DE102018102980A1

DE102018102980A1 - Polymerelektrolyt-brennstoffzellen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102018102980A1
Application number: DE102018102980.2A
Authority: DE
Inventors: Yoko Kasai; Tsutomu Kawashima; Miyuki Yoshimoto; Yoshifumi Taguchi; Hiroaki Suzuki; Shinichiro Imura
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2018-08-16
Also published as: US10847826B2; US20180233760A1

Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst Folgendes: eine Elektrolytmembran; eine Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite, die auf einer Fläche der Elektrolytmembran platziert ist; eine Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer anderen Fläche der Elektrolytmembran platziert ist; eine Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite, die auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite platziert ist; eine Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist; ein Paar Separatoren, die die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite dazwischen halten; einen Rahmen, der Außenumfänge der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite umgibt; ein Dichtungselement auf der Brennstoffseite, das auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite platziert ist; und ein Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite, das auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist. In der Brennstoffzelle sind keine Räume zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite und der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet betrifft Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen und ein Verfahren zu deren Herstellung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In Brennstoffzellen werden Brennstoffgase, die Wasserstoff enthalten, und Oxidationsmittelgase, die Sauerstoff enthalten (z. B. die Luft) elektrochemisch miteinander zum Reagieren gebracht.
Dementsprechend erzeugen die Brennstoffzellen gleichzeitig elektrischen Leistung und Wärme.
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Grundstruktur einer Einheitszelle in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zeigt, die eine Form einer herkömmlichen Brennstoffzelle ist.
Grundsätzlich umfasst die Einheitszelle Folgendes: eine Polymerelektrolytmembran 201, die selektiv Wasserstoffionen durch sie hindurch transportiert; und ein Paar Elektroden (d. h. eine Anode 206 und eine Kathode 207), die auf beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran 201 gebildet sind.
Die Anode 206 und die Kathode 207 enthalten Kohlenstoffpulver, die Katalysatoren aus der Platingruppe als Hauptbestandteile tragen. Die Anode 206 umfasst Folgendes: eine Katalysatorschicht 202 auf der Brennstoffseite, die auf einer Fläche der Polymerelektrolytmembran 201 gebildet ist; und eine Katalysatorschicht 204 auf der Brennstoffseite, die auf einer Außenfläche der Katalysatorschicht 202 auf der Brennstoffseite platziert ist und die Luftdurchlässigkeit und Elektronenleitfähigkeit verbindet. Auf die gleiche Weise umfasst die Kathode 207 Folgendes: eine Katalysatorschicht 203 auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer anderen Fläche der Polymerelektrolytmembran 201 gebildet ist; und eine Katalysatorschicht 205 auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer Außenfläche der Katalysatorschicht 203 auf der Oxidationsmittelseite platziert ist und die auch Luftdurchlässigkeit und Elektronenleitfähigkeit verbindet.
Das Paar aus der Polymerelektrolytmembran 201 und der Katalysatorschicht 202 auf der Brennstoffseite oder der Katalysatorschicht 203 auf der Oxidationsmittelseite wird katalysatorbeschichtete Membran (Catalyst Coated Membrane - CCM) (in der Folge als „CCM“ bezeichnet) genannt.
Um den Austritt von Gasen, die an die Katalysatorschicht 202 auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 203 auf der Oxidationsmittelseite geliefert werden, und die Mischung des Brennstoffgases und des Oxidationsmittelgases zu verhindern, ist ein Rahmen 211 um die Anode 206 und die Kathode 207 herum bereitgestellt, um die Elektrolytmembran 201 zu halten.
Eine Kombinationsstruktur, in der die CCM mit dem durch den Rahmen 211 umgebenen Außenrand mit der Gasdiffusionsschicht 204 auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 205 auf der Oxidationsmittelseite kombiniert wird, wird eine Elektrolytmembran-Elektroden-Einheit 212 (Electrolyte Membrane Electrode Assembly, in der Folge als „MEA“ bezeichnet) genannt.
Leitfähige Separatoren 210 sind auf beiden Seiten der MEA 212 platziert, derart, dass die MEA 212 mechanisch zwischen diesen Elementen befestigt wird, und um benachbarte MEAs 212 elektrisch in Reihe zu schalten.
Es können Strömungskanalrinnen 208 auf der Brennstoffseite und Strömungskanalrinnen 209 auf der Oxidationsmittelseite auf Bereichen der entsprechenden Separatoren 210 gebildet werden, die mit der MEA 212 in Kontakt gelangen. Die Strömungskanalrinnen 208 auf der Brennstoffseite und die Strömungskanalrinnen 209 auf der Oxidationsmittelseite liefern das Brennstoffgas und ein Reaktionsgas, wie beispielsweise ein Oxidationsmittelgas, an die Anode 206 beziehungsweise die Kathode 207 und tragen erzeugtes Wasser oder überschüssige Gase davon weg.
Die MEA 212 ist eine Mindesteinheit, die eine Leistungserzeugungsfunktion aufweist, und bildet, wenn sie zwischen dem Paar von Separatoren 210 platziert ist, ein Einheitszellmodul.
Als Materialien für die Separatoren 210 können Materialien, die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen und zum Beispiel Edelstahl verwendet werden.
Eine MEA, die eine Dichtung um den Außenumfang herum aufweist, ist als ein Beispiel für eine herkömmliche MEA bekannt (siehe zum Beispiel JP-A-2008-177001 ).
Ein Prozess zur Herstellung der MEA 301, der in JP-A-2008 - 177001 offenbart ist, ist in 9 gezeigt.
In 9 werden die MEA 301 und der Verstärkungsrahmen 302 derart innerhalb einer Form 305 platziert, dass sie nicht miteinander in Kontakt gelangen, und ein Raum, der sie trennt, wird mit einem Kautschuk 303 gefüllt.
Der Kautschuk 303 dringt in eine Gasdiffusionsschicht 304 ein, die die MEA 301 bildet und so werden die MEA 301 und der Verstärkungsrahmen 302 aneinander zum Haften gebracht.
