DE112004002185T5

DE112004002185T5 - Elektrolytische Membranstruktur für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004002185T5
Application number: DE112004002185T
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Yokohama Shimoi; Atsushi Yokohama Ohma; Yoshitaka Yokosuka Ono
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: US20140045092A1; JP2005149802A; US20100086830A1; WO2005048382A3; WO2005048382A2; US20110244360A1; CA2544620A1; CA2544620C; DE112004002185B4; JP4917737B2; CN101019253A; CN101019253B

Abstract

Elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle, umfassend:
eine elektrolytische Membrane (1), die zwischen einer Elektrode (7a) in einer Anodenseite und einer Elektrode (7b) in einer Kathodenseite angeordnet ist;
eine Katalysatorschicht (2), gebildet durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), die auf jeder Fläche Katalysatoren tragen, in der Anodenseite und in der Kathodenseite der elektrolytischen Membrane (1), wobei jede Oberfläche mit jeder der Elektroden (7a, 7b) in Kontakt ist; und
eine Grenzschicht (3), die an die Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite auf einer Fläche der Elektrolytmembrane (1) angrenzt, ist zwischen einem Bereich, der leicht mit einem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, und der Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite gebildet, wobei die Grenzschicht (3) durch das Ausfüllen mit den leitenden Teilchen (4), die die Katalysatoren tragen, gebildet ist, und wobei ein Katalysator-tragender Betrag in der Grenzschicht (3) kleiner ist als ein Katalysator-tragender Betrag in der Katalysatorschicht (2).

Description

TECHNISCHES ANWENDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Brennstoffzelle mit einer Protonaustauschmembraneelektrolytischen Membrane enthält auf jeder der beiden Membranenflächen eine Katalysatorschicht zur Förderung einer elektrochemischen Reaktion. Die Katalysatorschicht wird durch Flocken und Schichten von Kohlenstoffteilchen oder Ähnlichem gebildet, die einen Katalysator wie Platin oder Ähnliches tragen.

In solch einer Brennstoffzelle wird durch den Katalysator in einer Elektrode in einer Anodenseite, an die ein Wasserstoffgas geliefert wird, eine elektrochemische Reaktion von H2 → 2H⁺ + 2e^– ausgeführt, und eine elektrochemische Reaktion O2 + 4H⁺ + 4e^– → 2H2O wird durch einen Katalysator in einer Elektrode in einer Kathodenseite, an die Sauerstoff geliefert wird, ausgeführt, um eine elektromotorische Kraft an jeder Elektrode zu erzeugen.

In der oben beschriebenen Brennstoffzelle wird der Sauerstoff mit dem Wasserstoffgas, das an die Elektrode in der Anodenseite geliefert wird, aufgrund einiger Ursachen, zum Beispiel eines Dichtungsdefekts oder einer Dichtungsverschlechterung zwischen der Elektrode und der elektrolytischen Membrane, vermischt, und als Ergebnis führen, wenn der Sauerstoff in einem peripheren Gebiet der Katalysatorschicht verbleibt, der Sauerstoff und Wasserstoff eine Verbrennungsreaktion aus, um einen Temperaturanstieg in einem lokalen Teil der elektrolytischen Membrane in der Nähe der Peripherie der Katalysatorschicht zu produzieren, was eine Verschlechterung der elektrolytischen Membrane durch Wärme verursacht.

Um solche Probleme zu vermeiden, hat die japanische Patentveröffentlichung Nr. 7-201346 vorgeschlagen, dass eine karbonisierte Schicht, die die Katalysatorschicht mit Kohlenstoffteilchen überzieht, die keine Katalysatoren tragen, in einer Bandform gebildet wird. Gemäß der Patentveröffentlichung produziert die karbonisierte Schicht fast keine elektrochemische Reaktion, sodass ein Temperaturanstieg in der elektrolytischen Membrane eingeschränkt werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In einer derartigen Brennstoffzelle mit karbonisierter Schicht ohne Katalysator, ist die Verbrennungsreaktion des Sauerstoffs und des Wasserstoffs beschränkt, wie auch die elektrochemische Reaktion kaum erzeugt wird, wodurch die Temperatur in der Nähe der karbonisierten Schicht verringert wird. Nicht zur Reaktion gebrachtes Wasserstoffgas vermehrt sich jedoch in der Nähe der karbonisierten Schicht, und dann erzeugt das nicht zur Reaktion gebrachten Gas in der Nähe einer Grenze zu der Katalysatorschicht, die an die karbonisierte Schicht angrenzt, die elektrochemische Reaktion, was einen Temperaturanstieg in einem lokalen Teil der elektrolytischen Membrane verursacht.

Da die karbonisierte Schicht keine Katalysatoren enthält, wenn das Wasserstoffgas, das in Form von Wasserstoffmolekülen durch die karbonisierte Schicht hindurch geht, die elektrolytische Membrane erreicht, und weiter durch die elektrolytische Membrane in die Kathodenseite hindurchgeht, wobei es immer noch in dem Zustand von Wasserstoffmolekülen ist, produzieren der Wasserstoff und der Sauerstoff eine Verbrennungsreaktion in der Katalysatorschicht in der Kathodenseite, wodurch möglicherweise die elektrolytische Membrane durch die erzeugte Wärme verschlechtert wird.

Die vorliegende Erfindung hat als Aufgabe, eine thermische Haltbarkeit einer elektrolytischen Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung weist eine elektrolytische Membranenstruktur, wobei die elektrolytische Membranenstruktur mit einer zwischen einer Elektrode in einer Anodenseite und einer Elektrode in einer Kathodenseite angebrachten elektrolytischen Membrane, eine Katalysatorschicht vorsieht, die durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen, die auf jeder Fläche Katalysatoren tragen, in der Anodenseite und in der Kathodenseite der elektrolytischen Membrane gebildet ist, wobei jede Fläche mit jeder Fläche der Elektroden in Kontakt kommt, und eine Grenzschicht auf, die an die Katalysatorschicht in der Anodenseite auf einer Fläche der elektrolytischen Membrane angrenzt, und zwischen einem Bereich, der leicht mit einem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, und der Katalysatorschicht gebildet ist, wobei die Grenzschicht durch das Auffüllen mit leitenden Teilchen, die die Katalysatoren tragen, gebildet ist, und wobei ein Katalysator-tragender Betrag in der Grenzschicht kleiner ist als ein Katalysator-tragender Betrag in der Katalysatorschicht.

Und die vorliegende Erfindung ist, an Stelle der obigen Grenzschicht, mit einer Grenzschicht versehen, die durch das Auffüllen mit leitenden Teilchen, an denen eine hydrophile Behandlung ausgeführt worden ist, gebildet ist.

