bei der Brennstoffzelle kann der Polymerelektrolyt zumindest eines ausgewählt aus einem Perfluorcarbon-Schwefelsäure-Polymer und einem Polyarylether-Schwefelsäure-Copolymer sein.
Bei der Brennstoffzelle kann der den Katalysator tragende Kohlenstoff Ruß sein.
Bei der Brennstoffzelle kann der den Katalysator tragende Kohlenstoff zumindest einen Metallkatalysator ausgewählt aus Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni und Pt-Ru tragen
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist gerichtet auf einen beweglichen Körper, der die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle aufweist.
Gemäß dem Aspekt der Erfindung wird, da die Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle aufgrund ihrer Verwendung unterdrückt werden kann, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
1 eine erläuternde Darstellung, die schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems zeigt;
2 eine erläuternde Darstellung, die einen Zellenaufbau einer Brennstoffzelle zeigt;
3 eine erläuternde Darstellung, die beispielhaft einen Polymerelektrolyt und einen Katalysator tragenden Kohlenstoff in einer Katalysatorschicht zeigt;
4 einen Graph, der die Korrelation zwischen einem Gewichtsverhältnis (I/C) und einer Maximalausgabe einer Brennstoffzelle zeigt; und
5 einen Graph, der einen allgemeinen Einstellwert eines anfänglichen Gewichtsverhältnisses (I/C) zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben. Sofern nicht anders angegeben, basiert die Positionsbeziehung wie beispielsweise oben, unten, links und rechts auf der in den Zeichnungen dargestellten Positionsbeziehung. Die Abmessungen sind nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Abmessungen beschränkt. Daneben dient die nachfolgende Ausführungsform nur zur Erläuterung und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Darüber hinaus kann die Erfindung in einem Bereich modifiziert werden, der nicht von der Idee der Erfindung abweicht.
1 zeigt den Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 bei dieser Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem 10 dient beispielsweise als fahrzeuginternes Stromversorgungssystem, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug als Beispiel eines beweglichen Körpers installiert ist, und umfasst eine Brennstoffzelle 20 die mit Reaktionsgasen (einem Brenngas und einem Oxidationsgas) versorgt wird und elektrische Leistung erzeugt, ein Oxidationsgaszufuhrsystem 30 zum Zuführen von Luft als Oxidationsgas zu Brennstoffzelle 20, ein Brenngaszufuhrsystem 40 zum Zuführen von Wasserstoffgas als Brenngas zu Brennstoffzelle 20, ein Leistungssystem 50 zum Steuern des Ladens und Entladens elektrischer Leistung sowie einen Controller 60, der das gesamte System vollständig steuert.
Die Brennstoffzelle 20 ist ein Solidpolymerelektrolyt-Zellenstapel bestehend aus einer von in Reihe gestapelten Anzahl von Zellen. In der Brennstoffzelle 20 tritt an der Anode eine Oxidationsreaktion gemäß Formel (1) auf, während an der Kathode eine Reduktionsreaktion gemäß Formel (2) auftritt. Eine elektromotorische bzw. stromerzeugende Reaktion gemäß Formel (3) tritt in der Brennstoffzelle 20 als Ganzes auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
2 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer Zelle 21, die die Brennstoffzelle 20 bildet. Die Zelle 21 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 22, eine Anodenelektrode 23, eine Kathodenelektrode 24 sowie Separatoren 26 und 27. Die Anodenelektrode 23 und die Kathodenelektrode 24 nehmen zwischen sich die Polymerelektrolytmembran 22 sandwichartig auf und bilden dadurch einen Sandwichaufbau.
Die Separatoren 26 und 27 bestehen jeweils aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Element und nehmen die Anodenelektrode 23 und die Kathodenelektrode 24 sandwichartig von beiden Seiten zwischen sich auf, wodurch Brenngasströmungspfade zwischen dem Separator 26 und der Anodenelektrode 23 sowie Oxidationsgasströmungspfade zwischen dem Separator 27 und der Kathodenelektrode 24 gebildet werden.