In der vorhergehend beschriebenen MEA 212 sind die Polymerelektrolytmembran 201, die Katalysatorschicht 202 auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 203 auf der Oxidationsmittelseite direkt den Gasen ausgesetzt und infolgedessen werden Verschlechterungen des Zustands der Polymerelektrolytmembran 201 beschleunigt. Das heißt, es bestehen bislang Probleme im Hinblick auf die Beständigkeit und in der Vergangenheit wurden verschiedene Lösungen dafür vorgeschlagen.
Zum Beispiel wurde in JP-A-2016-103390 eine Struktur einer MEA 212 (10) vorgeschlagen, in der Räume 213 und 214, die unter einer Gasdiffusionsschicht 204 auf der Brennstoffseite/einer Gasdiffusionsschicht 205 auf der Oxidationsmittelseite, einer Katalysatorschicht 202 auf der Brennstoffseite/einer Katalysatorschicht 203 auf der Oxidationsmittelseite und einem Rahmen 211 gebildet werden, mit einem Dichtungsmaterial 225, wie beispielsweise einem Klebstoff, gefüllt werden (10).
Dementsprechend wird, wenn die Katalysatorschicht 202 auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 203 auf der Oxidationsmittelseite den Gasen kaum ausgesetzt werden, die Beständigkeit der Polymerelektrolytmembran 201 verbessert.
KURZDARSTELLUNG
Indes ist es gemäß dem vorhergehenden herkömmlichen Stand der Technik erforderlich, einen Schritt, in dem das Dichtungsmaterial 225 im Voraus an der Seite der Gasdiffusionsschicht bereitgestellt wird, oder einen Schritt bereitzustellen, in dem das Dichtungsmaterial 225 an der Seite des Rahmens bereitgestellt wird. In diesem Fall ist es schwierig, diese Elemente auszurichten, und eine solche Struktur ist komplex.
Die Offenbarung wurde im Hinblick auf die vorhergehenden Umstände erdacht. Aufgaben der Offenbarung sind das Bereitstellen von Polymerelektrolytbrennstoffzellen, das es ermöglicht, die Beständigkeit von MEAS zu verbessern, indem basierend auf einem vereinfachten Herstellungsprozess die Bildung von Räumen vermieden wird, in denen Elektrolytmembranen und Katalysatorschichten Reaktionsgasen ausgesetzt sind, und das Bereitstellen von Verfahren zu deren Herstellung.
Um die vorhergehende Aufgabe der Offenbarung zu erfüllen, wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die Folgendes umfasst: (i) eine Elektrolytmembran; (ii) eine Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite, die auf einer Fläche der Elektrolytmembran platziert ist; (iii) eine Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer anderen Fläche der Elektrolytmembran platziert ist; (iv) eine Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite, die auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite platziert ist; (v) eine Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist; (vi) ein Paar Separatoren, die die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite dazwischen halten; (vii) einen Rahmen, der Außenumfänge der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite umgibt; (viii) ein Dichtungselement auf der Brennstoffseite, das auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite platziert ist; und (ix) ein Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite, das auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist, wobei die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite einen Innenrand des Rahmens abdecken und fest an dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite beziehungsweise an dem Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite gehaftet sind, derart, dass keine Räume zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite und der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite bereitgestellt werden.
Ferner wird gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (i) Bereitstellen einer Schichtstruktur, die eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite, die sich auf einer Hauptfläche der Elektrolytmembran befindet, und eine Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite umfasst, die sich auf einer anderen Hauptfläche der Elektrolytmembran befindet; (ii) Bereitstellen eines Rahmens, um Außenumfänge der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite zu umgeben; (iii) Bereitstellen eines Dichtungselements auf der Brennstoffseite auf einer Hauptfläche des Rahmens benachbart zur Katalysatorschicht auf der Brennstoff seite, und Bereitstellen eines Dichtungselements auf der Oxidationsmittelseite auf einer Hauptfläche des Rahmens benachbart zur Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite; (iv) Bereitstellen einer Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und Bereitstellen einer Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite; (v) Bereitstellen von einem Paar von den Separatoren, derart, dass einer von den Separatoren auf einer anderen Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite platziert ist und der andere Separator auf einer anderen Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist; (vi) Anwenden eines vorbestimmten Drucks auf das Paar von Separatoren, derart, dass die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite verformt werden, um einen Innenrand des Rahmens zu bedecken, wodurch bewirkt wird, dass die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite fest an dem Rahmen haften; (vii) ferner Bewirken, dass die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite an dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite und dem Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite, derart, dass keine Räume zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite und der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite bereitgestellt werden.
Gemäß den vorhergehenden Gesichtspunkten der Offenbarung wird der Stapel durch das Paar von Separatoren gedrückt und somit werden die Gasdiffusionsschichten verformt. Folglich werden die Gasdiffusionsschichten in engen Kontakt mit dem Rahmen gebracht und bedecken somit die Hauptflächen des Rahmens an der Seite, wo die Separatoren vorhanden sind. So wird die Bildung von Räumen zwischen den Rahmen und den Katalysatorschichten verhindert. Dementsprechend ermöglicht es die Offenbarung, Brennstoffzellen bereitzustellen, die Strukturen aufweisen, die Verschlechterungen des Zustands von Polymerelektrolytmembranen untrerbinden.
Ferner kann es die Offenbarung ermöglichen, solche Brennstoffzellen basierend auf Herstellungsprozessen bereitzustellen, die eine kleinere Anzahl von Schritten aufweisen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels in der ersten Ausführungsform der Offenbarung.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels in der ersten Ausführungsform der Offenbarung.
3 ist eine schematische Darstellung eines Rahmens, der an der Seite vorhanden ist, an der eine Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite vorhanden ist, und der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite in der Brennstoffzelle in der ersten Ausführungsform der Offenbarung.
4A ist ein Teil eines Querschnitts eines Stapels entlang der Linie A-A in 3 in einem Zustand, in dem der Stapel noch nicht zwischen dem Paar von Separatoren platziert wurde.
4B ist ein Teil eines Querschnitts eines Stapels entlang der Linie A-A in 3 in einem Zustand, in dem der Stapel zwischen einem Paar von Separatoren platziert ist.