KURZE ERKLÄRUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Querschnittansicht, die eine Zelle einer Brennstoffzelle zeigt, auf die die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.

2 ist eine Draufsicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines ersten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

3 ist eine Querschnittansicht, des in 2 gezeigten.

4 ist eine charakteristische Ansicht, die eine Verteilung in einer Membranenflächentemperatur der elektrolytischen Membranenstruktur für die Brennstoffzelle zeigt.

5 ist eine Draufsicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

6 ist eine Draufsicht, die einen Separator für eine Brennstoffzelle eines dritten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

7 ist eine Draufsicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle des dritten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

8 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel einer elektrolytischen Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle des dritten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

9 ist eine Draufsicht, die einen Separator für eine Brennstoffzelle eines vierten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

10 ist eine Draufsicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle des vierten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

11 ist eine Querschnittansicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines fünften Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

12 ist eine Querschnittansicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines sechsten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

13 ist eine Querschnittansicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines siebten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt

14 ist eine Querschnittansicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines achten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

15 ist eine charakteristische Ansicht, die eine Verteilung in einer Membranenflächentemperatur der elektrolytischen Membranenstruktur für die Brennstoffzelle in dem achten Ausführungsbeispiel oder Ähnlichem zeigt.

16 ist eine Querschnittansicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines neunten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

