DE102018131092A1

DE102018131092A1 - Membranelektrodeneinrichtung

Info

Publication number: DE102018131092A1
Application number: DE102018131092.7A
Authority: DE
Inventors: Hee Jin Woo; Ki Sub Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-03-05
Also published as: CN110875485B; KR20200027352A; US20200075982A1; US10886550B2; CN110875485A; KR102602415B1

Abstract

Eine Membranelektrodeneinrichtung (1), aufweisend: eine Elektrolytmembran (50), eine Katalysatorelektrodenschicht (100), welche eine Kathode-Katalysatorelektrode (100a), die auf der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, und eine Anode-Katalysatorelektrode (100b), die unter der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, aufweist, und eine Sub-Dichtung (200), welche an der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, so dass sie mit einem Rand der Katalysatorelektrodenschicht (100) in Berührung steht. Jede der Sub-Dichtungen (200) weist ein Feuchtigkeitsablassloch (205) auf, welches die Sub-Dichtung (200) durchdringt, so dass ein Abschnitt der Elektrolytmembran (50) nach außen hin freigelegt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Membranelektrodeneinrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Membranelektrodeneinrichtung, welche ein Feuchtigkeitsablassloch zum Entfernen von in einer Elektrolytmembran erzeugten Feuchtigkeit aufweist.
Hintergrund
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, welche Elektrizität durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, welche Reaktionspartner sind, erzeugt. Eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (kurz PEMFC, abgeleitet vom Englischen „Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell“), welche eine Polymermembran, die die Permeation von Wasserstoffionen erlaubt, als einen Elektrolyten verwendet, ist eine Hochleistungsbrennstoffzelle mit einer höheren Stromdichte als andere Brennstoffzellen. Die PEMFC kann bei einer Temperatur von 100°C oder weniger betrieben werden und weist eine einfache Struktur auf. Außerdem ist die PEMFC auf diverse Anwendungsfelder anwendbar, wie zum Beispiel Energiequellen von Null-Emission-Fahrzeugen, verteilte örtliche Energieerzeugungsanlagen, Energiequellen zur militärischen Nutzung, Energiequellen für Raumschiffe und dergleichen. Die PEMFC ist dahingehend einer Batterie ähnlich, dass sie Elektrizität durch chemische Reaktion erzeugt. Da die Brennstoffzelle jedoch, anders als eine Batterie, Wasserstoff und Sauerstoff, welche Reaktionsmaterialien sind, von außerhalb erhält, erfordert sie keine Aufladung und kann kontinuierlich Elektrizität erzeugen, so lange ihr Brennstoff zugeführt wird. Da zudem die Brennstoffzelle, anders als konventionelle Brennkraftmaschinen, Energie ohne eine Kraftstoffverbrennungsreaktion erzeugt, gibt es keine Emission von giftigen Schadstoffen, wie zum Beispiel Schwefel oder Stickoxid, und wird die Emission von Kohlenstoffdioxid drastisch reduziert. Daher hat eine Brennstoffzelle jüngst Aufmerksamkeit als eine schadstoffarme und hocheffiziente Energiequelle der nächsten Generation erlangt.
Jedoch kann Feuchtigkeit in einer Elektrolytmembran während elektrochemischer Reaktion erzeugt werden, was die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verschlechtern kann. Im Allgemeinen wird Feuchtigkeit durch eine Gasdiffusionsschicht, welche über und unter einer Katalysatorelektrodenschicht angeordnet ist, ausgelassen, jedoch kann sich Feuchtigkeit, welche innerhalb der Elektrolytmembran erzeugt wird, auf der Oberfläche der Elektrolytmembran ansammeln.
Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich dem Verbessern des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, welche nicht zum Stand der Technik, wie er dem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist, gehören.
Erläuterung der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung wurde in einem Bestreben getätigt, die vorstehend beschriebenen Probleme, welche mit dem Stand der Technik zusammenhängen, zu beheben, und es ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung eine Membranelektrodeneinrichtung, welche ein Feuchtigkeitsablassloch zum Auslassen von Feuchtigkeit, welche sich zwischen einer Elektrolytmembran und einer Sub-Dichtung ansammelt, aufweist, zu schaffen.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Membranelektrodeneinrichtung bereit, welche aufweist: eine Elektrolytmembran; eine Katalysatorelektrodenschicht, welche eine Kathode-Katalysatorelektrode, die auf der Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Anode-Katalysatorelektrode, die unter der Elektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; und eine Sub-Dichtung, welche auf und unter der Elektrolytmembran angeordnet ist, so dass sie mit dem Rand der Katalysatorelektrodenschicht in Berührung steht, wobei die Sub-Dichtung ein Feuchtigkeitsablassloch aufweist, welches die Sub-Dichtung durchdringt, so dass ein Abschnitt der Elektrolytmembran nach außen hin freigelegt ist.