5A ist ein Teil eines Querschnitts eines Stapels in einem Zustand, in dem der Stapel noch nicht zwischen einem Paar von Separatoren platziert wurde, in einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Offenbarung (entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie A-A in 3).
5B ist ein Teil eines Querschnitts des Stapels in einem Zustand, in dem der Stapel zwischen einem Paar von Separatoren platziert ist, in einer Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der Offenbarung (entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie A-A in 3).
6A ist ein Querschnitt, der schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Offenbarung zeigt (entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie A-A in 3).
6B ist ein Querschnitt, der schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß der dritten Ausführungsform der Offenbarung zeigt (entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie A-A in 3).
6C ist ein Querschnitt, der schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß der dritten Ausführungsform der Offenbarung zeigt (entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie A-A in 3).
6D ist ein Querschnitt, der schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß der dritten Ausführungsform der Offenbarung zeigt (entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie A-A in 3).
7A ist ein vergrößerter Querschnitt einer Innenfläche eines Dichtungselements in einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Offenbarung.
7B ist ein vergrößerter Querschnitt einer Innenfläche eines Dichtungselements in einer Brennstoffzelle gemäß der vierten Ausführungsform der Offenbarung.
7C ist ein vergrößerter Querschnitt einer Innenfläche eines Dichtungselements in einer Brennstoffzelle gemäß der vierten Ausführungsform der Offenbarung.
7D ist ein vergrößerter Querschnitt einer Innenfläche eines Dichtungselements in einer Brennstoffzelle gemäß der vierten Ausführungsform der Offenbarung.
7E ist ein vergrößerter Querschnitt einer Innenfläche eines Dichtungselements in einer Brennstoffzelle gemäß der vierten Ausführungsform der Offenbarung.
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Grundstruktur einer Einheitszelle zeigt, die eine Form einer herkömmlichen Brennstoffzelle ist.
9 ist ein Diagramm, das eine herkömmliche MEA zeigt.
10 ist ein Diagramm, das eine herkömmliche MEA zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der Folge werden Ausführungsformen der Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
<Struktur>
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels 100, in dem mehrere Brennstoffzellen 1 gestapelt sind und der ein Beispiel für Brennstoffzellen gemäß der ersten Ausführungsform ist.
Gasschneider (in der Figur nicht gezeigt) sind zwischen benachbarten Brennstoffzellen 1 bereitgestellt.
Eine Leistungssammelplatte 110, eine Isolierplatte 120 und eine Befestigungselementplatte 130 sind in dieser Reihenfolge an jeder von Seiten der Brennstoffzellen in der Stapelungsrichtung in Richtung von jedem von den Rändern platziert.
Dann werden durch Anwenden bestimmter Lasten auf die Befestigungselementplatten 130 von beiden Rändern in der Stapelungsrichtung die gestapelten Brennstoffzellen 1 derart befestigt, dass sie den Brennstoffzellenstapel 100 bilden.
Ein Anschluss 101a zum Gewinnen elektrischer Ströme ist in jeder von den Leistungssammelplatten 110 bereitgestellt.
Während der Leistungserzeugung in den Brennstoffzellen 1 werden elektrische Ströme durch die Anschlüsse 110a entnommen.
Die Isolierplatten 120 isolieren die entsprechenden Leistungssammelplatten 110 und die Befestigungselementplatten 130 voneinander.
In den Isolationsplatten 120 können Einlasse und Auslasse (in den Figuren nicht gezeigt) für Gase und Kältemittel bereitgestellt sein.
Bestimmte Lasten werden von außen auf die Befestigungselementplatten 130 angewandt.
Dementsprechend befestigt das Paar von Befestigungselementplatten 130 die gestapelten Brennstoffzellen 1, das Paar von Leistungssammelplatten 110 und das Paar von Isolierplatten 120.
In der Folge werden Strukturen der Brennstoffzellen 1 im Detail beschrieben.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht von jeder der Brennstoffzellen 1 in der ersten Ausführungsform der Offenbarung.
In 2 weist die Brennstoffzelle 1 eine Struktur auf, in der ein Stapel 2, ein Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite, ein Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite und ein Rahmen 6 zwischen einem Paar von Separatoren 4A und 4B platziert sind.
Der Stapel 2 umfasst eine CCM (Catalyst Coated Membrane) 30, eine Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und eine Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite.
Die CCM 30 ist ungefähr röhrenformig gebildet.
Die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite sind bereitgestellt, um die CCM 30 dazwischen zu halten, derart, dass die Hauptflächen dieser Elemente einander zugewandt sind.
3 betrifft einen Zustand, in dem der Stapel 2 zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B platziert ist. In 3 werden indes der Bequemlichkeit der deutlichen Beschreibung einer inneren Anordnungsstruktur der Brennstoffzelle 1 halber bildliche Darstellungen des Separators 4A und des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite weggelassen.
Darüber hinaus betrifft 3 ein Beispiel einer Seite der Brennstoffzelle 1, an der die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite vorhanden ist.
4A und 4B sind Querschnitte von Teilen entlang der Linie A-A in 3.
4A zeigt einen Zustand, in dem der Stapel 2 noch nicht zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B befestigt wurde, während 4B einen Zustand zeigt, in dem der Stapel 2 zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B befestigt ist.
Der Separator 4A ist auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite auf der Seite gestapelt, die der CCM 30 gegenüberliegt, während der Separator 4B auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite auf der der CCM 30 gegenüberliegenden Seite gestapelt ist.
Die CCM 30 umfasst eine Elektrolytmembran 31, eine Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite, die auf einer Hauptfläche der Elektrolytmembran 31 platziert ist, und eine Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer anderen Hauptfläche der Elektrolytmembran 31 platziert ist.
<Elektrolytmembran 31>
Eine Polymerelektrolytfolie, die Wasserstoffionenleitfähigkeit aufweist, würde ausreichend als die Elektrolytmembran 31 dienen. Ein Polymerelektrolyt, das eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und chemische Beständigkeit aufweist, ist indes zu bevorzugen.