17 ist eine Querschnittansicht, die eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines zehnten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend erklärt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle, auf die die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.
Jede Zelleneinheit 20 der Brennstoffzelle umfasst eine elektrolytische Membrane 1 mit einer Ionenpermeabilität, eine Elektrode 7a in einer Anodenseite, und eine Elektrode 7b in einer Kathodenseite, die einander gegenüberliegen, wobei sie die elektrolytische Membrane 1 sandwichartig umgeben, eine Katalysatorschicht 2, die jeweils zwischen die elektrolytische Membrane 1 und die Elektrode 7a und zwischen die elektrolytischen Membrane 1 und die Elektrode 7b gelegt ist, und Separatoren 9a und 9b, die sich jeweils außerhalb jeder Elektrode 7a und 7b befinden, um Gasströmungsdurchgänge 10a und 10b für die Versorgung mit einem Brennstoffgas und einem Oxidierungsgas zu umfassen.
Es sei angemerkt, dass das Dichtungselement 8 zwischen den Separatoren 9a und 9b angeordnet ist, um eine Peripherie der elektrolytischen Membrane 1 abzudichten. Das Dichtungselement 8 kann so eingebaut werden, dass es beide Seiten der elektrolytischen Membrane 1 sandwichartig umgibt.
Und die Brennstoffzelle wird durch sequenzielles Schichten einer Vielzahl von Zellen 20 gebildet.
Ein Brennstoffgas, zum Beispiel ein Wasserstoffgas, wird in den Gasdurchgang 10a in der Anodenseite, und ein Oxidierungsgas, zum Beispiel Luft, wird in den Gasdurchgang 10b in der Kathodenseite geliefert.
Jede Elektrode 7a und 7b und das Dichtungselement 8 werden durch die Separatoren 9a und 9b sandwichartig umgeben. Die Elektroden 7a und 7b haben eine Gasdiffusionscharakteristik und daher können das Wasserstoffgas und die Luft, die durch die Gasströmungsdurchgänge 10a und 10b geliefert werden, die Katalysatorschicht 2 erreichen, indem sie durch eine Innenseite der Elektroden 7a und 7b dringen.
Die Katalysatorschicht 2 ist auf jeder Fläche auf der Anodenseite und der Kathodenseite der elektrolytischen Membrane 1 aufgetragen. Die Katalysatorschicht 2 ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann auf die Elektrodenflächen der Elektroden 7a und 7b, der elektrolytischen Membrane 1 gegenüberliegend, aufgetragen werden.
2 zeigt eine elektrolytische Membranenstruktur. Die Katalysatorschicht 2 ist in jedem zentralen Gebiet auf beiden Membranenflächen der elektrolytischen Membrane 1 angebracht, und eine Grenzschicht 3 ist in einer Bandform um die Katalysatorschicht 2 herum gebildet.
3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der elektrolytischen Membranenstruktur, wobei die Katalysatorschicht 2 durch Beschichten gebildet ist, sodass viele leitende Teilchen 4, die Katalysatorteilchen 5 tragen, auf beiden Membranenflächen der elektrolytischen Membrane 1 dicht gepflastert sind.
Im Gegensatz ist die Grenzschicht 3 so durch Beschichten gebildet, dass viele leitende Teilchen 4, die Katalysatorteilchen 5 tragen, auf beiden Membranenflächen der elektrolytische Membrane 1 dicht gepflastert sind, und ein Katalysator-tragender Betrag in der Grenzschicht 3 ist geringer eingestellt als ein Katalysator-tragender Betrag in der Katalysatorschicht 2.
Ein Verhältnis eines Betrags von Katalysatorteilchen 5, die sich auf der Oberfläche der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3 befinden, zu einem Betrag von Katalysatorteilchen 5, die sich auf der Oberfläche der leitenden Teilchen 4 in der Katalysatorschicht 2 befinden, wird, basierend auf einem Versuchsergebnis oder Ähnlichem, als ein angemessener Wert eingestellt, und ist als ein Beispiel ungefähr 1/3 bis 1/10.
In jeder Katalysatorschicht 2 und Grenzschicht 3 sind die leitenden Teilchen 4 durch Kohlenstoffteilchen und die Katalysatorteilchen 5 z.B. durch Platinteilchen gebildet.
In der Grenzschicht 3 und der Katalysatorschicht 2 werden die Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen 4 so eingestellt, dass sie im wesentlichen gleich sind, und eine Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen 4 ist so eingestellt, dass sie im wesentlichen gleich ist. Die leitenden Teilchen 4, die die Grenzschicht 3 und die Katalysatorschicht 2 bilden, haben eine Wasser abweisende Charakteristik.
Die Grenzschicht 3 ist angrenzend an die Peripherie der Katalysatorschicht 2 ohne Zwischenraum dazu gebildet. Die leitenden Teilchen 4 der Katalysatorschicht 2 und die leitenden Teilchen 4 der Grenzschicht 3 sind miteinander in einer Ebene in Berührung, die senkrecht zu der Membranenfläche der elektrolytischen Membrane 1 ist.
Die leitenden Teilchen 4 der Katalysatorschicht 2 und die leitenden Teilchen 4 der Grenzschicht 3 sind jedoch nicht auf das obige beschränkt, und können sich gegenseitig in einer Ebene berühren, die zu der Membranenfläche der elektrolytischen Membrane 1 schrägwinklige ist. Oder die leitenden Teilchen 4 der Katalysatorschicht 2 und die leitenden Teilchen 4 der Grenzschicht 3 können sich auf der Membranenfläche der elektrolytischen Membrane 1 überlappen. Ein Katalysator-tragender Betrag der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3 kann die Dichte der Katalysatoren haben, die in der Richtung der Membranenfläche der elektrolytischen Membrane 1 variieren kann.
Und unterschiedlich von dem Aufbau, der in 2 gezeigt ist, sind sowohl die Katalysatorschicht 2 und die Grenzschicht 3 auf beide Membranenflächen der elektrolytischen Membrane 1 aufgetragen, wobei die Grenzschicht 3 nur auf der anodenseitigen Membranenfläche gebildet werden kann, wobei insbesondere die Grenzschicht 3 nicht auf der kathodenseitigen Membranenfläche gebildet werden kann.
Und die Katalysatorschicht 2 kann auf die elektrolytische Membrane 1 aufgetragen werden, und die Grenzschicht 3, die um die Katalysatorschicht 2 herum angebracht ist, kann auf die Elektroden 7a und 7b aufgetragen werden. Und im Gegenteil kann die Katalysatorschicht 2 auf die Elektroden 7a und 7b aufgetragen werden, und die Grenzschicht 3 kann auf die elektrolytische Membrane 1 aufgetragen werden.
Wie oben beschrieben, wird die Katalysatorschicht 2 in dem zentralen Gebiet der elektrolytischen Membrane 1 gebildet. Die Grenzschicht 3 erstreckt sich in einer bandähnlichen Form über eine gesamte Peripherie einer Zone, die die Katalysatorschicht 2 der elektrolytischen Membrane 1 umgibt.
Eine Sonderzone, auf die die Katalysatoren tragenden leitenden Teilchen nicht aufgetragen sind, erstreckt sich in einer Bandform über eine gesamte Peripherie der Grenzschicht 3 der elektrolytischen Membrane 1. Die Grenzschicht 3 ist jedoch nicht auf das obige beschränkt, sondern kann bis zu der äußersten Peripherie der elektrolytischen Membrane 1 beschichtet werden, ohne die Sonderzone 15 zu beseitigen. Jede Zelleneinheit 20 der Brennstoffzelle erzeugt Energie durch elektrochemische Reaktion.
Im Detail dringt ein Brennstoffgas, das durch einen Gasdurchgang 10a in die Anodenseite geliefert wird, durch die Elektrode 7a mit Gasdiffusionsvermögen und wird an die Katalysatorschicht 2 in der Anodenseite geführt. In der Katalysatorschicht 2 in der Anodenseite wird Wasserstoff in dem Brennstoffgas in Protonen umgewandelt (H2 → 2H⁺ + 2e^–). Die Protonen diffundieren durch die in einen hydratisierten Zustand befindliche elektrolytische Membrane 1 und bewegen sich zu der Katalysatorschicht 2 in der Kathodenseite.