Der Separator 26 ist mit Rippen 26a ausgestaltet, die im Querschnitt vertieft ausgebildet sind. Die Anodenelektrode 23 stößt gegen die Rippen 26a, um offene Abschnitte der Rippen 26a zu verschließen, sodass die Brenngasströmungspfade gebildet werden. Der Separator 27 ist mit Rippen 27a ausgestaltet, die im Querschnitt vertieft ausgebildet sind. Die Kathodenelektrode 24 stößt gegen die Rippen 27a, um offene Abschnitte der Rippen 27a zu verschließen, sodass die Oxidationsgasströmungspfade gebildet werden.
Die Anodenelektrode 23 umfasst eine Katalysatorschicht 23a sowie eine Gasdiffusionsschicht 23b. In ähnlicher Weise umfasst die Kathodenelektrode 24 eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b. Wie in 3 gezeigt ist, enthält jede der Katalysatorschichten 23a und 24a einen Katalysator tragenden Kohlenstoff 101 der beispielsweise platinbasierte Edelmetallpartikel 100 trägt, die als Katalysator dienen, sowie einen Polymerelektrolyt 102.
Als platinbasiertes Material der Edelmetallpartikel 100 ist es möglich, beispielsweise einen Metallkatalysator (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru, oder dergleichen) zu verwenden. Als Katalysator tragenden Kohlenstoff kann beispielsweise Ruß verwendet werden.
Als Polymerelektrolyt 102 kann beispielsweise ein protonenleitfähiges Ionenaustauschharz oder dergleichen verwendet werden, das Perflourcarbon-Schwefelsäure-Polymer als fluorbasiertes Harz umfasst, BPSH (Polyarylether-Schwefelsaure-Copolymer) als nicht fluorbasiertes Harz umfasst oder der geleichen. Der Perflourcarbon-Schwefelsäure-Polymer und BPSH umfassen jeweils eine Schwefelsäuregruppe. Das bedeutet, diese Harze sind ionisch und werden als „Ionomer (Ion + Polymer)” bezeichnet.
Die Katalysatorschicht 23a, 24a wird gebildet, indem eine vorgegebene Menge des Polymerelektrolyts 102 zu einer vorgegebenen Menge von den Katalysator tragenden Kohlenstoff 101, der die Edelmetallpartikel 100 trägt, hinzugegeben wird, dies dann zu eine Paste geformt wird und die Paste dann mittels Siebdruck auf die Polymerelektrolytmembran 22 gedruckt wird. Die Katalysatorschicht 23a, 24a kann unter Verwendung eines anderen Verfahrens, beispielsweise eines Sprühbeschichtens, ausgebildet werden.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Wert P₁ eines Gewichtverhältnisses (I/C) (ein Wert, der durch Dividieren des Gewichts des Polymerelektrolyts 102 durch das Gewicht des Katalysator tragenden Kohlenstoffs 101 (einschließlich des Gewichts der Edelmetallpartikel 100) erhalten wird) des Polymerelektrolyts 102 zum Katalysator tragenden Kohlenstoff 101 in der Katalysatorschicht 23a, 24a zu einem Anfangszeitpunkt (dem Zeitpunkt der Herstellung) auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Wie insbesondere in 4 gezeigt ist, wird der Wert des anfänglichen Gewichtsverhältnisses (I/C) auf einen Wert eingestellt, der um 0,1 bis 0,2 kleiner ist als ein Wert P₀ eines Gewichtsverhältnisses (I/C), das die Maximalausgabe der Brennstoffzelle in einem Zustand maximiert, in dem der Polymerelektrolyt 102 nicht geschwollen ist (der Anfangszustand). Eine Kennkurve S₀, die in 4 gezeigt ist und die Korrelation zwischen einer Maximalausgabe der Brennstoffzelle und einem Gewichtsverhältnis (I/C) im Anfangszustand zeigt, wird vorab experimentell, durch Berechnung oder dergleichen erhalten.