Das Feuchtigkeitsablassloch kann angeordnet sein, so dass es von dem Rand der Katalysatorelektrodenschicht im Abstand angeordnet ist.
Die Membranelektrodeneinrichtung kann ferner einen oberen Separator und einen unteren Separator aufweisen, welche jeweilig über und unter der Sub-Dichtung angeordnet sind. Jeder von dem oberen Separator und dem unteren Separator kann mit einem Separator-Gasauslassloch versehen sein, und das Separator-Gasauslassloch kann weiter von der Katalysatorelektrodenschicht entfernt angeordnet sein als das Feuchtigkeitsablassloch.
Die Sub-Dichtung kann eine obere Sub-Dichtung, welche auf der Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine untere Sub-Dichtung, welche unter der Elektrolytmembran angeordnet ist, aufweisen. Das Feuchtigkeitsablassloch kann ein oberes Feuchtigkeitsablassloch, welches in der oberen Sub-Dichtung ausgebildet ist, und ein unteres Feuchtigkeitsablassloch, welches in der unteren Sub-Dichtung ausgebildet ist, aufweisen. Jedes von dem oberen Feuchtigkeitsablassloch und dem unteren Feuchtigkeitsablassloch kann in einer Mehrzahl vorgesehen sein.
Das obere Feuchtigkeitsablassloch und das untere Feuchtigkeitsablassloch können so angeordnet sein, dass sie einander vertikal nicht überlappen.
Das obere Feuchtigkeitsablassloch und das untere Feuchtigkeitsablassloch können asymmetrisch angeordnet sein.
Das obere Feuchtigkeitsablassloch und das untere Feuchtigkeitsablassloch können in einer Richtung, in welcher sich die Elektrolytmembran erstreckt, abwechselnd über und unter der Elektrolytmembran angeordnet sein.
Die Membranelektrodeneinrichtung kann ferner eine Hauptdichtung und einen Separator, welche nacheinander an der Sub-Dichtung angeordnet sind, aufweisen. Die Hauptdichtung kann eine Mehrzahl von Dichtungsvorsprüngen, welche sich hin zur Katalysatorelektrodenschicht erstrecken, aufweisen. Die Dichtungsvorsprünge können sich in einer Richtung, welche senkrecht zur Richtung von der Hauptdichtung zum Separator ist, erstrecken.
Das Feuchtigkeitsablassloch kann zwischen benachbarten von den Dichtungsvorsprüngen angeordnet sein.
Die Membranelektrodeneinrichtung kann ferner einen Stromsammler, welcher über dem Separator vorgesehen ist, aufweisen. Der Stromsammler kann einen Sauerstoff-Verteilerkanal, einen Wasserstoff-Verteilerkanal und einen Kühlmittel-Verteilerkanal aufweisen. In der Draufsicht betrachtet kann das Feuchtigkeitsablassloch zwischen dem Sauerstoff-Verteilerkanal und der Katalysatorelektrodenschicht und zwischen dem Wasserstoff-Verteilerkanal und der Katalysatorelektrodenschicht angeordnet sein.
Weitere Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung werden nachstehend diskutiert.
Figurenliste
Die obigen und weitere Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben, welche in den beigefügten Zeichnungen, die nachstehend lediglich in veranschaulichender Weise angegeben sind und somit einschränkend für die vorliegende Offenbarung sind, dargestellt sind und wobei:

1 eine Draufsicht ist, welche eine Membranelektrodeneinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt,
2 eine Querschnittansicht entlang Linie A-A' in 1 ist,
3 eine Ansicht ist, welche ein Feuchtigkeitsablassloch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt,
4 eine Ansicht ist, welche einen Pfad zeigt, entlang welchem Feuchtigkeit durch das Feuchtigkeitsablassloch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgelassen wird,
5 eine Ansicht ist, welche eine Hauptdichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, und
6 eine Ansicht ist, welche das Prinzip des Auslassens von Feuchtigkeit durch das Feuchtigkeitsablassloch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Es ist zu verstehen, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellungsweise von verschiedenen Eigenschaften darstellen, um die Grundprinzipien der Erfindung aufzuzeigen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, einschließlich z.B. konkrete Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, wie sie hierin offenbart sind, werden teilweise von der jeweiligen geplanten Anwendung und Nutzungsumgebung vorgegeben.
In den Figuren beziehen sich, durchgehend durch zahlreiche Figuren der Zeichnung, Bezugszeichen auf gleiche oder gleichwertige Bauteile der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung und Verfahren zum Erreichen eben dieser werden aus den nachstehend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen verdeutlicht. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen realisiert werden und sollte nicht als auf die hierin ausgeführten Ausführungsformen beschränkt interpretiert werden. Diese Ausführungsformen sind vielmehr bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich und vollständig wird und den Umfang der Offenbarung vollständig jenen Fachleuten in der Technik vermitteln wird. Die vorliegende Offenbarung ist lediglich durch den Umfang der Ansprüche definiert. Die gleichen Bezugszeichen, welche durchgehend durch die Beschreibung verwendet werden, beziehen sich auf die gleichen Bestandteile.
