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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Membranelektrodenanordnung sowie eine eine Membranelektrodenanordnung aufweisende Brennstoffzelle und insbesondere eine Membranelektrodenanordnung und eine eine Membranelektrodenanordnung aufweisende Brennstoffzelle, welche eine Selbstbefeuchtungsfähigkeit aufweisen, um das Problem einer geringen Befeuchtung zu überwinden, wodurch eine ausreichende Befeuchtung in dieser erzielt wird und wodurch verhindert wird, dass Feuchtigkeit nach außen durch eine Elektrolytmembran diffundiert.
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Hintergrund
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Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ist eine Brennstoffzelle, welche eine eine Protonenaustauschfunktion aufweisende Polymermembran als Elektrolyt aufweist. Die PEMFC kann im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen betrieben werden, weist eine hohe Effizienz und eine hohe Strom- und Leistungsdichte auf und weist eine kurze Reaktionszeit auf Laständerungen auf, während sie in einer kurzen Zeit hochgefahren werden kann. Daher sind PEMFCs in letzter Zeit als Brennstoffzellen für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge verwendet worden.
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Ein PEMFC-Stapel besteht typischerweise aus hunderten von Einheitszellen. Jede der Einheitszellen ist ein Elektrizität (bzw. elektrische Energie/Leistung) erzeugendes Element für die Brennstoffzelle und weist eine durch Verbinden einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode mit einer Polymerelektrolytmembran gebildete Membranelektrodenanordnung (MEA), eine Gasdiffusionsschicht (GDL) und einen Separator auf. Eine elektrochemische Reaktion findet in dem Elektrizität erzeugenden Element statt, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die elektrochemische Oxidation von Wasserstoff als Brennstoff findet in der Anode der MEA statt und die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff als Oxidationsmittel findet in deren Kathode statt. Elektrische Energie wird durch die Bewegung von durch die Reaktion erzeugten Elektronen erzeugt, in der Anode erzeugte Protonen migrieren zu der Kathode durch den Polymerelektrolyt und Sauerstoff verbindet sich mit den Protonen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Obwohl bisher Polymerelektrolytmembranen intensiv untersucht worden sind, ist eine aus Nafion® hergestellte Elektrolytmembran, welche in den frühen 1960er Jahren entwickelt wurde, immer noch als eine Protonaustauschmembran für eine Brennstoffzelle weit verbreitet. Nafion® ist ein verzweigtes Polymer, welches durch eine kovalente Bindung einer Schwefelsäuregruppe mit dem Seitenkettenende von Fluor substituiertem Alkylether in der Polymerhauptkette von Fluorkohlenwasserstoff, ähnlich Teflon, hergestellt ist. Die Schwefelsäuregruppe wird durch Wassermoleküle rehydriert, so dass eine Ionenleitfähigkeit aktiviert wird. Das bedeutet, dass Protonen in der Lage sind, sich frei in dem Elektrolyt aufgrund der in der Elektrolytmembran vorhandenen Wassermoleküle zu bewegen, wodurch eine hohe Ionenleitfähigkeit erzielt wird.
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Ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug kann aufweisen: einen Brennstoffzellenstapel, Nebenanlagenkomponenten (einen Luftkompressor, einen Wärmetauscher, usw.), eine Brennstoffzufuhrvorrichtung, eine Hilfsantriebsquelle, einen Motor (z.B. einen Verbrennungsmotor), eine Motor-Steuerungseinheit, usw.
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Eine MEA welche die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels beeinflusst, muss einen bestimmten Grad an relativer Feuchtigkeit in einem weiten Betriebstemperaturbereich aufweisen. Zu diesem Zweck kann ein Befeuchter in einem Luftzufuhrsystem außerhalb des Stapels bereitgestellt sein.
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Ein Gas-Gas-Membranbefeuchtungsverfahren ist ein Externe-Befeuchtung-Verfahren, welches zum Befeuchten eines Brennstoffzellenstapels für ein Fahrzeug verwendet wird. Da dieses Verfahren aus dem Stapel abgegebene Wärme und Feuchtigkeit wiedergewinnt und wiederverwendet, hat es den Vorteil, dass separate Energiequellen oder Mechanismen nicht erforderlich sind.
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Techniken zum Verhindern einer Permeation (Durchdringung) von Gasen, welche von der in feuchter Luft enthaltener Feuchtigkeit verschieden sind, sind jedoch erforderlich, damit ein Gas-Gas-Membranbefeuchter eine Feuchtigkeitsselektivität als seine Grundeigenschaft aufweist. Daher ist das vorangehende Verfahren hinsichtlich einer Ausgestaltung eines Verbrennungsmotorraums aufgrund einer durch einen externen Befeuchter bedingten Kostenzunahme und aufgrund einer Volumenzunahme mit Nachteilen behaftet. Zudem ist es schwierig, eine Wasserdampfzufuhrmenge bei einer vorgegebenen Temperatur zu steuern, da der Membranbefeuchter eine Polymermembran verwendet. Da ein Wasserstoffzufuhrsystem keinen gesonderten Befeuchter aufweist, sollte es darüber hinaus auf in einer Kathode hergestellter relativer Feuchtigkeit basieren, welche jedoch zu einer Anode diffundiert.