Das Oxidierungsgas, das durch den Gasdurchgang 10b in die Kathodenseite geliefert wird, dringt durch die Elektrode 7b mit Gasdiffusionsvermögen und wird an die Katalysatorschicht 2 in der Kathodenseite geführt. In der Katalysatorschicht 2 in der Kathodenseite werden die Protonen, die durch die elektrolytische Membrane 1 hindurchgedrungen sind, mit dem Sauerstoff in dem Oxidierungsgas verbunden, um Wasser (O2 + 4H⁺ + 4e^– → 2H2O) zu erzeugen. So wird in jeder Katalysatorschicht 2 die elektrochemische Reaktion vorangetrieben, die Wärmeerzeugung verursacht, um eine elektromotorische Kraft zwischen jeder Elektrode zu erzeugen.
Wenn Luft in die Umgebung der Katalysatorschicht 2 in der Anodenseite wegen eines Dichtungsfehlers oder Dichtungsverschlechterung eines Dichtungselements 8, das zwischen den Separatoren 9a und 9b gehalten wird, während der Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle einsickert, werden der Wasserstoff und der Sauerstoff verbrannt und reagieren unter Verursachung einer lokalen Temperaturerhöhung in der Peripherie der Katalysatorschicht 2, wodurch die elektrolytische Membrane 1 verschlechtert wird.
Jedoch ist, gemäß der vorliegenden Erfindung, die Grenzschicht 3, die in einer Position angebracht ist, die leicht mit dem Sauerstoff um die Katalysatorschicht 2 herum in Kontakt kommt, aus leitenden Teilchen, die einen kleinen Betrag von Katalysatoren tragen, gebildet. Daher ist der Sauerstoff, selbst wenn der Sauerstoff durch die Umgebung der Elektrode 7a dringt und die Grenzschicht 3 erreicht, schwer zu verbrennen und mit dem Wasserstoff schnell zur Reaktion zu bringen, wodurch ein Temperaturanstieg durch die Verbrennungsreaktion eingeschränkt wird.
Und der Wasserstoff, der die Grenzschicht 3 erreicht hat, erzeugt die elektrochemische Reaktion, aber da ein Katalysatorbetrag in der Grenzschicht 3 kleiner ist als in der Katalysatorschicht 2, ist die elektrochemische Reaktion in der Grenzschicht 3 leicht und die darin zu erzeugende Reaktionswärme ist kleiner als in der Katalysatorschicht 2. Und diese langsame elektrochemische Reaktion erlaubt die Reduzierung von Wasserstoffgas, das nicht zur Reaktion gebracht worden ist, in der Umgebung der Katalysatorschicht 2 einschließlich der Grenzschicht 3, wodurch die Konzentration von Gasen, die nicht zur Reaktion gebracht worden sind, in der Umgebung der Peripherie der Katalysatorschicht 3 vermieden wird. Entsprechend wird keine übermäßige elektrochemische Reaktion erlaubt, um den Temperaturanstieg in einem lokalen Teil der elektrolytischen Membrane 1 zu vermeiden.
Da die elektrochemische Reaktion des Wasserstoffgases langsam auftritt, erreicht ein kleiner Betrag des Wasserstoffgases die elektrolytische Membrane 1 in einem Zustand von Wasserstoffkomponenten, und ferner wird das Ereignis verhindert, dass das Wasserstoffgas durch die elektrolytische Membrane 1 in einem Zustand von Wasserstoffkomponenten hindurch geht und die Katalysatorschicht in der Kathodenseite erreicht und dann das Auftreten einer Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs und Sauerstoffs in der Kathodenseite verursacht wird.
Dadurch die Temperaturverteilung der elektrolytischen Membrane 1 ausgleichend, wird die wärmebedingte Verschlechterung der elektrolytischen Membrane 1 beschränkt, um die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
Und die Reaktionseffizienz der Grenzschicht 3 ist geringer verglichen mit der Katalysatorschicht 2, aber da die elektrochemische Reaktion sogar in der Grenzschicht 3 erzeugt wird, ist die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle verbessert, verglichen mit dem Fall, in der die Grenzschicht 3 aus der karbonisierten Schicht gebildet ist, in der jegliche elektrochemische Reaktion für üblich nicht auftritt.
4 ist eine Ansicht einer Temperaturcharakteristik, die einen Temperaturzustand einer Membranenfläche der elektrolytischen Membrane 1 verglichen mit dem Stand der Technik zeigt. Eine Ordinate in 4 zeigt eine Temperatur der elektrolytischen Membrane 1 und eine Abszisse zeigt eine Position von einem Ende der elektrolytischen Membrane 1.
Das herkömmliche Beispiel 1 zeigt eine Struktur, in der nur eine Katalysatorschicht auf einer elektrolytische Membrane angebracht ist, und das herkömmliche Beispiel 2 zeigt eine elektrolytische Membranenstruktur der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-201346A, die eine karbonisierte Schicht zeigt, die durch das Pflastern von Kohlenstoffteilchen auf der Peripherie der Katalysatorschicht, die keine Katalysatoren trägt, gebildet ist.
Im Falle des herkömmlichen Beispiels 1 ist ersichtlich, dass die Peripherie der elektrolytischen Membrane dazu tendiert, mit Sauerstoff in Kontakt zu gelangen, wodurch die Temperatur wegen der Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs ansteigt. Und in dem Fall des herkömmlichen Beispiels 2 werden, aufgrund fehlender Disposition einer Katalysatorschicht in der karbonisierten Schicht, die Verbrennungsreaktion und die elektrochemische Reaktion nicht erzeugt. Daher wird keine Wärme erzeugt, womit die Temperatur verringert wird. Da jedoch viel durch die Elektrode dringendes Wasserstoffgas in der Umgebung der karbonisierten Schicht noch nicht zur Reaktion gebracht ist, wird die Verbrennungsreaktion und die elektrochemische Reaktion in der Umgebung der Grenze der karbonisierten Schicht aktiviert, wodurch ein lokaler Temperaturanstieg verursacht wird.
Im Gegensatz werden, gemäß der vorliegenden Erfindung, in der Grenzschicht 3 in der Peripherie der Katalysatorschicht 2 die Verbrennungsreaktion und die elektrochemische Reaktion nach und nach ausgeführt, und die Temperatur wird geringer verglichen mit der des herkömmlichen Beispiels 1, und das Gas, das nicht reagiert hat, wird reduziert. Als Ergebnis ist die Reaktion der Katalysatorschicht 2 in der Umgebung der Grenze zu der karbonisierten Schicht nicht so aktiv wie in dem herkömmlichen Beispiel 2, um einen Temperaturanstieg in einem lokalen Teil der elektrolytischen Membrane 1 richtig zu vermeiden.
5 zeigt eine elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Eine Durchdringungsbohrung 19 ist in einem zentralen Bereich der elektrolytischen Membrane 1 in der Schichtungsrichtung der Zelle 20 zum Strömen eines Oxidierungsgases gebildet. Ein Gasströmungsdurchgang 10b eines Separators 9b in der Kathodenseite ist mit der Durchdringungsbohrung 19 verbunden.
Eine Katalysatorschicht 2 ist so gebildet, dass sie die Durchdringungsbohrung 19 umgibt. In diesem Typ von elektrolytischer Membrane 1 werden nicht nur die Peripherie der Katalysatorschicht 2, sondern auch der Umfangsbereich der Durchdringungsbohrung 19 zu Positionen, die dazu tendieren, mit dem Sauerstoff in Kontakt zu kommen. Entsprechend werden die Grenzschicht 3a, 3b sowohl in einem äußeren Bereich der Katalysatorschicht 2 wie auch in einem inneren Bereich der Katalysatorschicht 2 gebildet, wobei sie die Durchdringungsbohrung 19 umgeben.
Dies schränkt die Verbrennungsreaktion des Gases, das nicht zur Reaktion gebracht worden ist, in einem äußeren und einem inneren Ende der Katalysatorschicht 2 ein, und gleicht eine Temperaturverteilung der elektrolytischen Membrane 1 aus, um die Verschlechterung durch Wärme einzuschränken.