Die Gasdiffusionsschicht 23b, 24b besteht aus Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz, das/der auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht 23a, 24b ausgebildet ist, eine Gasdurchlässigkeit sowie Elektronenleitfähigkeit hat und aus einem Garn aus Kohlenstofffasern gewoben wird.
Die Polymerelektrolytmembran 22 aus 2 ist eine protonenleitfähige Ionenaustauschmembran aus einem Solidpolymermaterial wie beispielsweise einem fluorbasiertem Hartz und zeigt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit in einem nassen Zustand. Eine Membranelektrodenanordnung 25 wird durch die Polymerelektrolytmembran 22, die Anodenelektrode 23 und Kathodenelektrode 24 gebildet.
Wie in 1 gezeigt ist, hat die Brennstoffzelle 20 einen Spannungssensor 71 zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 (FC-Spannung) und einen Stromsensor 72 zum Erfassen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 20 (FC-Strom).
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 umfasst einen Oxidationsgaspfad 33, in dem ein den Kathodenelektroden 24 der Brennstoffzelle 20 zuzuführendes Oxidationsgas strömt, sowie einen Oxidationsgasabgaspfad 34, in dem ein von der Brennstoffzelle 20 ausgestoßenes Oxidationsgasabgas strömt. Der Oxidationsgaspfad 33 hat einen Luftkompressor 32 zum Einbringen von Oxidationsgas aus der Atmosphäre durch einen Filter 31, einen Befeuchter 35 zum Befeuchten des Oxidationsgases, das durch den Luftkompresser 32 verdichtet wurde, sowie ein Sperrventil A1 zum Absperren der Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 20.
Der Oxidationsgasabgaspfad 34 hat ein Sperrventil A2 zum Absperren der Austragung des Oxidationsgasabgases aus der Brennstoffzelle 20, ein Gegendruckregelventil A3 zum Regeln des Zufuhrdrucks des Oxidationsgases und den Befeuchter 35 zum Durchführen eines Feuchtigkeitsaustausches zwischen dem Oxidationsgas (trockenes Gas) und dem Oxidationsgasabgas (nasses Gas).
Das Brenngaszufuhrsystem 40 umfasst eine Brenngaszufuhrquelle 41, einen Brenngaspfad 43, in dem ein den Anodenelektroden 23 der Brennstoffzelle 20 von der Brenngaszufuhrquelle 31 zuzuführendes Brenngas fließt, einen Zirkulationspfad 44 zum Rückführen des Brenngasabgases, das aus der Brennstoffzelle 20 ausgegeben wurde, zum Brenngaspfad 43, eine Zirkulationspumpe 45 zum Zuführen des Brenngasabgases unter Druck in dem Zirkulationspfad 44 zum Brenngaspfad 43 und einen Ablass-/Entleerungspfad 46, der vom Zirkulationspfad 44 abzweigt.
Die Brenngaszufuhrquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruckwasserstofftank oder einer wasserstoffabsorbierenden Legierung und speichert Wasserstoffgas bei hohen Druck (beispielsweise 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil H1 geöffnet wird, fließt das Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 in den Brenngaspfad 43. Der Druck des Brenngases wird auf beispielsweise etwa 200 kPa durch einen Regler H2 und einen Injektor 42 verringert, und das Brenngas wird dann der Brennstoffzelle 20 zugeführt.
Der Zirkulationspfad 44 ist mit einem Sperrventil H4 zum Absperren des Austrags des Brenngasabgases aus der Brennstoffzelle 20 sowie dem Ablass-/Entleerungspfad 46, der vom Zirkulationspfad 44 abzweigt, verbunden. Ein Ablass-/Entleerungsventil H5 ist im Ablass-/Entleerungspfad 46 angeordnet. Das Ablass/Entleerungsventil H5 wird durch eine Anweisung vom Controller 60 betätigt, wodurch das Brenngasabgas, das Verunreinigungen und Wasser enthält, aus dem Zirkulationspfad 44 nach außen ausgelassen (gespült) wird.