Beispielhafte Ausführungsformen in der Beschreibung werden unter Bezugnahme auf Querschnittsansichten und/oder Draufsichten, welche ideale beispielhafte Ansichten der vorliegenden Offenbarung sind, beschrieben. In den Zeichnungen können die Dicke von Filmen und Bereichen übertrieben sein, um technische Inhalte effektiv zu erläutern. Folglich können die in den Zeichnungen gezeigten Formen durch Fertigungstechnologien und/oder zulässige Fehler verändert sein. Die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind daher nicht auf die spezifischen Formen, welche in den Zeichnungen gezeigt sind, beschränkt, sondern umfassen Abwandlungen hinsichtlich der Gestalt in Abhängigkeit von einem Fertigungsvorgang. Beispielsweise kann ein Ätzbereich, welcher als einen rechten Winkel aufweisend dargestellt ist, abgerundet sein oder eine vorbestimmte Krümmung aufweisen. Die in den Zeichnungen beispielhafte dargestellten Bereiche weisen somit schematische Eigenschaften auf, und die Formen der in den Zeichnungen gezeigten Bereiche dienen lediglich dazu, bestimmte Formen von Elementen darzustellen, jedoch nicht dazu, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
1 ist eine Draufsicht, welche eine Membranelektrodeneinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, und 2 ist eine Querschnittansicht entlang Linie A-A' in 1.
Bezugnehmend auf 1 und 2 kann eine Membranelektrodeneinrichtung 1 eine Elektrolytmembran 50, eine Katalysatorelektrodenschicht 100, eine Sub-Dichtung 200, eine Hauptdichtung 300, einen Separator 400 und einen Stromsammler 500 aufweisen. Die Membranelektrodeneinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) sein, welche eine Polymermembran, die die Permeation von Wasserstoffionen erlaubt, als einen Elektrolyten nutzt. Die Membranelektrodeneinrichtung 1 kann elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen.
Die Elektrolytmembran 50 kann eine Polymerelektrolytmembran, welche es nur Wasserstoffionen erlaubt, hindurch zu dringen, sein. Die Elektrolytmembran 50 kann sowohl als eine Elektronenblockierungsmembran als auch als ein Wasserstoffionenleiter innerhalb der Brennstoffzelle dienen.
Die Katalysatorelektrodenschicht 100 kann auf und unter der Elektrolytmembran 50 angeordnet sein. Die Katalysatorelektrodenschicht 100 kann eine Kathode-Katalysatorelektrode 100a, welche auf der Elektrolytmembran 50 angeordnet ist, und eine Anode-Katalysatorelektrode 100b, welche unter der Elektrolytmembran 50 angeordnet ist, aufweisen. Die Anode-Katalysatorelektrode 100b kann Wasserstoff, welcher ein Brennstoff ist, in Elektronen und Wasserstoffionen mittels einer Oxidationsreaktion zersetzen. Die zersetzten Wasserstoffionen können hin zur Kathode-Katalysatorelektrode 100a mittels der Elektrolytmembran 50 bewegt werden. Die Kathode-Katalysatorelektrode 100a kann dazu fungieren, Feuchtigkeit und Wärme durch eine Reduktionsreaktion zwischen den Elektronen und Wasserstoffionen, welche von der Anode-Katalysatorelektrode 100b transportiert werden, und Sauerstoff zu erzeugen.
Die Sub-Dichtung 200 kann eine obere Sub-Dichtung 200a, welche auf der Elektrolytmembran 50 angeordnet ist, und eine untere Sub-Dichtung 200b, welche unter der Elektrolytmembran 50 angeordnet ist, aufweisen. Beispielsweise kann die Sub-Dichtung 200 aus einem Polymermaterial, zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyimid (PI) oder Polypropylene (PP), ausgebildet sein und/oder ein mit dem Polymermaterial beschichtetes Material sein. Die Sub-Dichtung 200 kann angeordnet sein, so dass sie in Berührung mit dem Rand der Katalysatorelektrodenschicht 100 steht und so dass sie die Katalysatorelektrodenschicht 100 nach außen hin freilegt. Das heißt, ein Abschnitt der oberen Sub-Dichtung 200a kann in Berührung mit dem Randabschnitt der oberen Fläche der Kathode-Katalysatorelektrode 100a stehen und ein Abschnitt der unteren Sub-Dichtung 200b in Berührung mit dem Randabschnitt der oberen Fläche der Anode-Katalysatorelektrode 100b stehen kann. In der Draufsicht betrachtet kann die Sub-Dichtung 200 angeordnet sein, so dass sie die Katalysatorelektrodenschicht 100 umgibt.