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Dementsprechend besteht ein Problem darin, dass der Mangel an angemessener Feuchtigkeit bei einer Betriebstemperatur, bei welcher eine geringe relative Feuchtigkeit herrscht, ein Austrocknen einer MEA bewirken kann, wodurch die Leistung einer Brennstoffzelle beeinträchtigt werden kann. Insbesondere kann eine langanhaltende gravierende Austrocknung in dem Stapel einen irreversiblen Schaden der MEA hervorrufen.
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Da eine herkömmliche MEA eine Struktur aufweist, in welcher das Seitenende einer zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode angeordneten Polymerelektrolytmembran nach außen freigesetzt ist, diffundieren zudem Wassermoleküle nach außen über die Seite der Polymerelektrolytmembran, wodurch die Außenseite des Stapels korrodiert und eine sichere elektrische Isolierung beeinträchtigt wird.
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Die vorangehenden Ausführungen sind lediglich dazu vorgesehen, das Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung zu verbessern und sollen nicht derart aufgefasst werden, dass die vorliegende Erfindung in dem Bereich des dem Fachmann bereits bekannten Standes der Technik angesiedelt ist.
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Inhalt
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Dementsprechend ist die vorliegende Offenbarung im Hinblick auf die vorangehenden im Stand der Technik auftretenden Probleme verwirklicht worden und das Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Membranelektrodenanordnung und eine diese aufweisende Brennstoffzelle vorzuschlagen, welche eine Selbstbefeuchtungsfähigkeit aufweist, um die Nachteile geringer Befeuchtung zu überwinden, um eine ausreichende Befeuchtung in dieser zu erzielen und um zu verhindern, dass Wassermoleküle nach außen durch eine Elektrolytmembran diffundieren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Membranelektrodenanordnung auf: eine Polymerelektrolytmembran, eine erste Elektrodenschicht, welche an einer oberen Fläche der Polymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine zweite Elektrodenschicht, welche an einer unteren Fläche der Polymerelektrolytmembran angeordnet ist. Wenigstens ein Ende der Polymerelektrolytmembran ist nach oben entlang einer Seite der ersten Elektrodenschicht gebogen und erstreckt sich zu einer oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht oder ist nach unten entlang einer Seite der zweiten Elektrodenschicht gebogen und erstreckt sich zu einer unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht.
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Ein erstes Ende der Polymerelektrolytmembran kann nach oben entlang der Seite der ersten Elektrodenschicht gebogen sein und kann sich zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht erstrecken. Ein zweites Ende der Polymerelektrolytmembran kann nach unten entlang der Seite der zweiten Elektrodenschicht gebogen sein und sich zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht erstrecken.
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Die Seiten der ersten und der zweiten Elektrodenschicht können zu den gebogenen Abschnitten der Polymerelektrolytmembran, zu welchen sie jeweils benachbart sind, vertikal ausgerichtet (z.B. bündig) sein.
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Ein Ende der Polymerelektrolytmembran kann nach oben gebogen sein, um sich zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht zu erstrecken oder nach unten gebogen sein, um sich zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht zu erstrecken.
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Zwei Enden der Polymerelektrolytmembran können in dieselbe Richtung gebogen sein, um sich zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht oder zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht zu erstrecken.
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Wenigstens ein Ende der Polymerelektrolytmembran kann horizontal in einen oberen und einen unteren Abschnitt aufgeteilt sein, wobei der obere Abschnitt entlang der Seite der ersten Elektrodenschicht nach oben gebogen ist und sich zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht erstreckt und wobei der untere Abschnitt nach unten entlang der Seite der zweiten Elektrodenschicht gebogen ist und sich zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht erstreckt.
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Die Polymerelektrolytmembran kann eine zu der ersten Elektrodenschicht weisende erste Elektrolytmembran und eine zu der zweiten Elektrodenschicht weisende zweite Elektrolytmembran aufweisen, wobei wenigstens ein Ende der ersten Elektrolytmembran nach oben entlang der Seite der ersten Elektrodenschicht gebogen sein und sich zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht erstrecken kann und wenigstens ein Ende der zweiten Elektrolytmembran kann nach unten entlang der Seite der zweiten Elektrodenschicht gebogen sein und sich zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht erstrecken.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Brennstoffzelle auf: eine Membranelektrodenanordnung, welche aufweist: eine Polymerelektrolytmembran, eine an einer oberen Fläche der Polymerelektrolytmembran angeordnete erste Elektrodenschicht und eine an einer unteren Fläche der Polymerelektrolytmembran angeordnete zweite Elektrodenschicht, wobei wenigstens ein Ende der Polymerelektrolytmembran nach oben entlang einer Seite der ersten Elektrodenschicht gebogen ist und sich zu einer oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht erstreckt oder nach unten entlang einer Seite der zweiten Elektrodenschicht gebogen ist und sich zu einer unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht erstreckt, und einen unteren und einen oberen Separator, welcher an einem oberen bzw. unteren Abschnitt der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind, und jeweilige Dichtungen aufweisen, welche eine abgedichtete Struktur der Membranelektrodenanordnung bilden.