Das durch das Ablass/Entleerungsventil H5 ausgetragene Brenngasabgas wird mit Oxidationsgasabgas, das durch den Oxidationsgasabgaspfad 34 strömt, vermischt und durch einen (nicht dargestellten) Verdünner verdünnt. Die Zirkulationspumpe 45 wird durch einen Motor betrieben, um das Brenngasabgas im Zirkulationssystem zur Brennstoffzelle 20 zu zirkulieren.
Das Leistungssystem 20 umfasst einen DC/DC-Wandler (Gleichstromwandler) 51, eine Batterie (Stromspeichervorrichtung) 52, einen Traktionsinverter 53, einen Traktionsmotor 54 sowie Hilfsaggregate 55. Der DC/DC-Wandler 51 hat eine Funktion zum Erhöhen einer von der Batterie 52 zugeführten Gleichstromspannung und Ausgeben der erhöhten Spannung an den Traktionsinverter 53, sowie eine Funktion zum Verringern der Spannung einer durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten Gleichstromleistung oder der Spannung einer regenerativen elektrischen Leistung, die durch den Traktionsmotor 54 gesammelt wird und aus einem regenerativen Bremsen resultiert, sowie zum Laden der Batterie 52 mit der erhaltenen Leistung.
Die Batterie 52 dient als Speicherquelle für überschüssige elektrische Energie, als Speicherquelle für regenerative Energie zum Zeitpunkt des regenerativen Bremsens, oder als Energiepuffer zum Zeitpunkt einer Laständerung, die aus einer Verzögerung oder Beschleunigung des Brennstoffzellenfahrzeugs resultiert. Die Batterie 52 ist vorzugsweise beispielsweise eine Sekundärbatterie bzw. ein Akku wie eine Nickelcadmiumspeicherbatterie, Nickelwasserstoffspeicherbatterie oder eine Lithiumsekundärbatterie. Ein SOC-Sensor (Ladezustand-Sensor)73 ist an der Batterie 52 angebracht, um den SOC (Ladezustand), d. h. die verbleibende Kapazität der Batterie 52, zu erfassen.
Der Traktionsinverter 53 ist beispielsweise ein PWM-Inverter der durch Pulsweitenmodulation angesteuert wird, und steuert das Rotationsmoment des Traktionsmotors 54 durch Umwandeln einer Gleichstromspannung, die von der Brennstoffzelle 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, in eine drei-Phasen Wechselstromspannung entsprechend einem Steuerbefehl vom Controller 60. Der Traktionsmotor 54 ist beispielsweise ein drei-Phasen-Wechselstrommotor und bildet eine Antriebsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug.
Die Hilfsaggregate 55 bezeichnen als Sammelbegriff Motoren, die in entsprechenden Abschnitten des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet sind (z. B. Antriebsquellen für die Pumpen), Inverter bzw. Wechselrichter zum Antreiben dieser Motoren und verschiedene fahrzeuginterne Hilfsaggregate (z. B. Luftkompressoren, Injektoren, Kühlwasserzirkulationspumpen, Radiatoren, etc.).
Der Controller 60 ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM sowie Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellen und steuert entsprechende Abschnitte des Brennstoffzellensystems 10. Beispielsweise startet der Controller 60 ansprechend auf den Empfang eines Startsignals IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und erhält elektrische Leistung, die für das gesamte System benötigt ist, basierend auf einem Beschleunigersöffnungsgradsignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, und so weiter. Die vom gesamten System benötigte elektrische Leistung ist die Summe der elektrischen Leistung zum Fahren des Fahrzeugs und der elektrischen Leistung für die Hilfsaggregate.
Die elektrische Leistung für die Hilfsaggregate umfasst die elektrische Leistung, die von den fahrzeuginternen Hilfsaggregaten verbraucht wird (Befeuchter, Luftkompresser, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserzirkulationspumpe, etc.), die elektrische Leistung, die von Vorrichtungen verbraucht wird, die für das Fahren des Fahrzeugs notwendig sind (Getriebe, Fahrzeuggradsteuervorrichtung, Lenkvorrichtung, Aufhängung, etc.), sowie die elektrische Leistung, die von Vorrichtungen verbraucht wird, die in einem Fahrerraum angeordnet sind (Klimaanlage, Beleuchtung, Audiosystem, etc.) und so weiter.