Als Beispiel für einen Polymerelektrolyten können Polymere vom Typ Perfluorcarbonsulfonsäure verwendet werden.
Ein Beispiel für ein Polymer vom Typ Perfluorcarbonsulfonsäure ist Nafion (eingetragenes Warenzeichen).
Die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite weisen jeweils Ionenaustauschharze und Katalysatorpartikel auf. Die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite können in manchen Fällen auch Kohlenstoffpartikel aufweisen, die Katalysatorpartikel tragen.
Die Ionenaustauschharze, über die die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite verfügen, verbinden die Katalysatorpartikel und die Elektroytmembran 31 miteinander und weisen somit Rollen beim Befördern von Protonen zwischen den Katalysatorpartikeln und der Elektrolytmembran 31 auf.
Die Ionenaustauschharze können aus den gleichen Polymermaterialien gebildet werden wie diejenigen, die in der Elektrolytmembran 31 eingesetzt werden.
Für die Katalysatormetalle, die für die Katalysatorpartikel in der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite verwendet werden, können Pt-Ru-Legierungen und dergleichen eingesetzt werden.
Für die Katalysatormetalle, die für die Katalysatorpartikel in der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite verwendet werden, können Pt, Pt-Co-Legierungen und dergleichen eingesetzt werden.
Für die Kohlenstoffpartikel können Acetylenruß, Ketjenblack, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dergleichen eingesetzt werden.
<Gasdiffusionsschicht>
Die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite ist auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite in der CCM 30 platziert.
Die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite besteht aus einem Verbundmaterial aus Thermoplasten und leitfähigen Partikeln.
Die Thermoplaste dienen als Bindemittel zum Binden der leitfähigen Partikel aneinander.
Somit weist die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite eine Struktur auf, in der die leitfähigen Partikel in eine Netzwerkstruktur aufgenommen sind, die durch die Thermoplaste gebildet ist.
Aus diesem Grund ist die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite als eine leitfähige Schicht bereitgestellt, die zahlreiche feine Poren aufweist.
Für die leitfähigen Partikel können Kohlenstoffpartikel (z. B. Partikel, die z. B. aus Ruß, Kunstgraphit, Naturgraphit oder Blähgraphit bestehen), Metallpartikel und dergleichen eingesetzt werden.
Die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite ist auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite in der CCM 30 platziert.
Die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite besteht aus einem Verbundmaterial aus Thermoplasten und leitfähigen Partikeln.
Somit ist die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite auf die gleiche Art und Weise wie die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite als eine leitfähige Schicht bereitgestellt, die zahlreiche feine Poren aufweist.
<Rahmen 6>
Der Rahmen 6 ist ein Element, das zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B bereitgestellt ist und das Außenumfänge der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite umgibt.
Somit ist der Stapel 2 in einem Raum eingerichtet, der durch die Separatoren 4A und 4B und den Rahmen 6 getrennt ist.
Der Rahmen 6 weist eine Brennstoffzufuhr-Sammelleitung 60A, eine Oxidationsmittel-Austrittssammelleitung 70A und eine Kältemittel-Sammelleitung 80A an einer Randseite auf und weist eine Brennstoff-Austrittssammelleitung 60B, eine Oxidationsmittelzufuhr-Sammelleitung 70A und eine Kältemittel-Sammelleitung 80A an einer anderen Randseite auf, die der vorhergehenden einen Randseite gegenüberliegt.
Der Rahmen 6 kann aus warmhärtbaren Kunststoffen gebildet sein.
Als Beispiele für die warmhärtbaren Kunststoffe können Epoxidharze, PPS-Harze (Polyphenylensulfid) und dergleichen verwendet werden.
Das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite sind auf den entsprechenden Hauptflächen der Separatoren platziert, denen der Rahmen 6 zugewandt ist.
Das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite können aus warmhärtbaren Harzen gebildet sein. Diese Dichtungselemente können aus Harzen gebildet sein, die zumindest teilweise Isolierfaserfolien umfassen.
Als Beispiele für die warmhärtbaren Kunststoffe können Epoxidharze und dergleichen verwendet werden.
<Separatoren 4A und 4B>
Die Separatoren 4A und 4B befestigen einen Stapel 2, d. h. eine Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und eine Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite, die darin enthalten sind, durch mechanisches Halten dieser Schichten dazwischen. Die Separatoren 4A und 4B verbinden auch benachbarte Stapel 2 elektrisch in Reihe.
Die Separatoren 4A und 4B weisen auch Rollen als Pfade zum Zweck der Lieferung von Gasen an die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite beziehungsweise die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite auf und tragen erzeugtes Wasser und überschüssige Gase davon weg.
Auf Innenflächen der Separatoren 4A und 4B können Gasströmungskanäle gebildet sein (d. h. Flächen davon, die der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite beziehungsweise der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite zugewandt sind).
Eine Fläche des Separators 4A wird mit einer Hauptfläche 42A der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite in Kontakt gebracht.
Eine andere Hauptfläche des Separators 4A (d. h. die Hauptfläche auf der Seite, die dem Stapel 2 gegenüberliegt) ist mit den Kältemittel-Strömungskanälen 5A zum Kühlen des Stapels 2 versehen.
Eine Fläche des Separators 4B wird mit einer Hauptfläche 42B der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite in Kontakt gebracht.
Eine andere Hauptfläche des Separators 4B (d. h. die Hauptfläche auf der Seite, die dem Stapel 2 gegenüberliegt) ist mit den Kältemittel-Strömungskanälen 5B zum Kühlen des Stapels 2 versehen.
Die Kältemittel-Strömungskanäle 5A und 5B sind mit der Kältemittel-Sammelleitung 80A verbunden.
Die Materialien der Separatoren 4A und 4B sind nicht besonders beschränkt, solange sie über eine ausreichende Luftdichtheit, Elektronenleitfähigkeit und elektrochemische Stabilität verfügen.
<Reaktion>
In den Polymerelektrolytbrennstoffzellen 1 werden die Folgenden Reaktionen auftreten.