6–8 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt einen Separator 9b in einer Kathodenseite auf einer Oberfläche, aus der ein Gasdurchgang 10b gebildet ist, der sich in einer mäandernden Form erstreckt, um ein Oxidierungsgas 8, zum Beispiel Luft, einzuleiten. Der Gasdurchgang 10b ist aus einer Vielzahl von Kanälen bzw. Nuten gebildet, die parallel zueinander angeordnet sind.
In einer Ecke des Separators 9b sind ein Einlassgasverteiler 11, in den Oxidierungsgas geliefert wird, und ein Auslassgasverteiler 12, aus dem das Oxidierungsgas abgeführt wird, gebildet, um diesen zu durchdringen. Ein Ende des Gasstromdurchgangs 10b ist mit dem Einlassgasverteiler 11 verbunden, und das andere Ende davon ist mit dem Auslassgasverteiler 12 verbunden, was bewirkt, dass das Oxidierungsgas, das von dem Einlassgasverteiler 11 in den Gasdurchgang 10b strömt, in einer mäandernden Form entlang dem Gasdurchgang 10b strömt und von dem Auslassverteiler 12 in dem anderen Ende abgeführt wird.
Und eine Zone auf eine Oberfläche des Separators 9b, durch eine gepunktete Linie angezeigt, ist ein Wärmeerzeugungsgebiet 13 und zeigt eine Größe der Katalysatorschicht 2, die in der elektrolytischen Membrane 1 angebracht ist. Entsprechend sind der Einlassgasverteiler 11 und der Auslassgasverteiler 12 außerhalb des Wärmeerzeugungsgebiets 13 angebracht.
Wie mit Bezug auf 1 zu sehen, dringen der Einlassgasverteiler 11 und der Auslassgasverteiler 12 durch den Separator 9b in der Schichtungsrichtung der Zelle 20 hindurch, und ein Verteiler (Durchdringungsdurchgang) ist in entsprechender Position des Separators 9a in der Anodenseite angebracht, und das Oxidierungsgas wird durch jede Zelle 20 geliefert und abgeführt.
Und um ein Brennstoffgas (zum Beispiel Wasserstoffgas) an den Gasdurchgang 10a des Separators 9a in der Anodenseite zu liefern und davon abzuführen, sind ein Einlassgasverteiler 17 und ein Auslassgasverteiler 18 angebracht, um den Separator 9a zu durchdringen, und auch in einer Position, die jedem Verteiler in dem Separator 9b der Kathodenseite entspricht.
Ein Satz von Öffnungen 21, 21, die in einer Ecke des Separators 9b angebracht sind, bildet einen Teil eines Durchganges zum Einleiten eines Kühlwassers, um die Zelle 20 zu kühlen.
Es sei angemerkt, dass der Gasströmungsdurchgang 10b ein Serpentinenströmungsdurchgang oder ein mäandernder Gasströmungsdurchgang genannt wird, der aus einer Vielzahl von Strömungsdurchgängen gebildet ist, die sich parallel und in einer mäandernden Form erstrecken, aber, nicht auf das obige beschränkt, ein kammförmiger verbundener Strömungsdurchgang oder ein verflochtener Strömungsdurchgang sein kann.
7 zeigt eine Fläche in der Anodenseite der elektrolytischen Membrane 1, die entsprechend diesem Separator 9b angebracht ist.
Zwei längliche, rechtwinklige Grenzschichten 3c, 3c sind in beiden Seiten der Katalysatorschicht 2 auf der Membranenfläche der elektrolytischen Membrane 1 gebildet, um auf Positionen nahe dem Einlassgasverteiler 11 und dem Auslassgasverteiler 12 begrenzt zu sein. Jede Grenzschicht 3c erstreckt sich in einer Bandform entlang dem Einlassgasverteiler 11 und dem Auslassgasverteiler 12, wobei jede im wesentlichen die gleiche Länge hat.
Oder, wie in 8 gezeigt, die längliche, rechtwinklige Grenzschicht 3d, 3d kann so gebildet werden, dass sie in die Katalysatorschicht in einer Position in der Nähe zu jedem Einlassgasverteiler 11 und Auslassgasverteiler 12 eingebracht ist.
Da das Oxidierungsgas, zum Beispiel Luft, in dem Einlassgasverteiler 11 und den Auslassgasverteiler 12 strömt, wird diese Peripherie ein Bereich, der dazu tendiert, mit Sauerstoff in Kontakt zu kommen. Daher werden die Grenzschichten 3c, 3d im Inneren des Einlassgasverteilers 11 und das Auslassgasverteilers 12 gebildet, wobei sie mindestens an die Katalysatorschicht 2 der Anodenseite angrenzen. Da ein Katalysator-tragender Betrag der leitenden Teilchen 4 in dem Gebiet der Grenzschicht 3c (3d) kleiner ist als in der Katalysatorschicht 2 ist die Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in derselben Art wie oben beschrieben eingeschränkt, wie auch die elektrochemische Reaktion eingeschränkt ist, wodurch ein Temperaturanstieg aufgrund von Wärmeerzeugung gesteuert wird.
Das Bilden von Grenzschichten 3c, 3d, das auf die Positionen nahe dem Einlassgasverteiler 11 und dem Auslassgasverteiler 12 beschränkt ist, erlaubt eine kleinere Größe der Grenzschichten 3c, 3d, wodurch ein Beschichtungsbetrag der Grenzschichten 3c, 3d, die durch Beschichten gebildet werden, reduziert wird. Und ein Eliminierungsbetrag eines Gebietes der Katalysatorschicht 2 durch die Grenzschichten 3c, 3d ist klein, und die Verringerung der elektromotorischen Kraft der Zelle 20 wird durch den entsprechenden Betrag verhindert.
9 und 10 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt einen Separator 9b in einer Kathodenseite, wo ein in dem Separator 9b gebildeter Gasströmungsdurchgang 10b eine Vielzahl von Kanälen bzw. Nuten umfasst, die sich linear zueinander erstrecken. Beide Enden des Gasströmungsdurchgangs 10 sind jeweils mit dem Einlassgasverteiler 11a und dem Auslassgasverteiler 12a verbunden. Der Einlassgasverteiler 11a und der Auslassgasverteiler 12a erstrecken sich in einer länglichen Form zu beiden Seiten des Wärmeerzeugungsgebiets 13.
10 zeigt eine elektrolytische Membranenstruktur, die eine elektrolytische Membrane 1 enthält, wobei in beiden Seiten der Katalysatorschicht 2, die auf der Membranenfläche mindestens in der Anodenseite der elektrolytischen Membrane 1 gebildet ist, längliche und rechtwinklige Grenzschichten 3e, 3e entlang einer Innenseite von Bereichen gebildet sind, die nahe dem Einlassgasverteiler 11a und dem Auslassgasverteiler 12a gebildet sind.
In diesem Falle ist, da die Grenzschichten 3e, 3e so gebildet sind, dass sie auf Positionen in der Nähe des Einlassgasverteilers 11a und des Auslassgasverteilers 12a beschränkt sind, deren Verbrennungsreaktion beschränkt, um einen Temperaturanstieg der Grenzschichten 3e, 3e zu verhindern. Und dadurch, dass ein Gebiet der Grenzschicht 3e auf ein kleines begrenzt ist, kann der Beschichtungsbetrag der leitenden Teilchen 4 durch Beschichten reduziert werden. Und als Ergebnis schränkt dies die Eliminierung des Gebietes der Katalysatorschicht 2 durch die Grenzschichten 3e, 3e ein, um die Reduzierung einer elektromotorischen Kraft der Zelle 20 zu verhindern.
11 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine Querschnittansicht einer elektrolytischen Membranenstruktur, bei der eine Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen 4 in einer Grenzschicht 3A kleiner eingestellt ist als eine Luftspaltquote zwischen leitenden Teilchen 4 in einer Katalysatorschicht 2. Insbesondere ist eine Dichte der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3A größer als in der Katalysatorschicht 2.
Ein Verhältnis der Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen in der Grenzschicht 3A zu der Luftspaltquote (zum Beispiel 30%) zwischen den leitenden Teilchen in der Katalysatorschicht 2 ist als irgend ein Wert eingestellt, zum Beispiel 1/2 bis 1/5, basierend auf einem Versuchsergebnis oder Ähnlichem.
Ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen 4 wird jedoch so eingestellt, dass er im wesentlichen in der Grenzschicht 3A und in der Katalysatorschicht 2 gleich ist.
Es sei angemerkt, dass, wie oben beschrieben, ein Katalysatortragender Betrag der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3A kleiner eingestellt ist als in der Katalysatorschicht 2.
Die leitenden Teilchen 4 sind in der Grenzschicht 3A eng und dichter angeordnet als in der Katalysatorschicht 2, um das Durchdringen des Wasserstoffgases, das keine Reaktion eingegangen ist, durch die Grenzschicht 3A einzuschränken, und um das Wasserstoffgas, das an der elektrolytischen Membrane 1 ankommt, zu reduzieren. Das verhindert das Aufkommen des Ereignisses, dass das Wasserstoffgas durch die elektrolytische Membrane 1 dringt, und das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas in der Katalysatorschicht 2 der Kathodenseite verbrennen, um in einem lokalen Teil der elektrolytischen Membrane einen Temperaturanstieg zu produzieren.
Und eine hohe Dichte der Grenzschicht 3A erlaubt einen Anstieg der Wärmeleitfähigkeit in der Grenzschicht 3A, um eine Gleichförmigkeit einer Temperaturverteilung in der elektrolytischen Membrane 1 zu ermöglichen.
12 zeigt eine Querschnittansicht einer elektrolytischen Membranenstruktur des sechsten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen 4 in einer Grenzschicht 3B ist kleiner eingestellt, als ein Teilchendurchmesser von leitenden Teilchen 4 in einer Katalysatorschicht 2. Und eine Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen 4 in einer Grenzschicht 3B ist kleiner eingestellt als ein Luftspalt zwischen den leitenden Teilchen 4 in einer Katalysatorschicht 2.
Ein Verhältnis der Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3B zu der Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen in der Katalysatorschicht 2 ist als irgend ein Wert eingestellt, zum Beispiel 1/2 bis 1/5, basierend auf einem Versuchsergebnis oder Ähnlichem.
Die Reduzierung des Teilchendurchmessers der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3B ermöglicht einfach eine höhere Dichte der Grenzschicht 3B verglichen mit der in der Katalysatorschicht 2.
In diesem Fall, wie auch in demselben in dem fünften Ausführungsbeispiel, kann ein Temperaturanstieg in einem lokalen Teil der elektrolytische Membrane 1 wirksamer verhindert werden.
13 zeigt eine Querschnittansicht einer elektrolytischen Membranenstruktur eines siebten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Leitende Teilchen 4 einer Grenzschicht 3C, ähnlich wie in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, tragen eine kleinere Anzahl von Katalysatoren als in der Katalysatorschicht 2. Ferner wird an den leitenden Teilchen in der Grenzschicht 3C mit einem hydrophilen Material 6 eine hydrophile Behandlung, nicht eine Wasser abstoßende Behandlung, durchgeführt.
Es sei angemerkt, dass ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3C im Wesentlichen derselbe ist wie der in der Katalysatorschicht 2. Ein Luftspalt der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3C ist im wesentlichen derselbe wie der in der Katalysatorschicht 2.
Es gibt, zum Beispiel, eine folgende Methode als eine von mehreren Methoden, zum Durchführen der hydrophilen Behandlung an den leitenden Teilchen 4, die aus Kohlenstoffteilchen gemacht sind.
Eine elektrolytische Oxidationsbehandlung oder eine Oxidationsbehandlung einer Säurelösung wird an den Kohlenstoffteilchen ausgeführt, um ihnen eine Funktionsgruppe als ein hydrophiles Material auf einer Oberfläche der Kohlenstoffteilchen zu geben. Ein Oberflächenaktivierungsmittel wird als hydrophiles Material 6 auf der Oberfläche der Kohlenstoffteilchen vorgesehen. Ein Oxidationsmittel als hydrophiles Material 6, wie SiO2 oder TiO2, oder ein flüssiges oder pulverförmiges Material, das als eine elektrolytische Membrane genutzt wird, wird auf der Oberfläche des Kohlenstoffteilchens angebracht. Oder die Oberfläche des Kohlenstoffteilchens wird durch eine Plasmabehandlung aufgerauht.
Wenn die hydrophile Behandlung derart an den leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3C ausgeführt ist, kann das Wasser, das in der Kathodenseite durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird und ein Teil des Wassers ist, das durch die elektrolytische Membrane 1 zu der Anodenseite dringt, innerhalb der Grenzschicht 3C gehalten werden. Als Ergebnis wird die Wärmeleitfähigkeit der Grenzschicht 3C, die das Wasser enthält, erhöht, und selbst wenn in der Grenzennähe der an die Grenzschicht 3C angrenzenden Katalysatorschicht 2 das Gas, das noch keine Reaktion eingegangen ist, mehr elektrochemische Reaktionen verursacht, tendiert die in der Grenzumgebung erzeugte Wärme dazu, zu der Grenzschicht 3C, die eine niedrige Temperatur hat, zu entweichen. Entsprechend wird die Diffusion der Temperatur, die dazu tendiert, in der Grenzumgebung anzusteigen, schnell ausgeführt, um die Temperaturverteilung der elektrolytischen Membrane 1 auszugleichen, und die Haltbarkeit der elektrolytischen Membrane 1 zu verbessern.
Und das Vorhandensein von Wasser in der Grenzschicht 3C schränkt das Durchdringen von Wasserstoffgas, das nicht zur Reaktion gebracht worden ist, durch die Grenzschicht 3C ein. Dies verhindert die Verbrennungsreaktion von Sauerstoff und Wasserstoff, die auftritt, wenn Wasserstoffkomponenten sich zu der Kathodenseite der elektrolytischen Membrane 1 durch die Grenzschicht 3C bewegen, um Verschlechterung der elektrolytischen Membrane 1 durch Wärme zu vermeiden.
14 zeigt eine Querschnittansicht einer elektrolytischen Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines achten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Grenzschicht 3F, die sich zwischen einem Bereich, der dazu tendiert mit Sauerstoff in Kontakt zu kommen, und der Katalysatorschicht 2 befindet, durch leitende Teilchen 4, die keine Katalysatoren tragen, gebildet, wobei dies von jedem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend ist. An den leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3F wird mit einem hydrophilen Material eine hydrophile Behandlung durchgeführt. Es sei angemerkt, dass ein Verfahren der hydrophilen Behandlung in derselben Weise durchgeführt wird wie in dem Ausführungsbeispiel in 13.
Ein Teilchendurchmesser und ein Luftspalt der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3F werden so eingestellt, dass sie im wesentlichen dieselben sind wie die in der Katalysatorschicht 2.
Da in dem Ausführungsbeispiel die leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3F keine Katalysatoren tragen, treten in der Grenzschicht 3F die elektrochemische Reaktionen und die Verbrennungsreaktion nicht auf, und die Temperatur in der Grenzschicht 3F ist geringer als in der Katalysatorenschicht 2. Die Wasserstoffgase, die nicht zur Reaktion gebracht worden sind, tendieren jedoch dazu, in der Grenzumgebung zwischen der Grenzschicht 3F und der Katalysatorschicht 2 zu bleiben. Entsprechend werden viele elektrochemische Reaktionen des Wasserstoffgases, das nicht zur Reaktion gebracht worden ist, und viele Verbrennungsreaktionen mit dem Sauerstoff in der Katalysatorschicht 2 nahe zu der Grenze der Grenzschicht 3F ausgeführt, um möglicherweise eine Temperatur zu erhöhen.