Die Sub-Dichtung 200 kann mit einem Feuchtigkeitsablassloch 205 versehen sein. Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann die Sub-Dichtung 200 durchdringen, und die Elektrolytmembran 50 kann durch das Feuchtigkeitsablassloch 205 exponiert sein. Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann angeordnet sein, so dass es vom Rand der Katalysatorelektrodenschicht 100 im Abstand angeordnet ist. Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann Feuchtigkeit, welche in der Elektrolytmembran 50 während elektrochemischer Reaktion erzeugt wird, auslassen. Die in der Elektrolytmembran 50 erzeugte Feuchtigkeit wird üblicherweise durch eine Gasdiffusionsschicht 250 von der Oberseite der Katalysatorelektrodenschicht 100 aus nach außerhalb ausgelassen. Jedoch kann sich die Feuchtigkeit innerhalb der Elektrolytmembran 50, welche hydrophil ist, in der Richtung, in welcher sich die Elektrolytmembran 50 erstreckt, bewegen. Falls die Feuchtigkeit sich innerhalb der Elektrolytmembran 50 horizontal bewegt, kann die Feuchtigkeit einen Abschnitt, welcher durch die Sub-Dichtung 200 abgedeckt ist, durchdringen. Falls ferner ein Spalt zwischen der Sub-Dichtung 200 und der Elektrolytmembran 50 vorhanden ist, kann die Feuchtigkeit in den Spalt eingebracht und darin gesammelt werden. Dementsprechend kann ein Anschwell-Phänomen zwischen der Sub-Dichtung 200 und der Elektrolytmembran 50 aufgrund einer Ansammlung von Wasser auftreten, was die Schnittstellenverbindungskraft zwischen der Sub-Dichtung 200 und der Elektrolytmembran 50 verringern kann. Außerdem können Blasen, welche aufgrund des Anschwell-Phänomens anschwellen, das gleichmäßige Einströmen und Ausströmen von Sauerstoff und Wasserstoff unterbinden, was die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verschlechtern kann. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann daher das Feuchtigkeitsablassloch 205 die Sub-Dichtung 200 durchdringen und dazu dienen, Feuchtigkeit, welche zwischen der Sub-Dichtung 200 und der Elektrolytmembran 50 vorhanden ist, nach außerhalb auszulassen.
Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann ein oberes Feuchtigkeitsablassloch 205a, welches in der oberen Sub-Dichtung 200a ausgebildet ist, und ein unteres Feuchtigkeitsablassloch 205b, welcher in der unteren Sub-Dichtung 200b ausgebildet ist, umfassen. Jedes von dem oberen Feuchtigkeitsablassloch 205a und dem unteren Feuchtigkeitsablassloch 205b kann in einer Mehrzahl vorgesehen sein. Das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b können derart angeordnet sein, dass sie einander vertikal nicht überlappen.
Die Gasdiffusionsschicht 250 kann an der Kathode-Katalysatorelektrode 100a und an der Anode-Katalysatorelektrode 100b angeordnet sein. Die Gasdiffusionsschicht 250 kann an der Sub-Dichtung 200 angeordnet sein, so dass sie ein direktes Berühren der Katalysatorelektrodenschicht 100 vermeidet. Die Gasdiffusionsschicht 250 kann aus einem porösen Medium mit hoher Porosität ausgebildet sein, um es dem Reaktionsgas und der erzeugten Feuchtigkeit zu erlauben, einfach durch sie hindurch zu strömen. Beispielsweise kann die Gasdiffusionsschicht 250 aus einer Kohlefaser und einem polytetratfluorethylen-(PTFE-)basierten hydrophoben Material ausgebildet sein.
Die Hauptdichtung 300 kann zwischen der Sub-Dichtung 200 und dem Separator 400 angeordnet sein, um den Separator 400 abzustützen. Die Hauptdichtung 300 kann eine Mehrzahl von Dichtungsvorsprüngen 310, welche sich hin zur Katalysatorelektrodenschicht 100 erstreckt, aufweisen. Die Dichtungsvorsprünge 310 können sich in eine Richtung, welche senkrecht zur Richtung von der Hauptdichtung 300 aus zum Separator 400 hin ist, erstrecken. In der Draufsicht betrachtet (siehe 1) kann das Feuchtigkeitsablassloch 205 zwischen zwei benachbarten von den Dichtungsvorsprüngen 310 angeordnet sein. Das heißt, eine Mehrzahl von Feuchtigkeitsablasslöchern 205 kann zwischen einer Mehrzahl von Dichtungsvorsprüngen 310 angeordnet sein. Außerdem kann ein Separator-Gasauslassloch 405 zwischen zwei benachbarten von den Dichtungsvorsprüngen 310 angeordnet sein. Das Separator-Gasauslassloch 405 kann zwischen dem Feuchtigkeitsablassloch 205 und der Hauptdichtung 300 angeordnet sein. Das heißt, das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann näher an der Katalysatorelektrodenschicht 100 als das Separator-Gasauslassloch 405 angeordnet sein. Das heißt, das Separator-Gasauslassloch 405 kann weiter von der Katalysatorelektrodenschicht 100 entfernt als das Feuchtigkeitsablassloch 205 angeordnet sein. Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann benachbart zum Separator-Gasauslassloch 405 angeordnet sein.