Das heißt, wenn Wasserstoffgase, die als Brennstoffgase dienen, durch die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite an die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite geliefert werden, wird eine Reaktion, die durch die folgende Formel (1) gezeigt ist, in der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite ausgelöst und somit wird der Wasserstoff in Protonen und Elektronen zerlegt.
Die erzeugten Protonen bewegen sich durch die Elektrolytmembran 31 in Richtung der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite.
Die Elektronen durchqueren die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und den Separator 4A und erreichen einen äußeren Kreislauf (nicht in den Figuren gezeigt) . Dann bewegen sich die Elektronen aus dem äußeren Kreislauf heraus, durchqueren den Separator 4B und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite und fließen ferner in die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite.
Währenddessen wird, wenn die Luft, die als ein Oxidationsmittelgas dient, durch die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite an die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite geliefert wird, eine Reaktion, die durch die folgende Formel (2) gezeigt ist, in der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite auftreten. Somit reagiert der in der Luft vorhandene Sauerstoff mit den Protonen und den Elektronen, um Wasser zu werden.
Folglich fließen Elektronen durch den externen Kreislauf in eine Richtung von der Anode zur Kathode und erzeugen elektrische Leistung, die entnommen werden kann.
Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite: $H_{2} \to 2 H^{+} + 2 e^{-}$
Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite: $2 h^{+} + (1 / 2) O_{2} + 2 e^{-} \to H_{2} O$
<Einheit>
Wie in 4A gezeigt, sind die Separatoren 4A und 4B derart platziert, dass der Stapel 2 zwischen den Separatoren 4A und 4B bereitgestellt ist.
Wenn bestimmte Lasten auf ein Paar von Befestigungselementplatten 130 angewandt werden (siehe 1), werden die Separatoren 4A und 4B in eine Richtung verschoben, in der sie einander näher kommen.
Dann drückt, wie in 4B gezeigt, der Separator 4A mit einem bestimmten Druck gegen den Stapel 2. Dementsprechend wird der Separator 4A mit einer Fläche 7A des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite in Kontakt gebracht, die dem Separator 4A zugewandt ist, und hört somit auf, sich zu bewegen.
Der Separator 4B drückt mit einem bestimmten Druck gegen den Stapel 2. Dementsprechend wird der Separator 4B mit einer Fläche 7B des Dichtungselements 10B auf der Oxidationsmittelseite in Kontakt gebracht, die dem Separator 4B zugewandt ist, und hört somit auf, sich zu bewegen.
In einem Zustand, in dem der Stapel 2 nicht mit einem gewissen Druck zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B gehalten wird, weist die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite einen Vorsprung 20A auf, der in Richtung des Separators 4A vor der Fläche 7A des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite hervorsteht, die dem Separator 4A zugewandt ist.
Ferner weist in einem Zustand, in dem der Stapel 2 nicht mit einem gewissen Druck zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B gehalten wird, die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite einen Vorsprung 20B auf, der in Richtung des Separators 4B vor einer Fläche 7B des Dichtungselements 10B auf der Oxidationsmittelseite hervorsteht, die dem Separator 4B zugewandt ist.
Dementsprechend wird, wenn der Stapel 2 bei einem gewissen Druck zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B gehalten wird, der Vorsprung 20A durch den Separator 4A heruntergedrückt und auch der Vorsprung 20B wird durch den Separator 4B heruntergedrückt.
Darüber hinaus kann es, wenn die Verhältnisse der Vorsprünge 20A und 20B zu klein sind, sein, dass die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite, sogar, wenn die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite verformt sind, nicht in der Lage sind, die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite vollständig abzudecken. Daher betragen die Verhältnisse der Vorsprünge 20A und 20B vorzugsweise mindestens 10 % oder mehr der Volumina der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite beziehungsweise der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite.
Wie vorhergehend beschrieben, weisen die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite jeweils eine Struktur auf, in der leitfähige Partikel in eine Netzwerkstruktur von Thermoplasten aufgenommen sind.
Das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite sind indes aus warmhärtbaren Harzen gebildet.
Daher weisen die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite im Vergleich zu dem Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und dem Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite eine geringere Steifigkeit auf.
Dementsprechend werden, wenn die Vorsprünge 20A und 20B heruntergedrückt werden, die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite derart verformt, dass sie sich zur äußeren Umfangsrichtung der Brennstoffzelle 1 erstrecken (z. B. die linken Richtungen in 5A und 5B, d. h. die Richtungen zum Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und dem Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite).
Folglich haften die Seitenflächen 41A und 41B der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite fest oder starr an Innenflächen 6A beziehungsweise 6B des Rahmens 6.
In diesem Fall werden zum Beispiel, wie in 5A gezeigt, Teile der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite, die von dem Bereich zwischen der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite hervorstehen, wenn der Stapel 2 mit einem bestimmten Druck zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B gehalten wird, mit der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite bedeckt, derart, dass die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoff seite beziehungsweise die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite und die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite gegeneinander gedrückt werden, um keine Räume dazwischen zu bilden.
Darüber hinaus befinden sich die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite, die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite, das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite in einem festen Zustand.
Dementsprechend wird, wie vorhergehend beschrieben, Druck auf die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite ausgeübt, um das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite in engen Kontakt miteinander zu bringen, wodurch die vorhergehend genannten Räume beseitigt werden.
Durch eine endgültige Wärmebehandlung werden das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite gehärtet.
Dann werden sich die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite verformen, um Teile der Hauptflächen des Rahmens 6 abzudecken (d. h. Teile, die von dem Bereich zwischen dem Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite und dem Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite hervorstehen, wenn der Stapel nicht zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B gehalten wird, wie zum Beispiel in 5A gezeigt), und somit haften die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite eng oder starr auf den Innenflächen 11A und 11B des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite beziehungsweise des Dichtungselements 10B auf der Brennstoffseite.
Wenn die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite sich verformt, werden sich bestimmte Bereiche in der Nähe von Teilen der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite, die sich mit dem Separator 4A und dem Rahmen 6 verbinden, verformen, um den Formen der Verbindungsteile zu folgen.