Die hydrophile Behandlung wird jedoch an der Grenzschicht 3F durchgeführt, um innerhalb der Grenzschicht 3F Wasser zurückzuhalten, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Grenzschicht 3F erhöht wird, und Wärme der Katalysatorschicht 2, die in der Grenzumgebung der Grenzschicht 3F erzeugt wird, wird schnell auf die Grenzschicht 3F, die eine niedrigere Temperaturen hat, übertragen, um einen Temperaturanstieg in dem lokalen Teil der elektrolytischen Membrane 1 nahe der Grenze zu der Katalysatorenschicht 2 zu vermeiden.
Das in der Grenzschicht 3F zurückgehaltene Wasser verhindert, dass das Gas, das nicht zur Reaktion gebracht worden ist, und das durch die Elektrode 7a hindurchgedrungen ist, sich in einem Zustand von Wasserstoffkomponenten zu der elektrolytischen Membrane 1 bewegt. Daher erzeugt das Wasserstoffgas, das von der Anodenseite zu der Kathodenseite durch die elektrolytische Membrane 1 hindurchdringt, nicht die Verbrennungsreaktion in der Katalysatorschicht in der Kathodenseite, um einen Temperaturanstieg der elektrolytischen Membrane 1 zu hemmen.
Daher tragen in dem Ausführungsbeispiel die leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3F keine Katalysatoren, aber an ihnen ist die hydrophile Behandlung ausgeführt, und die Temperatur ist niedrig, und die Wärmeleitfähigkeit ist hoch. Daher ist die Temperaturverteilung in der elektrolytischen Membrane 1 einheitliche, und die Verschlechterung der elektrolytischen Membrane 1 durch Wärme ist vermieden, um die Haltbarkeit als Brennstoffzelle zu verbessern.
15 ist eine Ansicht einer Temperaturcharakteristik, die einen Temperaturzustand einer Membranenfläche der elektrolytischen Membrane 1 im Vergleich mit dem Stand der Technik zeigt. Eine Ordinate in 15 ist eine Temperatur der elektrolytischen Membrane 1, und eine Abszisse in 15 ist eine Position von einem Ende der elektrolytischen Membrane 1.
Die gezeigten herkömmlichen Beispiele 1 und 2 sind dieselben wie in 4.
Im Falle des herkömmlichen Beispiels 1 versteht es sich, dass eine Temperatur in der Peripherie des Katalysators, die dazu tendiert mit Sauerstoff in Kontakt zu kommen, sich aufgrund der Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs erhöht. Im Fall des herkömmlichen Beispiels 2 treten, dadurch dass in der Kohlenstoffschicht keine Katalysatoren getragen werden, die Verbrennungsreaktion und die elektrochemische Reaktion nicht auf, und es wird keine Wärme erzeugt, um die Temperatur zu senken. Da jedoch viel Wasserstoffgas, das nicht zur Reaktion gebracht worden ist, und das durch die Elektrode hindurchgedrungen ist, in der Umgebung der Kohlenstoffschicht bleibt, werden die Verbrennungsreaktion und die elektrochemische Reaktion in der Katalysatorschicht nahe der Grenze zu der karbonisierten Schicht aktiviert, um lokal einen Temperaturanstieg zu verursachen.
Im Gegensatz ist, gemäß der vorliegenden Erfindung, und wie oben beschrieben, die Wärmeleitfähigkeit in der Grenzschicht 3F hoch und die in der Nähe der Grenze zu der Katalysatorschicht 2 erzeugte Wärme entweicht definitiv zu der niedrigeren Temperaturseite, was einen lokalen Temperaturanstieg der elektrolytischen Membrane 1 einschränkt.
16 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In dem Ausführungsbeispiel trägt, in der gleichen Weise wie in dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel, eine Grenzschicht 3G keine Katalysatoren, sowie sie auch von leitenden Teilchen 4 gebildet ist, an denen mit einem hydrophilen Material 6 eine hydrophile Behandlung ausgeführt ist.
Und in dem Ausführungsbeispiel ist eine Luftspaltquote zwischen leitenden Teilchen 4 in einer Grenzschicht 3G kleiner eingestellt, als ein Luftspalt zwischen leitenden Teilchen 4 in einer Katalysatorschicht 2.
Ein Verhältnis der Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen in der Grenzschicht 3G und der Katalysatorschicht 2 wird als irgendein Wert eingestellt, wie 1/2–1/5, der auf der Basis von Versuchsergebnissen oder Ähnlichem festgelegt ist.
Ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen 4 wird jedoch so eingestellt, dass er im wesentlichen in der Grenzschicht 3G und in der Katalysatorschicht 2 gleich ist.
Die leitenden Teilchen 4 sind in der Grenzschicht 3G eng und dichter angeordnet als in der Katalysatorschicht 2, was das Durchdringen des Wasserstoffgases, das nicht zur Reaktion gebracht ist, durch die Grenzschicht 3G einschränkt, sowie es die Wärmeleitfähigkeit in der Grenzschicht 3G erhöht, um die Einheitlichkeit einer Temperaturverteilung in der elektrolytischen Membrane 1 zu ermöglichen.
17 zeigt eine Querschnittansicht einer elektrolytischen Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle eines zehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In dem Ausführungsbeispiel trägt, in derselben Weise wie in dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel, eine Grenzschicht 3H keine Katalysatoren, sowie sie auch aus leitenden Teilchen 4 gebildet ist, an denen mit einem hydrophilen Material 6 eine hydrophile Behandlung ausgeführt ist.
Und ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3H ist kleiner als der in der Katalysatorschicht 2, was dazu führt, dass eine Luftspaltquote der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3H kleiner ist als die in der Katalysatorschicht 2.
Eine kleinere Größe der Partikeldurchmesser der leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3H ermöglicht einfach eine höhere Dichte der Grenzschicht 3H. Eine derart hohe Dichte der Grenzschicht 3H erhöht die Wärmeleitfähigkeit der Grenzschicht 3H, an der einen hydrophile Behandlung ausgeführt ist.
Die Ausführungsbeispiele 8–10 können auf die in jeder der 2 und 5 gezeigte elektrolytische Membrane 1 angewandt werden, und ferner auf die elektrolytische Membranenstruktur, die in jeder der 7, 8 und 10 gezeigt ist.
In jedem dieser Fälle, ist die Grenzschicht 3 an die Katalysatorschicht 2 angrenzend gebildet, sowie sie auch zwischen der Katalysatorschicht 2 und einem Bereich angeordnet ist, der dazu tendiert mit Sauerstoff in Kontakt zu kommen.
Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und verschiedene Modifikationen können innerhalb des Schutzumfangs des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung gemacht werden.
INDUSTRIELLE ANWENDUNG
Die vorliegende Erfindung kann auf eine Brennstoffzelle angewandt werden, die mit einem Brennstoffgas und einem Oxidierungsgas Energie erzeugt.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Katalysatorschicht 2 wird durch leitende Teilchen erzeugt, die Katalysatorteilchen 5 tragen, und eine Grenzschicht wird angrenzend an die Katalysatorschicht 2 angeordnet und ist zwischen einem Bereich, der leicht mit einem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, und einer Katalysatorschicht angebracht. Die Grenzschicht 3 wird durch die leitenden Teilchen 4, die die Katalysatorteilchen 5 tragen, gebildet, und ein Katalysator-tragender Betrag in der Grenzschicht 3 ist kleiner als ein Katalysator-tragender Betrag in der Katalysatorschicht 2. Oder an den leitenden Teilchen 4 auf der Grenzschicht 3 wird durch ein hydrophiles Material eine hydrophile Behandlung ausgeführt, während die leitenden Teilchen 4 in der Grenzschicht 3 keine Katalysatorteilchen 5 tragen.