Der Separator 400 kann einen Strömungspfad, durch welchen Brennstoff oder Luft strömt, um Brennstoff oder Luft der Katalysatorelektrodenschicht 100 und der Elektrolytmembran 50 zuzuführen, bereitstellen. Außerdem kann der Separator 400 dazu dienen, ein erzeugtes Produkt, wie zum Beispiel Wasser nach der elektrochemischen Reaktion nach außen hin auszulassen. Der Separator 400 kann an der Gasdiffusionsschicht 250 angeordnet sein und kann an jeder von der oberen Sub-Dichtung 200a und der unteren Sub-Dichtung 200b vorgesehen sein. Der Separator 400 kann ein Separator-Gasauslassloch 405 aufweisen, so dass Brennstoff oder Luft dadurch eingeleitet oder ausgelassen werden können. Das Separator-Gasauslassloch 405 kann ein oberes Separator-Gasauslassloch 405a, welches bei der oberen Sub-Dichtung 205a angeordnet ist, und ein unteres Separator-Gasauslassloch 405b, welches bei der unteren Sub-Dichtung 200b angeordnet ist, aufweisen. Das Separator-Gasauslassloch 405 kann zwischen zwei benachbarten von den Dichtungsvorsprüngen 310 angeordnet sein.
Der Stromsammler 500 kann an dem Separator 400 angeordnet sein. Der Stromsammler kann an jeder von der oberen Sub-Dichtung 200a und der unteren Sub-Dichtung 200b angeordnet sein. Der Stromsammler 500 kann einen Verteilerkanal 550 aufweisen, um Brennstoff oder Luft an die Katalysatorelektrodenschicht 100 und die Elektrolytmembran 50 zu liefern. Der Verteilerkanal 550 kann einen Sauerstoff-Verteilerkanal 520, durch welchen Sauerstoff zugeführt wird, einen Kühlmittel-Verteilerkanal 530, durch welchen Kühlmittel zugeführt wird, und einen Wasserstoff-Verteilerkanal 540, durch welchen Wasserstoff zugeführt wird, aufweisen. Bei Betrachtung in der Draufsicht, können der Sauerstoff-Verteilerkanal 520, der Kühlmittel-Verteilerkanal 530 und der Wasserstoff-Verteilerkanal 540 voneinander im Abstand angeordnet sein und von der Katalysatorelektrodenschicht 100 im Abstand angeordnet sein. In der Draufsicht betrachtet können ferner der Sauerstoff-Verteilerkanal 520, der Kühlmittel-Verteilerkanal 530 und der Wasserstoff-Verteilerkanal 540 in einer Richtung angeordnet sein, welche senkrecht zur Richtung, in welcher sich die Dichtungsvorsprünge 310 erstrecken, ist. In der Draufsicht betrachtet kann ferner das Feuchtigkeitsablassloch 205 zwischen dem Sauerstoff-Verteilerkanal 520 und der Katalysatorelektrodenschicht 100 und zwischen dem Wasserstoff-Verteilerkanal 540 und der Katalysatorelektrodenschicht 100 angeordnet sein. Hingegen kann das Feuchtigkeitsablassloch 205 nicht zwischen dem Kühlmittel-Verteilerkanal 530 und der Katalysatorelektrodenschicht 100 angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Feuchtigkeitsablassloch 205 benachbart zum Separator-Gasauslassloch 405 angeordnet sein, so dass Feuchtigkeit auf einfache Weise durch das in dem Separator 400 ausgebildete Separator-Gasauslassloch 405 ausgelassen werden kann. Da zudem das Feuchtigkeitsablassloch 205 die Sub-Dichtung 200 durchdringt, so dass die Elektrolytmembran 50 exponiert ist, ist es möglich, zu verhindern, dass Feuchtigkeit, welche durch die Poren der Elektrolytmembran 50 strömt, sich in einem bestimmten Bereich ansammelt. Das heißt, es ist aufgrund des Feuchtigkeitsablasslochs 205 möglich, die Erzeugung von Wasserblasen zwischen der Elektrolytmembran 50 und der Sub-Dichtung 200 zu verhindern. Da außerdem das Feuchtigkeitsablassloch 205 in jeder von der oberen Sub-Dichtung 200a und der unteren Sub-Dichtung 200b ausgebildet ist, kann die auf der oberen und der unteren Seite der Elektrolytmembran 50 erzeugte Feuchtigkeit gleichmäßig ausgelassen werden. Die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle kann somit verbessert werden.