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Die Membranelektrodenanordnung kann innerhalb der durch die Dichtungen gebildeten abgedichteten Struktur angeordnet sein.
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Die Brennstoffzelle kann ferner eine Sub-Dichtung oder Teil-Dichtung aufweisen, welche in einem Randbereich der Membranelektrodenanordnung gebildet ist.
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Die Sub-Dichtung kann eine Seite der Membranelektrodenanordnung abdichten und das gebogene Ende der Polymerelektrolytmembran, welches sich zu einer oberen oder einer unteren Fläche der ersten oder zweiten Elektrodenschicht erstreckt, kann außerhalb der Sub-Dichtung freigesetzt sein.
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Die Membranelektrodenanordnung und die Sub-Dichtung können integral (bzw. einstückig) gebildet sein.
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Die Brennstoffzelle kann ferner Gasdiffusionsschichten aufweisen, welche zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem oberen bzw. unteren Separator angeordnet sind.
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Die Membranelektrodenanordnung und die Gasdiffusionsschichten können integral (bzw. einstückig) gebildet sein.
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Wassermoleküle können in die Gasdiffusionsschichten von dem Ende der Membranelektrodenanordnung zugeführt werden, welches sich zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht oder der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht erstreckt.
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Die Brennstoffzelle kann ferner einen Rahmen aufweisen, welcher mit einer Laminierungsstruktur der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionsschichten verbunden ist, um die Laminierungsstruktur zu fixieren (bzw. zu befestigen).
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Die Membranelektrodenanordnung, die Gasdiffusionsschichten und der Rahmen können integral (bzw. einstückig) gebildet sein.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, kann mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle Wasser, welches durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt wird, wahlweise der Anode, der Kathode oder sowohl der Anode als auch der Kathode selbstständig (autonom) zugeführt werden. Daher ist es möglich, ein Austrocknen der Membranelektrodenanordnung zu verhindern und eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu verringern.
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Zudem kann mit der Membranelektrodenanordnung und mit der diese aufweisenden Brennstoffzelle Feuchtigkeit zugeführt werden, ohne dass ein externer Befeuchter verwendet wird, um befeuchtete Luft der Membranelektrodenanordnung zuzuführen. Dadurch können Kosten verringert werden, da der Befeuchter nicht erforderlich ist.
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Zudem ist es mit der Membranelektrodenanordnung und mit der diese aufweisenden Brennstoffzelle möglich, eine Diffusion von in dem Reaktionsbereich erzeugten Wassermolekülen aus der Brennstoffzelle nach außen durch die Elektrolytmembran zu verhindern. Daher ist es möglich, einen Kurzschluss zwischen einer Mehrzahl von Einheitszellen in dem Stapel zu verhindern und daher ist es möglich, eine äußere Korrosion des Stapels aufgrund von Feuchtigkeit zu verhindern.
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Zudem ist es mit der Membranelektrodenanordnung und mit der diese aufweisenden Brennstoffzelle möglich, die Größe der Elektrolytmembran zu verringern, welche in einem Bereich angeordnet ist, welcher von dem Reaktionsbereich im Stand der Technik verschieden ist, indem der Membranelektrodenanordnung gestattet wird, innerhalb der Dichtungslinie bzw. Dichtungsperipherie des Separators angeordnet zu werden. Daher ist es möglich, Materialkosten zu verringern.
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Zudem kann mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle die Sub-Dichtung in die Gasdiffusionsschichten durch Rolllaminierung oder thermische Kompression durch Heißpressen in dem Zustand, in welchem die Elektrolytmembran gebogen ist, integriert werden.
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Zudem kann mit der Membranelektrodenanordnung und mit der diese aufweisenden Brennstoffzelle die Membranelektrodenanordnung durch Verbinden der Gasdiffusionsschichten in dem Zustand, in welchem die Elektrolytmembran gebogen ist, und durch Formen des Polymerrahmens durch ein Spritzgussverfahren verbunden werden. Daher ist es möglich, die Wirtschaftlichkeit des Stapels bzw. eine wirtschaftliche Herstellung des Stapels zu verbessern.
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Zudem können mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle die Einheitszellen mit der Membranelektrodenanordnung integriert werden bzw. einstückig verbunden werden, welche in einer angepassten Form hergestellt ist, um Benutzeranforderungen gerecht zu werden oder zu den Gasdiffusionsschichten zu passen, obwohl die Zufuhrmenge von Wasserdampf gemäß den Spezifikationen des Stapels und des Betriebssystems variiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden:
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1 ist eine Draufsicht, welche einen Abschnitt einer Brennstoffzelle zeigt, welche eine Membranelektrodenanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist.
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2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A’ von 1.
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3 bis 8, 9A und 9B sind Querschnittsansichten, welche zahlreiche beispielhafte Ausführungsformen von Membranelektrodenanordnungen zeigen.