Claims

Elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine elektrolytische Membrane (1), die zwischen einer Elektrode (7a) in einer Anodenseite und einer Elektrode (7b) in einer Kathodenseite angeordnet ist; eine Katalysatorschicht (2), gebildet durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), die auf jeder Fläche Katalysatoren tragen, in der Anodenseite und in der Kathodenseite der elektrolytischen Membrane (1), wobei jede Oberfläche mit jeder der Elektroden (7a, 7b) in Kontakt ist; und eine Grenzschicht (3), die an die Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite auf einer Fläche der Elektrolytmembrane (1) angrenzt, ist zwischen einem Bereich, der leicht mit einem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, und der Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite gebildet, wobei die Grenzschicht (3) durch das Ausfüllen mit den leitenden Teilchen (4), die die Katalysatoren tragen, gebildet ist, und wobei ein Katalysator-tragender Betrag in der Grenzschicht (3) kleiner ist als ein Katalysator-tragender Betrag in der Katalysatorschicht (2).
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (3) so gebildet ist, dass sie eine Peripherie der Katalysatorschicht (2) umgibt, die leicht mit Sauerstoffgas in Kontakt kommt.
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (3) zwischen einem Bereich in der Nähe eines Durchdringungsdurchgangs (9), durch den das Sauerstoffgas an die Kathodenseite, die leicht mit dem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, geliefert wird, und der Katalysatorschicht gebildet wird.
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen (4) in der Grenzschicht (3) kleiner ist als eine Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen (4) in der Katalysatorschicht (2).
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen (4) in der Grenzschicht (3) kleiner ist als ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen (4) in der Katalysatorschicht (2).
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei an den leitenden Teilchen (4) in der Grenzschicht (3) eine hydrophile Behandlung durchgeführt ist.
Eine Brennstoffzelle mit einer elektrolytischen Membrane (1), die zwischen einer Elektrode (7a) in einer Anodenseite und einer Elektrode (7b) in einer Kathodenseite angeordnet ist, umfassend: eine Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite und in der Kathodenseite, die entweder auf einer Fläche der elektrolytischen Membrane (1) oder einer Fläche der Elektrode (7a, 7b) gebildet ist, die eine Kontaktfläche zwischen der elektrolytischen Membrane (1) und jeder Elektrode (7a, 7b) ist, und durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), die Katalysatoren tragen, gebildet ist; und eine Grenzschicht (3), die an die Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite auf einer Fläche der elektrolytischen Membrane (1) oder die Elektrode (7a, 7b) angrenzt, und zwischen einem Bereich, der leicht mit einem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, und der Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite gebildet ist, wobei die Grenzschicht (3) durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), die die Katalysatoren tragen, gebildet ist, und wobei ein Katalysator tragender Betrag in der Grenzschicht (3) kleiner ist als ein Katalysator tragender Betrag in der Katalysatorschicht (2).
Elektrolytische Membranenstruktur für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine elektrolytische Membrane (1), die zwischen einer Elektrode (7a) in einer Anodenseite und einer Elektrode (7b) in einer Kathodenseite angeordnet ist; eine Katalysatorschicht (2), gebildet durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), die auf jeder Fläche Katalysatoren tragen, in der Anodenseite und in der Kathodenseite der elektrolytischen Membrane, wobei jede Fläche mit jeder der Elektroden (7a, 7b) im Kontakt ist; und eine Grenzschicht (3), die an die Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite auf einer Oberfläche der elektrolytischen Membrane (1) angrenzt, und zwischen einem Bereich, der leicht mit einem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, und der Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite gebildet ist, wobei die Grenzschicht (3) durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), auf die eine hydrophile Behandlung angewandt worden ist, gebildet ist.
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8, wobei die Grenzschicht (3) gebildet ist, um so eine Peripherie der Katalysatorschicht (2), die leicht mit Sauerstoffgas in Kontakt kommt, zu umgeben.
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8, wobei die Grenzschicht (3) zwischen einem Bereich in der Nähe des Durchdringungsdurchgangs (9), durch den Sauerstoffgas an die Kathodenseite, die leicht mit Sauerstoffgas in Kontakt kommt geliefert wird, und der Katalysatorschicht (2) gebildet ist.
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen (4) in der Grenzschicht (3) kleiner ist als eine Luftspaltquote zwischen den leitenden Teilchen (4) in der Katalysatorschicht (2).
Elektrolytische Membranenstruktur für die Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen (4) in der Grenzschicht (3) kleiner ist als ein Teilchendurchmesser der leitenden Teilchen (4) in der Katalysatorschicht (2).
Brennstoffzelle mit einer elektrolytischen Membrane (1), die zwischen einer Elektrode (7a) in einer Anodenseite und einer Elektrode (7b) in einer Kathodenseite angeordnet ist, umfassend: eine Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite und in der Kathodenseite, die entweder auf einer Fläche der elektrolytischen Membrane (1) oder einer Fläche der Elektrode (7a, 7b) gebildet ist, die eine Kontaktfläche zwischen der elektrolytischen Membrane (1) und jeder Elektrode (7a, 7b) ist, wobei die Katalysatorschicht (2) durch das Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), die Katalysatoren tragen, gebildet ist; und eine Grenzschicht (3), die an die Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite auf einer Fläche der elektrolytischen Membrane oder die Elektrode angrenzt, ist zwischen einem Bereich, der leicht mit einem Sauerstoffgas in Kontakt kommt, und der Katalysatorschicht (2) in der Anodenseite gebildet, wobei die Grenzschicht (3) durch Ausfüllen mit leitenden Teilchen (4), auf die eine hydrophile Behandlung angewandt ist, gebildet ist.