Ferner, werden sich, wenn die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite sich verformt, bestimmte Bereiche in der Nähe von Teilen der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite, die sich mit dem Separator 4B und dem Rahmen 6 verbinden, verformen, um den Formen der Verbindungsteile zu folgen.
Darüber hinaus wird, sogar wenn bestimmte Teile der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite in einem Zustand freiliegen, in dem die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite noch nicht verformt wurden, der freiliegende Bereich durch Verformung der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite mit den Gasdiffusionsschichten bedeckt.
Dementsprechend werden die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite nicht den Reaktionsgasen ausgesetzt und somit wird die Beständigkeit der Elektrolytmembran 31 verbessert.
Ferner können Bereiche der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite, die zur Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 1 beitragen, vergrößert werden und somit wird es möglich, den aktiven Leistungserzeugungsbereich in der Brennstoffzelle 1 zu vergrößern.
Darüber hinaus wird es auch möglich, eine Querleckage in den freiliegenden Bereichen der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite zu unterdrücken.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird der Stapel 2 durch das Paar von Separatoren 4A und 4B heruntergedrückt und folglich werden die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite verformt, um in engen Kontakt mit dem Rahmen 6 zu kommen, wodurch die Hauptflächen des Rahmens 6 an entsprechenden Seiten der Separatoren abgedeckt werden. Dementsprechend können Räume, die durch den Rahmen 6 und die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite gebildet werden, verhindert werden, um die Verschlechterung des Zustands der Elektrolytmembran 31 zu unterbinden.
(Zweite Ausführungsform)
Die zweite Ausführungsform wird basierend auf 5A und 5B beschrieben.
5A und 5B sind Querschnitte von Teilen von Bereichen der Brennstoffzellen 1, die der Linie A-A in 3 entsprechen.
In 5A und 5B werden die gleichen Elemente, die in 4A und 4B gefunden werden, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf ihre Beschreibungen wird verzichtet.
Nun sei H1A eine mittlere Dicke eines Innenrandteils 6g des Rahmens 6 von der Elektrolytmembran 31 zur Fläche des Innenrandteils 6g, die dem Separator 4A zugewandt ist; und H2A sei eine mittlere Dicke der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite von der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite zur Fläche der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite, die dem Separator 4A zugewandt ist. Dann ist einem Zustand, in dem der Stapel 2 mit einem bestimmten Druck zwischen den Separatoren 4A und 4B gehalten wird, wie in 5B gezeigt, H1A < H2A.
Das heißt, in einem Zustand, in dem der Stapel 2 nicht mit einem bestimmten Druck zwischen den Separatoren 4A und 4B gehalten wird, wie in 5A gezeigt, ist eine mittlere Dicke H4A der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite von der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite zur Fläche der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite, die dem Separator 4A zugewandt ist, größer als eine mittlere Dicke H3A des Rahmens 6 von der Elektrolytmembran 31 zur Fläche des Rahmens 6, die dem Separator 4A zugewandt ist.
Das gleiche Verhältnis zwischen den Dicken findet sich auf der Seite, an der die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite vorhanden ist.
Das heißt, H1B sei eine mittlere Dicke eines Innenrandteils 6g des Rahmens 6 von der Elektrolytmembran 31 zur Fläche des Innenrandteils 6g, die dem Separator 4B zugewandt ist; und H2A sei eine mittlere Dicke der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite von der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite zur Fläche der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite, die dem Separator 4B zugewandt ist. Dann ist in einem Zustand, in dem der Stapel 2 mit einem bestimmten Druck zwischen den Separatoren 4A und 4B gehalten wird, wie in 5B gezeigt, H1B < H2A.
Das heißt, in einem Zustand, in dem der Stapel 2 nicht mit einem bestimmten Druck zwischen den Separatoren 4A und 4B gehalten wird, wie in 5A gezeigt, ist eine mittlere Dicke H4B der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite von der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite zur Fläche der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite, die dem Separator 4B zugewandt ist, größer als eine mittlere Dicke H3B des Rahmens 6 von der Elektrolytmembran 31 zur Fläche des Rahmens 6, die dem Separator 4B zugewandt ist.
Gemäß der vorhergehenden Ausgestaltung werden neben den Vorteilen, die in der ersten Ausführungsform erhalten werden, seitliche Flächen 41A und 41B der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite zuverlässig in engen Kontakt mit den Innenflächen 6A und 6B des Rahmens 6 gebracht und somit werden die Hauptflächen der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite zuverlässig mit der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite beziehungsweise der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite abgedeckt. Dementsprechend kann die Verschlechterung des Zustands der Elektrolytmembran 31 aufgrund der Exposition gegenüber den Reaktionsgasen zuverlässig unterbunden werden.
(Dritte Ausführungsform)
Die dritte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 6A bis 6D beschrieben.
6A bis 6D sind Querschnitte, die schematisch Schritte in einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle 1 gemäß der Offenbarung beschreiben.
Wie in 6A gezeigt, werden eine Elektrolytmembran 31, eine Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite, die auf einer Hauptfläche der Elektrolytmembran 31 platziert ist, und eine Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer anderen Hauptfläche der Elektrolytmembran 31 platziert ist, bereitgestellt.
Dann wird ein Rahmen 6 bereitgestellt, derart, dass er die Außenumfänge einer Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und einer Gasdiffusionsschicht 40B auf einer Oxidationsmittelseite umgibt.
Dann wird, wie in 6B gezeigt, ein Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite auf einer Hauptfläche des Rahmens 6 benachbart zur Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite platziert, und ein Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite wird auf einer anderen Hauptfläche des Rahmens 6 benachbart zur Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite platziert.
Ferner wird eine Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite platziert und eine Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite wird auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite platziert.
So wird ein Stapel 2 gebildet.
Dementsprechend wird bewirkt, dass eine seitliche Fläche 41A der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und eine seitliche Fläche 41b der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite den Innenflächen 6A und 6B des Rahmens 6 zugewandt sind.