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10A bis 10C sind Querschnittsansichten, welche beispielhafte Ausführungsformen zeigen, in welchen eine Membranelektrodenanordnung mit einer Sub-Dichtung verbunden ist.
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11A bis 11C sind Querschnittsansichten, welche beispielhafte Ausführungsformen zeigen, in welchen eine Membranelektrodenanordnung mit Gasdiffusionsschichten verbunden ist.
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12A bis 12C sind Querschnittsansichten, welche eine beispielhafte Ausführungsform zeigen, in welcher eine Membranelektrodenanordnung, eine Sub-Dichtung und Gasdiffusionsschichten miteinander verbunden sind.
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13A bis 13B sind Querschnittsansichten, welche beispielhafte Ausführungsformen zeigen, in welchen eine Membranelektrodenanordnung mit einem Polymerrahmen verbunden ist.
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14A bis 14D sind Draufsichten, welche zahlreiche beispielhafte Ausführungsformen von Positionen zeigen, in welchen ein gebogener Abschnitt in der Brennstoffzelle gebildet ist, welche eine Membranelektrodenanordnung aufweist.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Eine Membranelektrodenanordnung und eine diese aufweisende Brennstoffzelle gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
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1 ist eine Draufsicht, welche einen Abschnitt einer Brennstoffzelle zeigt, welche eine Membranelektrodenanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufweist.
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2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A’ von 1.
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1 ist eine schematische Darstellung, in welcher Teilkomponenten aus der eine Membranelektrodenanordnung aufweisenden Brennstoffzelle entfernt sind, um die innere Anordnungsstruktur zwischen zwei Separatoren deutlicher zu zeigen. Das bedeutet, dass 1 einen Zustand zeigt, in welchem ein oberer Separator 41, eine an der Fläche des oberen Separators 41 gebildete Dichtung 51 und eine obere Gasdiffusionsschicht 21, welche in 2 gezeigt sind, aus der Brennstoffzelle entfernt sind. Zudem zeigt 1 lediglich einen Abschnitt einer Sub-Dichtung (Teil-Dichtung) 31, welche entlang des Umfangs einer Membranelektrodenanordnung 10 gebildet ist.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Struktur ist jedoch eine von zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und stellt lediglich ein Beispiel dar, welches zur Vereinfachung der Beschreibung und für ein besseres Verständnis ausgewählt ist. Dementsprechend sollte es für den Fachmann verständlich sein, dass zahlreiche Änderungen hinsichtlich Form und Details daran vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Bezugnehmend auf die 1 und 2 weist die Membranelektrodenanordnung 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform auf: eine Polymerelektrolytmembran 11, eine an der oberen Fläche der Polymerelektrolytmembran 11 gebildete erste Elektrodenschicht 12 und eine an der unteren Fläche der Polymerelektrolytmembran 11 gebildete zweite Elektrodenschicht 13.
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In der Ausführungsform kann die erste Elektrodenschicht 12 eine Anodenelektrode bilden, welche einen Katalysator als ein Material für die elektrochemische Oxidation von Wasserstoff als Kraftstoff verwendet, und die zweite Elektrodenschicht 13 kann eine Kathodenelektrode bilden, welche einen Katalysator als ein Material für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff verwendet. Die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran 11 wird durch Feuchtigkeit aktiviert und die in der Anode erzeugten Protonen migrieren zu der Kathode, um Wasser durch Verbinden mit dem Sauerstoff zu erzeugen.
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In zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weist wenigstens ein Abschnitt von Seitenenden der Polymerelektrolytmembran 11 einen gebogenen Abschnitt B auf, welcher nach oben oder nach unten gebogen ist, und ein Seitenende E der Polymerelektrolytmembran 11 kann sich durch den gebogenen Abschnitt B zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht 12 erstrecken, welche an der oberen Fläche davon gebildet ist, oder zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht 13 erstrecken, welche an der unteren Fläche davon gebildet ist. Das Seitenende E der Polymerelektrolytmembran 11, welches durch den gebogenen Abschnitt B gebogen ist und sich erstreckt, ist an der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht 12 oder an der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht 13 angeordnet.
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In den zahlreichen Ausführungsformen können von der Seitenfläche der Polymerelektrolytmembran 11 emittierte Wassermoleküle zu der Anode oder zu der Kathode diffundieren, um befeuchtete Gase selbstständig zuzuführen, da das Seitenende der Polymerelektrolytmembran 11 gebogen ist und sich zu den Seitenrändern der Anode oder Kathode und um diese herum erstreckt.
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Um die eine derartige Struktur aufweisende Membranelektrodenanordnung 10 zu verwirklichen, kann die Polymerelektrolytmembran 11 eine geringfügig größere Fläche als die erste und die zweite Elektrodenschicht 12 und 13 aufweisen, welche an der oberen bzw. unteren Fläche davon (d.h. der Polymerelektrolytmembran 11) gebildet sind.