3 ist eine Ansicht, welche das Feuchtigkeitsablassloch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Bezugnehmend auf 3 kann das Feuchtigkeitsablassloch 205 ein oberes Feuchtigkeitsablassloch 205a zum Freilegen der oberen Fläche 50a der Elektrolytmembran 50 und ein unteres Feuchtigkeitsablassloch 205b zum Freilegen der unteren Fläche 50b der Elektrolytmembran 50 aufweisen. Das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a kann Feuchtigkeit, die sich zwischen der oberen Fläche 50a der Elektrolytmembran 50 und der oberen Sub-Dichtung 200a ansammelt, auslassen, und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b kann Feuchtigkeit, die sich zwischen der unteren Fläche 50b der Elektrolytmembran 50 und der unteren Sub-Dichtung 200b ansammelt, auslassen. Der Querschnitt von jedem von dem oberen Feuchtigkeitsablassloch 205a und dem unteren Feuchtigkeitsablassloch 205b kann irgendeine von diversen Formen, wie beispielsweise einem Rechteck, einem Kreis, einem Dreieck, etc., haben.
Das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b können jeweilig an der oberen und der unteren Seite der Elektrolytmembran 50 angeordnet sein und können asymmetrisch angeordnet sein. Beispielsweise können das obere Feuchtigkeitsablassloch 205 und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b so angeordnet sein, dass sie einander nicht vertikal überlappen. Das heißt, das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b können abwechselnd in einer Querrichtung angeordnet sein. Die Querrichtung ist eine Richtung, welche senkrecht zur Richtung von der oberen Sub-Dichtung 200a zur unteren Sub-Dichtung 200b ist. Da das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b asymmetrisch angeordnet sind, sind der Weg, entlang welchem Feuchtigkeit, die bei der oberen Fläche 50a der Elektrolytmembran 50 erzeugt wird, strömt, und der Weg entlang welchem Feuchtigkeit, die bei der unteren Fläche 50b der Elektrolytmembran 50 erzeugt wird, strömt, voneinander verschieden, wodurch Feuchtigkeit effizienter ausgelassen wird. Da das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b asymmetrisch angeordnet sind, ist es außerdem möglich, das Einströmen und das Ausströmen von Gas durch die freigelegte Elektrolytmembran 50 zu verhindern. Falls das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b angeordnet sind, so dass sie sich vertikal überlappen, kann Feuchtigkeit durch eines von dem oberen Feuchtigkeitsablassloch 205a und dem unteren Feuchtigkeitsablassloch 205b ausgelassen werden, kann jedoch nicht durch das verbleibende Feuchtigkeitsablassloch ausgelassen werden. In diesem Fall kann Gas durch das Feuchtigkeitsablassloch, durch welches Feuchtigkeit nicht ausgelassen wird, eindringen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind jedoch das obere Feuchtigkeitsablassloch 205a und das untere Feuchtigkeitsablassloch 205b asymmetrisch angeordnet, so dass sie einander nicht vertikal überlappen, wodurch das Eindringen von Gas durch irgendeines von den Feuchtigkeitsablasslöchern verhindert wird.
4 ist eine Ansicht, welche den Pfad zeigt, entlang welchem Feuchtigkeit durch das Feuchtigkeitsablassloch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgelassen wird. Zur Einfachheit der Beschreibung wird der Feuchtigkeitsauslasspfad, welcher durch die auf der Elektrolytmembran 50 angeordneten Bauteile definiert ist, unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Der Feuchtigkeitsauslasspfad, welcher durch die unter der Elektrolytmembran 50 angeordneten Bauteile definiert ist, kann ähnlich dem Feuchtigkeitsauslasspfad, welcher durch die auf der Elektrolytmembran 50 angeordneten Bauteile definiert ist, sein.