Dann wird, wie in 6C gezeigt, ein Separator 4A auf einer Hauptfläche 42A der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite auf der Seite platziert, die der Einheit 30 gegenüberliegt, und ein anderer Separator 4B wird auf einer Hauptfläche 42B der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite auf der der Einheit 30 gegenüberliegenden Seite platziert.
Dann werden, während ein bestimmter Druck auf ein Paar von Separatoren 4A und 4B angewandt wird, wie in 6D gezeigt, die Vorsprünge 20A und 20B, die in 6C gezeigt sind, heruntergedrückt.
Dementsprechend wird bewirkt, dass sich die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite verformen. Folglich sind die Innenränder 6g des Rahmens 6 mit der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite bedeckt und so werden die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite gegen den Rahmen 6 gedrückt.
Dann wird die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite gegen die Innenfläche 11A des Dichtungselements auf der Brennstoffseite gedrückt und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite wird gegen die Innenfläche 11B des Dichtungselements auf der Oxidationsmittelseite gedrückt, derart, dass keine Räume zwischen der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite beziehungsweise zwischen der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite gebildet werden.
Das heißt, Teile der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite, die von dem Bereich zwischen der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite hervorstehen, wenn der Stapel 2 nicht mit einem bestimmten Druck zwischen dem Paar von Separatoren 4A und 4B gehalten wird, können mit der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite bedeckt werden, derart, dass die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite beziehungsweise die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite und die Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite gegeneinander gedrückt werden, um keine Räume dazwischen zu bilden.
Basierend auf den vorhergehenden Schritten kann eine Brennstoffzelle 1 hergestellt werden.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird der Stapel 2 durch das Paar von Separatoren 4A und 4B heruntergedrückt, die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite werden verformt, um gegen den Rahmen 6 gedrückt zu werden und somit die entsprechenden Hauptflächen des Rahmens 6 an den den Separatoren benachbarten Seiten abzudecken. Infolgedessen kann eine Brennstoffzelle 1, die eine Struktur aufweist, die es ermöglicht, die Bildung eines Raums zwischen dem Rahmen 6 und der Katalysatorschicht 32A auf der Brennstoffseite oder der Katalysatorschicht 32B auf der Oxidationsmittelseite zu verhindern, basierend auf Herstellungsprozessen bereitgestellt werden, die eine geringere Anzahl von Schritten aufweisen. Im Vergleich dazu wird ein solcher Raum möglicherweise im herkömmlichen Stand der Technik gebildet.
Wie vorhergehend beschrieben, sind gemäß der dritten Ausführungsform keine spezifischen Elemente zum Verhindern der Bildung des vorhergehend genannten Raums erforderlich und eine Brennstoffzelle 1 kann basierend auf der vorhergehend beschriebenen einfachen Struktur hergestellt werden.
(Vierte Ausführungsform)
Die vierte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 7A bis 7E beschrieben.
Figur 7Abis 7E sind vergrößerte Querschnitte von Innenflächen von Dichtungselementen in einer Brennstoffzelle 1 gemäß der Offenbarung.
Wenn Brennstoffzellen basierend auf den in der ersten bis dritten Ausführungsform beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden, wird bewirkt, dass die Gasdiffusionsschichten 40A auf der Brennstoffseite gegen die Dichtungselemente 10A auf der Brennstoffseite gedrückt werden.
In diesem Fall wird vorzugsweise bewirkt, dass die Gasdiffusionsschicht 40A starr oder stark gegen die Dichtungselemente 10A auf der Brennstoffseite drücken.
Die Form in diesem Fall ist in 7A bis 7E gezeigt.
7A zeigt einen Fall, in dem die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite auf das Mindestniveau drückt.
Die Innenfläche 11A des Dichtungselements auf der Brennstoffseite ist vertikal zu der Elektrolytmembran 31 oder dem Rahmen 6.
Die Form, die in 7A gezeigt ist, bringt die gleichen Effekte wie 4B, 5B und 6D mit sich.
7B zeigt einen Fall, in dem die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite über das Mindestniveau drückt.
Die Innenfläche 11A des Dichtungselements auf der Brennstoffseite ist gegen die Elektrolytmembran 31 oder den Rahmen 6 geneigt.
Im Vergleich zu dem Fall, in dem die Innenfläche 11A vertikal zu der Elektrolytmembran 31 oder dem Rahmen 6 ist, wird der Kontaktbereich vergrößert und somit werden die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite starr gegeneinander gedrückt, wenn die Innenfläche 11A gegen die Elektrolytmembran 31 oder den Rahmen 6 geneigt ist.
In Bezug auf die Neigungsrichtung dringt die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite auf der Seite, an der der Separator 4A vorhanden ist, tiefer in das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite ein.
7C zeigt einen Fall, in dem die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite drückt und die Gasdiffusionsschicht 40B auf der Oxidationsmittelseite das Dichtungselement 10B auf der Oxidationsmittelseite auf das Mindestniveau drückt.
Das Niveau (die Position) der Innenfläche 11A des Dichtungselements auf der Brennstoffseite unterscheidet sich von dem Niveau (der Position) der Innenfläche 11B des Dichtungselements auf der Oxidationsmittelseite.
Dies ist so, weil zum Beispiel die entsprechenden Druckkräfte sich voneinander unterscheiden können oder Einflüsse der Schwerkraft vorliegen können.
Da die Niveaus (Positionen) nicht symmetrisch sind, werden die Lasten nicht auf bestimmten Punkten konzentriert.
Beide Innenflächen werden das gleiche Haftungsniveau aufweisen.
7D zeigt einen Fall, in dem die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite über das Mindestniveau drückt.
Eine Ecke des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite, die sich um den Außenrand der Innenfläche 11A herum befindet, ist rund.
In der vorhergehenden Ecke steht die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite zur Seite hervor, an der das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite vorhanden ist.
In diesem Fall wird auf der Innenfläche 11A des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite der Kontaktbereich vergrößert und die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite haften fester aneinander.
7E zeigt einen Fall, in dem die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite über das Mindestniveau drückt.