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Bezugnehmend auf 1 kann die die Membranelektrodenanordnung 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform aufweisende Brennstoffzelle Separatoren 41 und 42 aufweisen, welche an dem oberen bzw. unteren Abschnitt einer Struktur angeordnet sind, welche die Membranelektrodenanordnung 10 und Gasdiffusionsschichten 21 und 22 aufweist, welche an dem oberen bzw. unteren Abschnitt der Membranelektrodenanordnung 10 angeordnet sind, und gestattet der Struktur, eine luft- und wasserdichte Struktur durch die Dichtung 51 aufzuweisen.
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In der Ausführungsform kann die Sub-Dichtung 31 in dem Randbereich der Membranelektrodenanordnung 10 gebildet sein und die Dichtung 51 kann in engen Kontakt zu der Sub-Dichtung 31 gebracht werden, um eine luft- oder wasserdichte Struktur zu realisieren.
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In der Ausführungsform ist die Membranelektrodenanordnung 10 innerhalb der Peripherie der Dichtung 51 angeordnet, wenn die Membranelektrodenanordnung 10 mit den Separatoren 41 und 42 montiert wird, wodurch sie eine Struktur bildet, in welcher die Polymerelektrolytmembran 11 der Membranelektrodenanordnung 10 nicht aus der Brennstoffzelle nach außen vorsteht. Das bedeutet, dass grundsätzlich verhindert werden kann, dass in einem Reaktionsbereich erzeugte Wassermoleküle aus der Brennstoffzelle nach außen diffundieren.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Struktur ist ein Beispiel der Membranelektrodenanordnung 10 und der diese aufweisenden Brennstoffzelle und kann auf unterschiedliche Weise abgewandelt werden, ohne von dem Umfang und Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Die 3 bis 8, 9A und 9B sind Querschnittsansichten, welche zahlreiche Beispiele von Membranelektrodenanordnungen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
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Eine Membranelektrodenanordnung von 3 ist ähnlich der Membranelektrodenanordnung von 2. In 3 ist ein Seitenende einer Polymerelektrolytmembran 11 nach oben entlang des Endes einer ersten Elektrodenschicht 12 gebogen (B) und erstreckt sich zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht 12. Das andere Seitenende der Polymerelektrolytmembran 11, welches zu dem anderen Seitenende weist, ist entlang des Endes einer zweiten Elektrodenschicht 13 nach unten gebogen (B) und erstreckt sich zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht 13. Wenn die erste Elektrodenschicht 12 eine Anode bildet und die zweite Elektrodenschicht 13 eine Kathode bildet, weist die in 3 gezeigte Membranelektrodenanordnung eine Struktur auf, welche selbstständig Wassermoleküle sowohl zu der Anode als auch zu der Kathode zuführt.
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Eine Membranelektrodenanordnung von 4 ist ähnlich derjenigen von 3. In 4 ist ein Seitenende einer Polymerelektrolytmembran 11 entlang des Endes einer ersten Elektrodenschicht 12 nach oben gebogen (B) und erstreckt sich nach oben zu der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht 12. Das andere Seitenende der Polymerelektrolytmembran 11, welches zu dem anderen Seitenende weist, ist entlang des Endes einer zweiten Elektrodenschicht 13 nach unten gebogen (B) und erstreckt sich zu der unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht 13. Die Membranelektrodenanordnung von 4 unterscheidet sich jedoch von derjenigen von 3 hinsichtlich der Anordnungsstruktur der ersten und der zweiten Elektrodenschicht 12 und 13, in welcher die Seitenenden der ersten und der zweiten Elektrodenschicht 12 und 13 an einem ihrer jeweiligen Enden vertikal ausgerichtet sind an (bzw. bündig sind mit) jeweils diesen benachbarten Seitenenden, welche durch die gebogenen Abschnitte (B) der Polymerelektrolytmembran 11 gebildet sind. Mit anderen Worten kann die erste Elektrodenschicht 12 bezüglich der zweiten Elektrodenschicht 13 seitlich versetzt sein (z. B. um ungefähr die Dicke der Polymerelektrolytmembran 11).
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In jeder Membranelektrodenanordnung der 5 und 6 ist ein Seitenende einer Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 lediglich zu einer oberen ersten Elektrodenschicht 12 oder lediglich zu einer unteren zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen (B). Die Membranelektrodenanordnung weist eine Struktur auf, welche Wassermoleküle zu lediglich der Anode oder der Kathode selbstständig zuführt.
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In jeder Membranelektrodenanordnung der 7 und 8 sind beide Seitenenden einer Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 lediglich zu einer oberen ersten Elektrodenschicht 12 oder lediglich zu einer unteren zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen (B). Die Membranelektrodenanordnung weist eine Struktur auf, welche Wassermoleküle zu entweder der Anode oder der Kathode zuführt. Jede Membranelektrodenanordnung der 7 und 8 weist eine Selbstbefeuchtungsstruktur auf, welche eine größere Menge von Wassermolekülen zu der zugeordneten ersten oder zweiten Elektrodenschicht 12 oder 13 verglichen mit derjenigen der 5 und 6 zuführt.
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In einer Membranelektrodenanordnung der 9A und 9B sind beide Seitenenden einer Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 zu einer oberen ersten Elektrodenschicht 12 und einer unteren zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen (B). Die Membranelektrodenanordnung weist eine Struktur auf, welche Wassermoleküle sowohl zu der Anode als auch zu der Kathode selbstständig zuführt.