Unter Bezugnahme auf 4 kann Feuchtigkeit durch elektrochemische Reaktion in der Elektrolytmembran 50 erzeugt werden. Die in der Elektrolytmembran 50 erzeugte Feuchtigkeit kann sich üblicherweise hin zum oberen Separator-Gasauslassloch 405a durch die Gasdiffusionsschicht 250 bewegen und kann dann nach außen ausgelassen werden. Ein Teil der in der Elektrolytmembran 50 erzeugten Feuchtigkeit bewegt sich jedoch horizontal innerhalb der Elektrolytmembran 50 und bewegt sich hin zum Abschnitt, an welchem die obere Sub-Dichtung 200a und die Elektrolytmembran 50 miteinander im Kontakt sind. Die Feuchtigkeit kann sich durch das oberen Feuchtigkeitsablassloch 205a, welches in der oberen Sub-Dichtung 200a ausgebildet ist, hin zum oberen Separator-Gasauslassloch 405 bewegen und kann dann ausgelassen werden. Um das Auslassen der Feuchtigkeit zu erleichtern können hierbei das obere Feuchtigkeitsablassloch 205 und das obere Separator-Gasauslassloch 405 benachbart zueinander angeordnet sein.
5 ist eine Ansicht, welche eine Hauptdichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 2 und 5 kann die Hauptdichtung 300 Durchgänge 420, 430 und 440 aufweisen, durch welche sich Sauerstoff, Kühlmittel und Wasserstoff, welche jeweilig durch den Sauerstoff-Verteilerkanal 520, den Kühlmittel-Verteilerkanal 540 und den Wasserstoff-Verteilerkanal 520, die in dem Stromsammler 500 ausgebildet sind, eingeleitet werden, bewegen. Die Durchgänge 420, 430 und 440 können einen ersten Durchgang 420, durch welchen sich Sauerstoff bewegt, einen zweiten Durchgang 430, durch welchen sich Kühlmittel bewegt, und einen dritten Durchgang 440, durch welchen sich Wasserstoff bewegt, aufweisen.
Die Hauptdichtung 300 kann einen Dichtungsvorsprung 310, welcher sich in eine Richtung erstreckt, aufweisen. Die Dichtungsvorsprünge 310 können in einer Mehrzahl vorgesehen sein, und das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann selektiv zwischen zwei benachbarten der Dichtungsvorsprünge 310 angeordnet sein. Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann so ausgebildet sein, dass es die Sub-Dichtung 200 durchdringt. Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann hier in dem Raum, welcher zwischen zwei Dichtungsvorsprünge 310 definiert ist, angeordnet sein.
Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann in dem Raum, welcher durch die Dichtungsvorsprünge 310, die benachbart zum ersten Durchgang 420 und zum dritten Durchgang 440 angeordnet sind, definiert ist, angeordnet sein. Das Feuchtigkeitsablassloch 205 kann nicht zwischen den Dichtungsvorsprüngen 310, welche sich in eine Richtung von dem zweiten Durchgang 430 aus erstrecken, angeordnet sein.
6 ist eine Ansicht, welche das Prinzip des Auslassens von Feuchtigkeit durch das Feuchtigkeitsablassloch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Bezugnehmend auf 6 kann sich die durch elektrochemische Reaktion in der Elektrolytmembran 50 erzeugte Feuchtigkeit innerhalb der Elektrolytmembran 50 bewegen und hin zu den Abschnitten, welche in Berührung mit den Sub-Dichtungen 200a und 200b stehen, eindringen. Falls ein Spalt zwischen den Sub-Dichtungen 200a und 200b und der Elektrolytmembran 50 vorhanden ist, kann Feuchtigkeit in den Spalt eingebracht werden und sich darin ansammeln. Dementsprechend kann die Schnittstellenverbindungskraft zwischen den Sub-Dichtungen 200a und 200b und der Elektrolytmembran 50 durch ein Anschwell-Phänomen, welches der Ansammlung von Wasser zuschreibbar ist, geschwächt werden. Ferner können Blasen, welche aufgrund des Anschwell-Phänomens anschwellen, das gleichmäßige Einströmen und Ausströmen von Sauerstoff und Wasserstoff unterbinden, was die Leistungsfähigkeit der Membranelektrodeneinrichtung verschlechtern kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann sich Feuchtigkeit an dem Feuchtigkeitsablassloch 205a, in welchem ein Strömungsweg ausgebildet ist, mittels des Diffusionsprinzips konzentrieren. Die Feuchtigkeit, welche aus der Membranelektrodeneinrichtung durch das Feuchtigkeitsablassloch 205a heraus strömt, kann sich hin zum benachbarten Separator-Gasauslassloch 405a (siehe 2) bewegen und kann beständig nach außerhalb ausgelassen werden. Das Anschwell-Phänomen, welches durch Ansammlung von Wasser zwischen der Elektrolytmembran 50 und den Sub-Dichtungen 200a und 200b hervorgerufen wird, kann durch das Feuchtigkeitsablassloch 205a, welches die Elektrolytmembran 50 freilegt, verhindert werden, und Sauerstoff und Wasserstoff können gleichmäßig in die Membranelektrodeneinrichtung einströmen oder daraus herausströmen, wodurch die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, hat die vorliegende Offenbarung die folgenden Effekte.