Ein Teil der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite ist auf einer oberen Fläche des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite, d. h. der Fläche, die dem Separator 4A benachbart ist, verteilt und somit ist ein Teil der Innenfläche 11A des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite dem Separator 4A durch den Teil der Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite zugewandt.
In diesem Fall wird der Kontaktbereich über der Innenfläche des Dichtungselements 10A auf der Brennstoffseite vergrößert und somit haften die Gasdiffusionsschicht 40A auf der Brennstoffseite und das Dichtungselement 10A auf der Brennstoffseite starrer und fester aneinander.
Des Weiteren ist in dieser Ausführungsform die Brennstoffseite vorhergehend unter Bezugnahme auf 7A, 7B, 7D und 7E beschrieben. Das gleiche gilt für eine Struktur der Brennstoffzelle auf der Oxidationsmittelseite.
Die in 7A, 7B, 7D und 7E beschriebenen Strukturen können auf der Brennstoffseite und der Oxidationsmittelseite kombiniert werden.
Durch Annehmen der Struktur, die in 7B bis 7E beschrieben ist, können Brennstoffzellen ausgeführt werden, die im Vergleich zu der Struktur, die in 7A beschrieben ist, höhere Haftungsgrade der internen Elemente aufweisen.
Darüber hinaus können einige von den verschiedenen vorhergehenden Ausführungsformen/Varianten auf zweckmäßige Art und Weise kombiniert werden, um die entsprechenden Vorteile oder Effekte zu erreichen, die die ausgewählten Ausführungsformen/Varianten mit sich bringen.
Ferner sind nicht nur Kombinationen von Ausführungsformen oder Beispielen und Kombinationen von Ausführungsformen und Beispielen möglich, sondern es sind auch Kombinationen von bestimmten Merkmalen/Elementen möglich, die in verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen angetroffen werden.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen gemäß der Offenbarung sind als Leistungsversorgungen, insbesondere für verschiedene Typen von im Handel oder industriell anwendbaren Produkten und Ausrüstungen (z. B. Haushalts-Kraft-Wärme-Kopplungssysteme, Fahrzeuge) anwendbar. Sie können auch als tragbare Leistungsversorgungen eingesetzt werden. Ferner können Herstellungsverfahren gemäß der Offenbarung in verschiedenen Typen von Herstellungsindustrien eingesetzt werden, die mit Leistungsversorgungen, Batterien und den vorhergehenden Produkten und Ausrüstungen verbunden sind.
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 2008177001 A [0014]
JP 2008 A [0015]
JP 177001 [0015]
JP 2016103390 A [0019]

Claims

Brennstoffzelle, die Folgendes umfasst: (i) eine Elektrolytmembran; (ii) eine Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite, die auf einer Fläche der Elektrolytmembran platziert ist; (iii) eine Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer anderen Fläche der Elektrolytmembran platziert ist; (iv) eine Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite, die auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite platziert ist; (v) eine Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite, die auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist; (vi) ein Paar Separatoren, die die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite dazwischen halten; (vii) einen Rahmen, der Außenumfänge der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite umgibt; (viii) ein Dichtungselement auf der Brennstoffseite, das auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite platziert ist; und (ix) ein Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite, das auf einer Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist, wobei die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite einen Innenrand des Rahmens abdecken und fest an dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite beziehungsweise an dem Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite gehaftet sind, derart, dass keine Räume zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite und der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite bereitgestellt werden.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine mittlere Dicke der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite größer als eine mittlere Dicke des inneren Randes des Rahmens ist und eine mittlere Dicke der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite größer als eine mittlere Dicke auf dem inneren Rand des Rahmens ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Grenzfläche zwischen dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite vertikal zu dem Rahmen oder der Elektrolytmembran ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Grenzfläche zwischen dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite gegen den Rahmen oder die Elektrolytmembran geneigt ist und die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite in das Dichtungselement auf der Brennstoffseite eindringt, um geneigt zu sein.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite in einen Teil des Dichtungselements auf der Brennstoffseite in der Nähe von einem der Separatoren eindringt, der der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite benachbart ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite in einen Bereich zwischen dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite und einem der Separatoren eindringt, der der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite benachbart ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der Grenzfläche zwischen dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite und der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoff seite und mindestens ein Teil einer Grenzfläche zwischen dem Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite und der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite nicht vertikal zu dem Rahmen oder der Elektrolytmembran sind.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, das Folgendes umfasst: (i) Bereitstellen einer Schichtstruktur, die eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite, die sich auf einer Hauptfläche der Elektrolytmembran befindet, und eine Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite umfasst, die sich auf einer anderen Hauptfläche der Elektrolytmembran befindet; (ii) Bereitstellen eines Rahmens, um Außenumfänge der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite zu umgeben; (iii) Bereitstellen eines Dichtungselements auf der Brennstoffseite auf einer Hauptfläche des Rahmens benachbart zur Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite, und Bereitstellen eines Dichtungselements auf der Oxidationsmittelseite auf einer Hauptfläche des Rahmens benachbart zur Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite; (iv) Bereitstellen einer Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und Bereitstellen einer Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite auf einer Hauptfläche der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite; (v) Bereitstellen von einem Paar von den Separatoren, derart, dass einer der Separatoren auf einer anderen Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite platziert ist und der andere Separator auf einer anderen Hauptfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite platziert ist; (vi) Anwenden eines vorbestimmten Drucks auf das Paar von Separatoren, derart, dass die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite verformt werden, um einen Innenrand des Rahmens zu bedecken, wodurch bewirkt wird, dass die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite fest an dem Rahmen haften; (vii) ferner Bewirken, dass die Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und die Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite an dem Dichtungselement auf der Brennstoffseite und dem Dichtungselement auf der Oxidationsmittelseite, derart, dass keine Räume zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Brennstoffseite und der Katalysatorschicht auf der Brennstoffseite und zwischen der Gasdiffusionsschicht auf der Oxidationsmittelseite und der Katalysatorschicht auf der Oxidationsmittelseite bereitgestellt werden.