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In der Membranelektrodenanordnung der 9A sind beide Seitenenden einer Polymerelektrolytmembran 11 vertikal in Dickenrichtung der Membranelektrodenanordnung 10 aufgeteilt und die aufgeteilten Abschnitte sind zu der ersten bzw. zweiten Elektrodenschicht 12 und 13 gebogen. Die Membranelektrodenanordnung weist daher eine Struktur auf, welche Wassermoleküle sowohl zu der Anode als auch zu der Kathode selbstständig zuführt.
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Wie in 9A gezeigt, ist ein erstes Seitenende der Polymerelektrolytmembran 11 in zwei partielle Erstes-Seitenende-Abschnitte 111, 112 aufgeteilt. Die zwei partiellen Erstes-Seitenende-Abschnitte 111, 112 können beispielsweise eine ähnliche Dicke, etwa ungefähr die Hälfte der Dicke der Polymerelektrolytmembran 11, aufweisen. Ein oberer partieller Erstes-Seitenende-Abschnitt 111 kann lediglich zu der oberen ersten Elektrodenschicht 12 gebogen sein (B) und kann daher einen Abschnitt einer oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht 12 abdecken. Ein unterer partieller Erstes-Seitenende-Abschnitt 112 kann lediglich zu der zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen sein (B) und kann daher einen Abschnitt einer unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht 13 abdecken.
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Darüber hinaus ist ein zweites Seitenende der Polymerelektrolytmembran 11 (welches das gegenüberliegende Ende bezüglich des ersten Seitenendes sein kann) in zwei partielle Zweites-Seitenende-Abschnitte 111, 112 aufgeteilt. Die beiden partiellen Zweites-Seitenende-Abschnitte 111, 112 können beispielsweise eine ähnliche Dicke aufweisen, etwa ungefähr die Hälfte der Dicke der Polymerelektrolytmembran 11. Ein oberer partieller Zweites-Seitenende-Abschnitt 111 kann lediglich zu der oberen ersten Elektrodenschicht 12 gebogen sein (B) und kann daher einen Abschnitt einer oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht 12 abdecken. Ein unterer partieller Zweites-Seitenende-Abschnitt 112 kann lediglich zu der zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen sein (B) und kann daher einen Abschnitt einer unteren Fläche der zweiten Elektrodenschicht 13 abdecken.
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In der Membranelektrodenanordnung der 9B ist zudem eine Polymerelektrolytmembran in zwei Membranen 11A und 11B aufgeteilt. In der Membranelektrodenanordnung von 9B sind unter den Polymerelektrolytmembranen 11A und 11B beide Seitenenden der Polymerelektrolytmembran 11A, welche direkt zu einer ersten Elektrodenschicht 12 weist bzw. an diese angrenzt, in Richtung der ersten Elektrodenschicht 12 gebogen und beide Seitenenden der Polymerelektrolytmembran 11B, welche direkt zu einer zweiten Elektrodenschicht 13 weist bzw. an diese angrenzt, sind in Richtung der zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen. Die Membranelektrodenanordnung weist daher eine Struktur auf, welche Wassermoleküle sowohl der Anode als auch der Kathode selbstständig zuführt.
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Wie in 2 gezeigt, kann die Membranelektrodenanordnung 10 darüber hinaus eine zusätzliche Komponente, wie etwa eine Gasdiffusionsschicht 21 oder eine Sub-Dichtung 31, aufweisen, um die Membranelektrodenanordnung in der Brennstoffzelle montieren zu können. Die Membranelektrodenanordnung 10 kann insbesondere in die Brennstoffzelle in einem Zustand montiert werden, in welchem sie mit der Gasdiffusionsschicht 21 und der Sub-Dichtung 31 (z.B. integral) verbunden ist.
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Die 10A bis 10C, 11A bis 11C, 12A bis 12C und 13A bis 13C sind Ansichten, welche zahlreiche Beispiele zeigen, in welchen eine Membranelektrodenanordnung, eine Sub-Dichtung oder/und Gasdiffusionsschichten oder/und ein Polymerrahmen miteinander gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (z.B. integral) verbunden sind.
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Die 10A bis 10C zeigen Strukturen, in welchen eine Membranelektrodenanordnung 10A mit einer Sub-Dichtung 31 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (z.B. integral) verbunden ist. 10A zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung einer oberen ersten und einer unteren zweiten Elektrodenschicht 12 und 13 gebogen ist. 10B zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung einer oberen ersten Elektrodenschicht 12 gebogen ist. 10C zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung einer unteren zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen ist.
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In den 10A bis 10C kann die Sub-Dichtung 31 integral mit dem Randabschnitt der Membranelektrodenanordnung 10 verbunden sein, d.h. mit deren Seitenende. Die Sub-Dichtung 31 kann beispielsweise durch ein Heißpress- oder ein Rolllaminierungsverfahren verbunden werden.