Der Controller 60 bestimmt die Verteilung zwischen der von der Brennstoffzelle 20 ausgegebenen elektrischen Leistung und der elektrischen Leistung, die von der Batterie 52 ausgegeben wird, und steuert das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 und das Brenngaszufuhrsystem 40, sodass die Menge an elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, mit einer elektrischen Sollleistung übereinstimmt. Der Controller 60 steuert weiter den DC/DC-Wandler 51, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 einzustellen, wodurch der Betriebspunkt (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle 20 gesteuert wird.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 wandern in der Brennstoffzelle 20 Wasserstoffionen, die in der Anodenelektrode 23 entsprechend der vorstehend beschriebenen Formel (1) erzeugt werden, durch die Polymerelektrolytmembran 22 und bewegen sich zur Kathodenelektrode 24 und die Wasserstoffionen, die zur Kathodenelektrode 24 gewandet sind, erzeugen, wie durch die vorstehend beschriebene Formel (2) dargestellt ist, eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff im Oxidationsgas, das der Kathodenelektrode 24 zugeführt wird, wodurch eine Reduktionsreaktion des Sauerstoffs verursacht wird, die Wasser erzeugt.
Hierbei nimmt der Polymerelektrolyt 102 in der Katalysatorschicht 23a, 24a Wasser auf und schwillt unumkehrbar an. Durch dieses Anschwellen verändert sich, wie in 4 gezeigt ist, die Kennkurve zwischen dem Gewichtsverhältnis (I/C) des Polymerelektrolyts 102 zum den Katalysator tragenden Kohlenstoff 101, und die Maximalausgabe der Brennstoffzelle verändert sich, sodass, wenn der Schwellkoeffizient zunimmt, die Spitze der Maximalausgabe der Brennstoffzelle sich hin zu einer Seite mit einem geringeren Gewichtsverhältnis (I/C) bewegt und die Maximalausgabe der Brennstoffzelle abnimmt. Dies liegt darin begründet, das Sauerstoff durch den Polymerelektrolyt 102 gelangen muss, um den Katalysator zu erreichen, und wenn der Polymerelektrolyt 102 geschwollen ist, der Weg für diesen Übergang länger wird, sodass es für den Sauerstoff schwieriger wird, den Katalysator zu erreichen.
Da ferner der Kohlenstoff oxidiert wird und im Katalysator tragenden Kohlenstoff 101 verschwindet, sinkt der Wert des Gewichtsverhältnisses (I/C). Variierende elektrische Potenziale werden an den Kohlenstoff des Katalysator tragenden Kohlenstoff 101 angelegt, wobei aufgrund derartiger elektrischer Potenziale der Kohlenstoff des Katalysator tragenden Kohlenstoffs 101 mit Wasser reagiert und, wie durch Formel (4) dargestellt, oxidiert wird. C + 2H₂O → CO₂ + 4H⁺ + 4e^– (4)
Gemäß dieser Ausführungsform wird, wie in 4 dargestellt ist, der Wert P₁ des anfänglichen Gewichtsverhältnisses (I/C) des Polymerelektrolyts 102 zum Katalysator tragenden Kohlenstoff 101 in die Katalysatorschicht 23a, 24a auf einen Wert eingestellt, der um 0,1 bis 0,2 geringer ist als der Wert P₀ des Gewichtsverhältnisses (I/C), das die Maximalausgabe der Brennstoffzelle in einem Zustand maximiert, in welchem der Polymerelektrolyt 102 nicht geschwollen ist. Hierdurch ist möglich, eine Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle 20 zu unterdrücken, selbst wenn der Polymerelektrolyt 102 unumkehrbar während der Verwendung der Brennstoffzelle 2 anschwillt oder wenn der Kohlenstoff des den Katalysator tragenden Kohlenstoffs 101 während der Verwendung der Brennstoffzelle 20 oxidiert wird und verschwindet, was zu einer Verringerung der Menge an Kohlenstoff führt.