Es ist möglich, zu verhindern, dass Wasserblasen zwischen einer Elektrolytmembran und einer Sub-Dichtung erzeugt werden, und Feuchtigkeit, welche innerhalb der Elektrolytmembran oder auf der Oberfläche der Elektrolytmembran erzeugt wird, durch ein Feuchtigkeitsablassloch, welches so ausgebildet ist, dass es die Elektrolytmembran freilegt, nach außerhalb auszulassen. Als ein Ergebnis können die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden.
Die Offenbarung wurde im Detail unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen davon beschrieben. Die Fachleute in der Technik werden jedoch verstehen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Wesen der Offenbarung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.

Claims

Eine Membranelektrodeneinrichtung (1), aufweisend: eine Elektrolytmembran (50), eine Katalysatorelektrodenschicht (100), welche aufweist: eine Kathode-Katalysatorelektrode (100a), die auf der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, und eine Anode-Katalysatorelektrode (100b), die unter der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, und eine Sub-Dichtung (200), welche auf und unter der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, so dass sie mit einem Rand der Katalysatorelektrodenschicht (100) in Berührung steht, wobei die Sub-Dichtung (200) ein Feuchtigkeitsablassloch (205) aufweist, welches die Sub-Dichtung (200) durchdringt, so dass ein Abschnitt der Elektrolytmembran (50) nach außen hin freigelegt ist.
Die Membranelektrodeneinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Feuchtigkeitsablassloch (205) von dem Rand der Katalysatorelektrodenschicht (100) im Abstand angeordnet ist.
Die Membranelektrodeneinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: einen oberen Separator und einen unteren Separator, welche jeweilig über und unter der Sub-Dichtung (200) angeordnet sind, wobei jeder von dem oberen Separator und dem unteren Separator ein Separator-Gasauslassloch (405) aufweist, und wobei das Separator-Gasauslassloch (405) weiter von der Katalysatorelektrodenschicht (100) entfernt angeordnet ist als das Feuchtigkeitsablassloch (205).
Die Membranelektrodeneinrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sub-Dichtung (200) aufweist: eine obere Sub-Dichtung (200a), welche an einer oberen Fläche der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, und eine untere Sub-Dichtung (200b), welche an einer unteren Fläche der Elektrolytmembran (50) angeordnet ist, wobei das Feuchtigkeitsablassloch (205) aufweist: ein oberes Feuchtigkeitsablassloch (205a), welches in der oberen Sub-Dichtung (200a) ausgebildet ist, und ein unteres Feuchtigkeitsablassloch (205b), welches in der unteren Sub-Dichtung (200b) ausgebildet ist, und wobei jedes von dem oberen Feuchtigkeitsablassloch (205a) und dem unteren Feuchtigkeitsablassloch (205b) in einer Mehrzahl vorgesehen ist.
Membranelektrodeneinrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei das obere Feuchtigkeitsablassloch (205a) und das untere Feuchtigkeitsablassloch (205b) abwechselnd in einer Querrichtung angeordnet sind.
Membranelektrodeneinrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das obere Feuchtigkeitsablassloch (205a) und das untere Feuchtigkeitsablassloch (205b) asymmetrisch angeordnet sind.
Die Membranelektrodeneinrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das obere Feuchtigkeitsablassloch (205a) und das untere Feuchtigkeitsablassloch (205b) abwechselnd über und unter der Elektrolytmembran (50) in einer Richtung, in welcher sich die Elektrolytmembran (50) erstreckt, angeordnet sind.
Die Membranelektrodeneinrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: eine Hauptdichtung (300) und einen Separator (400), welche nacheinander an der Sub-Dichtung (200) angeordnet sind, wobei die Hauptdichtung (300) eine Mehrzahl von Dichtungsvorsprüngen (310), welche sich hin zur Katalysatorelektrodenschicht (100) erstrecken, aufweist, und wobei die mehreren Dichtungsvorsprünge (310) sich in einer Richtung, welche senkrecht zur Richtung von der Hauptdichtung (300) zum Separator (400) ist, erstrecken.
Die Membranelektrodeneinrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei das Feuchtigkeitsablassloch (205) zwischen benachbarten von den Dichtungsvorsprüngen (310) angeordnet ist.
Die Membranelektrodeneinrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend: einen Stromsammler (500), welcher über dem Separator (400) angeordnet ist, wobei der Stromsammler (500) einen Sauerstoff-Verteilerkanal (520), einen Wasserstoff-Verteilerkanal (540) und einen Kühlmittel-Verteilerkanal (530) aufweist, und wobei, in der Draufsicht betrachtet, das Feuchtigkeitsablassloch (205) zwischen dem Sauerstoff-Verteilerkanal (520) und der Katalysatorelektrodenschicht (100) und zwischen dem Wasserstoff-Verteilerkanal (540) und der Katalysatorelektrodenschicht (100) angeordnet ist.