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Wie in den 10A bis 10C veranschaulicht, kann die Sub-Dichtung 31 mit dem Randabschnitt der Membranelektrodenanordnung 10 derart verbunden sein, dass sie das Seitenende der Membranelektrodenanordnung 10 ohne dieses freizulegen abdichten kann. Das Ende E der Polymerelektrolytmembran 11, welches gebogen ist und sich zu der ersten oder zweiten Elektrodenschicht 12 oder 13 erstreckt, kann jedoch außerhalb der Sub-Dichtung 31 freigelegt sein, um eine Selbstbefeuchtung durch Zuführen von Wasserdampf zu dem Diffusionsbereich von Wasserstoff oder Luft zu verwirklichen.
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Die 11A bis 11C zeigen Strukturen, in welchen eine Membranelektrodenanordnung 10 mit Gasdiffusionsschichten 21 und 22 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (z.B. integral) verbunden ist. 11A zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung zu einer oberen ersten Elektrodenschicht und einer unteren zweiten Elektrodenschicht 12 und 13 gebogen ist. 11B zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung einer oberen ersten Elektrodenschicht 12 gebogen ist. 11C zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung zu einer unteren zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen ist.
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In den 11A bis 11C können die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 integral mit dem oberen bzw. unteren Abschnitt der Membranelektrodenanordnung 10 verbunden sein. Beispielsweise können die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 durch ein Heißpress- oder ein Rolllaminierungsverfahren verbunden sein.
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Wie in den 11A bis 11C gezeigt, können die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 mit der unteren bzw. der oberen Fläche der Membranelektrodenanordnung 10 verbunden sein, d.h. mit dem oberen und unteren Abschnitt der ersten Elektrodenschicht 12 oder/und der zweiten Elektrodenschicht 13 (z.B. dem oberen Abschnitt der ersten Elektrodenschicht 12 bzw. dem unteren Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht 13), um eine Selbstbefeuchtung durch Zufuhr von Wassermolekülen zu realisieren, welche von dem gebogenen Ende (E) der Polymerelektrolytmembran 11 in die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 bereitgestellt werden.
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Die 12A bis 12C zeigen Strukturen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welchen eine Membranelektrodenanordnung 10, eine Sub-Dichtung 31 und Gasdiffusionsschichten 21 und 22 miteinander (z.B. integral) verbunden sind. Jedes in den 12A bis 12C gezeigte Beispiel dient dazu, die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 mit dem oberen bzw. unteren Abschnitt der Membranelektrodenanordnung 10 (z.B. integral) zu verbinden, welche mit der in den 10A bis 10C gezeigten Sub-Dichtung 31 (z.B. integral) verbunden ist. Beispielsweise können die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 durch ein Heißpress- oder ein Rolllaminierungsverfahren verbunden werden.
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Wie in den 12A bis 12C gezeigt, können die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 mit der oberen bzw. unteren Fläche der Membranelektrodenanordnung 10 verbunden sein, d.h. mit dem oberen und dem unteren Abschnitt der ersten Elektrodenschicht 12 oder/und der zweiten Elektrodenschicht 13 (z.B. mit einem oberen Abschnitt der ersten Elektrodenschicht 12 und einem unteren Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht 13), um eine Selbstbefeuchtung zu realisieren, indem von dem gebogenen Ende E der Polymerelektrolytmembran 11 bereitgestellte Wassermoleküle in die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 zugeführt werden.
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Die 13A bis 13B veranschaulichen andere Beispiele, in welchen eine Membranelektrodenanordnung 10 mit Gasdiffusionsschichten 21 und 22 (z.B. integral) verbunden ist, und eine Struktur, in welcher die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 seitlich durch einen Polymerrahmen fixiert sind. 13A zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung zu einer oberen ersten und einer unteren zweiten Elektrodenschicht 12 und 13 gebogen ist. 13B zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung zu einer oberen ersten Elektrodenschicht 12 gebogen ist. 13C zeigt ein Beispiel, in welchem eine Polymerelektrolytmembran 11 einer Membranelektrodenanordnung 10 in Richtung zu einer unteren zweiten Elektrodenschicht 13 gebogen ist.
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In den 13A bis 13C können die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 integral in dem oberen bzw. unteren Abschnitt der Membranelektrodenanordnung 10 angeordnet sein und die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 und die Membranelektrodenanordnung 10 können miteinander durch Verbinden separater Rahmen 61 mit den Seitenenden der angeordneten Gasdiffusionsschichten 21 und 22 und der Membranelektrodenanordnung 10 (z.B. integral) verbunden werden. Beispielsweise können die Rahmen 61 durch ein Spritzgussverfahren verbunden werden.
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Wie in den 13A bis 13C gezeigt, können die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 mit der oberen bzw. der unteren Fläche der Membranelektrodenanordnung 10 verbunden werden, d.h. mit dem oberen und dem unteren Abschnitt der ersten Elektrodenschicht 12 oder/und der zweiten Elektrodenschicht 13 (z.B. mit dem oberen Abschnitt der ersten Elektrodenschicht 12 und dem unteren Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht 13), um eine Selbstbefeuchtung zu realisieren, indem von dem gebogenen Ende E der Polymerelektrolytmembran 11 bereitgestellte Wassermoleküle in die Gasdiffusionsschichten 21 und 22 zugeführt werden.