Wenn der Wert P₁ des anfänglichen Gewichtsverhältnisses (I/C) des Polymerelektrolyts 102 zum Katalysator tragenden Kohlenstoff 101 auf einen Wert eingestellt ist, der um einen geringeren Wert als 0,1 kleiner ist als der Wert P₀ des Gewichtsverhältnisses (I/C), das die Maximalausgabe der Brennstoffzelle in einem Zustand maximiert, in dem der Polymerelektrolyt 102 nicht geschwollen ist, ist der Effekt zum Unterdrücken der Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle gering. Wenn dagegen der Wert P₁ des anfänglichen Gewichtsverhältnisses (I/C) auf einen Wert eingestellt wird, die um einen größeren Wert als 0,2 kleiner als der Wert P₀ des Gewichtsverhältnisses (I/C) ist, das die Maximalausgabe der Brennstoffzelle maximiert, wird die Anfangsleistung zu niedrig was nicht gewünscht ist.
Obgleich vorstehend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben wurde, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an den in den Ansprüchen wiedergegebenen Ideen ausgeführt werden können und es ist klar, dass diese selbstverständlich zum technischen Umfang der Erfindung gehören. Für den Fachmann ist klar, dass die Erfindung auch dann erfüllt ist, wenn hinsichtlich des Materials des Polymerelektrolyts, des Katalysator tragenden Kohlenstoffs oder des Metallkatalysators keine Einschränkungen bestehen, in anderen Worten, selbst wenn in den Unteransprüchen kein Material spezifiziert ist.
Beispielsweise ist bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Beispiel dargestellt, in welchem die Brennstoffzelle 20 in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist, die Brennstoffzelle der folgenden Erfindung kann jedoch auch in verschiedenen anderen beweglichen Körpern (Robotern, Schiffen, Flugzeugen, etc.) als dem Brennstoffzellenfahrzeug installierten werden. Alternativ kann die Brennstoffzelle 20 als stationäres Stromerzeugungssystem verwendet werden, das zur Stromerzeugung für Gebäude oder Einrichtungen (Häuser, Bauwerke, etc.) verwendet wird.
Die Erfindung ist hinsichtlich der Unterdrückung der Leistungsabnahme der Brennstoffzelle während ihrer Verwendung nützlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011-258452 A [0002]
JP 2013-143340 A [0002]
JP 2013-089447 A [0002]

Claims

Brennstoffzelle (20), dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: eine Katalysatorschicht (23a, 24a) mit einem Polymerelektrolyt (102) und einem Katalysator tragenden Kohlenstoff (101), wobei ein Wert (P₁) eines anfänglichen Gewichtsverhältnisses des Polymerelektrolyts (102) zum Katalysator tragenden Kohlenstoff (101) in der Katalysatorschicht (23a, 24a) ein Wert ist, der um 0,1 bis 0,2 kleiner ist als ein Wert (P₀) eines Gewichtsverhältnisses des Polymerelektrolyts (102) zum Katalysator tragenden Kohlenstoff (101), das eine Maximalausgabe der Brennstoffzelle (20) in einem Zustand maximiert, bei dem der Polymerelektrolyt (102) nicht geschwollen ist.
Brennstoffzelle (20) nach Anspruch 1, wobei der Polymerelektrolyt (102) zumindest eines ausgewählt aus einem Perfluorcarbon-Schwefelsäure-Polymer und einem Polyarylether-Schwefelsäure-Copolymer ist.
Brennstoffzelle (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der den Katalysator tragende Kohlenstoff (101) Ruß ist.
Brennstoffzelle (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der den Katalysator tragende Kohlenstoff (101) zumindest einen Metallkatalysator ausgewählt aus Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni und Pt-Ru trägt.
Beweglicher Körper, dadurch gekennzeichnet, dass er die Brennstoffzelle (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.