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Die 14A bis 14D sind Draufsichten, welche zahlreiche Beispiele von Positionen zeigen, in welchen ein gebogener Abschnitt in der Brennstoffzelle, welche eine Membranelektrodenanordnung gemäß beispielhaften Ausführungsformen aufweist, gebildet ist. Jede der 14A bis 14D zeigt die Membranelektrodenanordnung 10 und einen Separator 42, welcher in dem unteren Abschnitt einer Membranelektrodenanordnung 10 angeordnet ist. In den 14A bis 14D bezieht sich das Bezugszeichen „11“ auf einen Abschnitt einer Polymerelektrolytmembran 11, welcher sich zu dem oberen Abschnitt einer ersten Elektrodenschicht 12 in dem Zustand erstreckt, in welchem die Polymerelektrolytmembran 11 lediglich zu dem oberen Abschnitt der ersten Elektrodenschicht 12 gebogen ist.
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14A zeigt eine Struktur, in welcher ein Abschnitt einer Polymerelektrolytmembran 11, welcher zu dem Verteilerabschnitt eines Separators 42 weist, gebogen ist. 14B zeigt eine Struktur, in welcher ein Abschnitt einer Polymerelektrolytmembran 11, welcher zu einer Hauptachse eines Separators 42 weist, anstelle eines Abschnitts der Polymerelektrolytmembran 11, welcher zu dem Verteilerabschnitt weist, gebogen ist. 14C zeigt eine Struktur, in welcher eine Polymerelektrolytmembran 11 entlang des gesamten Randes einer Membranelektrodenanordnung 10 gebogen ist. 14D zeigt eine Struktur, in welcher eine Polymerelektrolytmembran 11 selektiv lediglich in einem Teilbereich entlang des Randes einer Membranelektrodenanordnung 10 gebogen ist, um eine Zufuhrmenge von Wassermolekülen durch Selbstbefeuchtung einzustellen.
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Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich kann mit der Membranelektrodenanordnung und mit einer diese aufweisenden Brennstoffzelle gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser entweder der Anode oder der Kathode oder sowohl der Anode als auch der Kathode selbstständig zugeführt werden. Daher ist es möglich, ein Austrocknen der Membranelektrodenanordnung zu verhindern, wodurch eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verringert wird.
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Zudem kann mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle gemäß den beispielhaften Ausführungsformen Feuchtigkeit zugeführt werden, ohne dass ein externer Befeuchter erforderlich ist, um befeuchtete Luft zu der Membranelektrodenanordnung zuzuführen. Daher können Kosten verringert werden, da der Befeuchter nicht erforderlich ist.
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Zudem ist es mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle gemäß den beispielhaften Ausführungsformen möglich, eine Diffusion von in dem Reaktionsbereich erzeugtem Wasser aus der Einheitszelle durch die Elektrolytmembran hinaus zu verhindern. Daher ist es möglich, das Auftreten eines Kurzschlusses zwischen einer Mehrzahl von Einheitszellen in dem Stapel zu verhindern und eine Korrosion eines äußeren Abschnitts des Stapels aufgrund von Feuchtigkeit zu verhindern.
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Zudem ist es mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung möglich, die Größe der Elektrolytmembran zu verringern, welche in einem Bereich angeordnet ist, welcher von einem Reaktionsbereich im Stand der Technik verschieden ist, indem der Membranelektrodenanordnung gestattet wird, in bzw. innerhalb der Dichtung des Separators angeordnet zu sein. Daher ist es möglich, Materialkosten zu verringern.
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Zudem kann mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle gemäß den beispielhaften Ausführungsformen die Sub-Dichtung in die Gasdiffusionsschichten durch Rolllaminieren oder thermische Kompression, etwa Heißpressen, in einem Zustand integriert werden, in welchem die Elektrolytmembran gebogen ist.
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Zudem können mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle gemäß den beispielhaften Ausführungsformen die Einheitszellen durch Verbinden der Gasdiffusionsschichten mit der Elektrolytmembran in einem Zustand integriert werden, in welchem die Elektrolytmembran gebogen ist und indem der Polymerrahmen durch Spritzguss gebildet wird. Daher ist es möglich, die Produktivität (bzw. wirtschaftliche Herstellung) des Stapels zu verbessern.
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Zudem können mit der Membranelektrodenanordnung und der diese aufweisenden Brennstoffzelle gemäß den beispielhaften Ausführungsformen die Einheitszellen mit der Membranelektrodenanordnung verbunden werden, welche mit einer zugeschnittenen Form gebildet ist, um Benutzeranforderungen gerecht zu werden oder zu den Gasdiffusionsschichten zu passen, selbst wenn die Zufuhrmenge von Feuchtigkeit gemäß den Spezifikationen des Stapels und des Betriebssystems variiert.
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Obwohl beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Veranschaulichungszwecken offenbart worden sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass zahlreiche Abwandlungen, Hinzufügungen und Auswechslungen möglich sind, ohne von dem Umfang und Wesen der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
