DE112005000646B4

DE112005000646B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112005000646B4
Application number: DE112005000646T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yokohama-shi Ohma; Yoshitaka Yokosuka Ono; Ryoichi Yokohama-shi Shimoi; Kazuya Tajiri
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: DE112005000646T5; CA2561634A1; CA2561634C; JP4967220B2; WO2005099001A1; US20070224477A1; JP2005285695A; US20110250523A1; US20120282537A1

Abstract

Brennstoffzelle (1), umfassend eine Membranelektrodenanordnung (5) und ein Paar Separatoren (10, 11), die die Membranelektrodenanordnung von beiden Seiten umgeben, sowie einen Stromentnahmebereich (23) an einem Ende der Separatoren (10 und 11), wobei
– die Membranelektrodenanordnung eine auf einer Oberflächenseite einer festen Polymerelektrolytmembran (2) ausgebildete Kathoden-Katalysatorschicht (3) mit einem Metallkatalysator (16) und eine die Außenseite der Kathoden-Katalysatorschicht (3) bedeckenden Gasdiffusionsschicht (6), sowie eine auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite der Elektrolytmembran ausgebildete Anoden-Katalysatorschicht (4), deren Außenseite von einer Gasdiffusionsschicht (7) bedeckt ist, aufweist
– im, auf der Gasdiffusionsschicht (6) angeordneten Separator (10) ein durch eine Vielzahl von im Separator ausgebildeten gebogenen parallelen Durchgängen gebildeter Oxidationsgasdurchgang (8) ausgebildet ist,
– im, auf der Gasdiffusionsschicht (7) angeordneten, Separator (11) ein durch eine Vielzahl von parallelen Durchgängen, die den Zuführverteiler (17) und den Ausgabeverteiler (18) linear verbinden, gebildeter Kühlwasserdurchgang (12) ausgebildet ist
– der Stromentnahmebereich (23) aus einer Verbindungsleitung (24), welche ein...

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Aufbau einer Kathoden-Katalysatorschicht einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle.
Hintergrund der Erfindung
Die JP2003-168443A , veröffentlicht 2003 vom Japanischen Patentamt, lehrt, dass der Aufbau einer Kathoden-Katalysatorschicht sich gemäß ihrer Position verändern soll, um die Betriebsleistung einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) zu verbessern.
Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, eine feste Polymerelektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode gelagert ist, einen Separator, der die Kathode an der gegenüberliegenden Seite der Elektrolytmembran berührt, und einen Separator, der die Anode an der gegenüberliegenden Seite der Elektrolytmembran berührt. Ein Gasdurchgang zum Einleiten eines Oxidationsgases ist in dem Separator, der die Kathode berührt, ausgebildet.
In diesem Stand der Technik wird der Aufbau der Kathoden-Katalysatorschicht derart verändert, dass die Menge an Platin und/oder die Menge eines Ionenaustauschharzes pro Flächeneinheit der Kathoden-Katalysatorschicht in der Nähe des Einlasses des Gasdurchgangs größer ist als in der Nähe des Auslasses vom Gasdurchgang.
Die Elektrolytmembran muss feucht sein, da jedoch Wasser als Ergebnis einer Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsgas in der Brennstoffzelle erzeugt wird, weist das der Kathode zugeführte Oxidationsgas unter Berücksichtigung der gesamten Reaktionswirkung vorzugsweise eine niedrige Feuchtigkeit auf. Dadurch ist die Atmosphäre in der Nähe des Einlasses des Gasdurchgangs trocken, und die Atmosphäre in der Nähe des Auslasses ist feucht. Der Stand der Technik erreicht eine einheitliche Reaktionswirkung in allen Bereichen der Kathode, indem die Menge an Platin und/oder die Menge an Ionenaustauschharz pro Flächeneinheit in der Nähe des Einlasses dementsprechend erhöht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Wenn jedoch eine Brennstoffzelle hohen Temperaturen oder starken elektrischen Potenzialen ausgesetzt ist, neigt ein aus Platin (Pt) oder dergleichen gebildeter Metallkatalysator durch Oxidation dazu, dass der wesentliche Reaktionsbereich der Kathode abnimmt. Die Position, in welcher der Metallkatalysator schmilzt, ist nicht auf die stromaufwärtige Seite des Gasdurchgangs beschränkt und wird durch die Verteilung des elektrischen Potenzials bestimmt. Somit nimmt in einem speziellen Bereich der Kathode, in dem eine Oxidation des Metallkatalysators wahrscheinlich auftritt, der Wirkungsgrad der Stromerzeugung ab, wenn die Brennstoffzelle über einen langen Zeitraum betrieben wird. Der Stand der Technik ist nicht in der Lage, ein solches Schmelzen des Metallkatalysators, das während eines langen Betriebszeitraums auftritt, zu beheben.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, eine vorteilhafte Reaktionswirkung in allen Bereichen einer Kathode über einen langen Zeitraum der Nutzung aufrecht zu erhalten.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, sieht diese Erfindung eine Brennstoffzelle (1) vor,
umfassend eine Membranelektrodenanordnung und ein Paar Separatoren, die die Membranelektrodenanordnung von beiden Seiten umgeben, sowie einen Stromentnahmebereich an einem Ende der Separatoren, wobei die Membranelektrodenanordnung eine auf einer Oberflächenseite einer festen Polymerelektrolytmembran ausgebildete Kathoden-Katalysatorschicht mit einem Metallkatalysator und eine die Außenseite der Kathoden-Katalysatorschicht bedeckenden Gasdiffusionsschicht sowie eine auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite der Elektrolytmembran ausgebildete Anodenkatalysatorschicht deren Außenseite von einer Gasdiffusionssicht bedeckt ist, aufweist im, auf der Gasdiffusionsschicht angeordneten Separator ein durch eine Vielzahl von im Separator ausgebildeten gebogenen parallelen Durchgängen gebildeter Oxidationsgasdurchgang ausgebildet ist, im, auf der Gasdiffusionsschicht angeordneten, Separator ein durch eine Vielzahl von parallelen Durchgängen, die den Zuführverteiler und den Ausgabeverteiler linear verbinden, gebildeter Kühlwasserdurchgang ausgebildet ist,
der Stromabnehmerbereich eine Verbindungsleitung, welche ein Ende des Separators und ein anderes Ende des Separators verbindet, und einer elektrischen Last, die an einem Punkt auf der Verbindungsleitung eingeführt wird, umfasst, wobei der Stromabnehmerbereich elektrisch mit der Kathoden-Katalysatorschicht verbunden ist,
die Kathoden-Katalysatorschicht einen speziellen Bereich aufweist, ausgewählt aus einem Bereich der Katalysatorschicht, welcher

i. einem stromabwärtigen Teil des Oxidationsgasdurchganges entspricht,
ii. dem Bereich des Oxidationsdurchgangs entspricht, der während der Stromerzeugungsreaktion der Brennstoffzelle eine Temperatur aufweist, die geringer ist als in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht,
iii. als ein vom Stromabnhemerbereich entfernter Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht festgelegt ist,

Die Einzelheiten sowie andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind in dem Rest der Beschreibung dargelegt und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Längsschnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß dieser Erfindung.
2A und 2B sind perspektivische Ansichten eines Katalysatorpartikels gemäß dieser Erfindung.
3 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Brennstoffzelle, welche einen Bereich A, der in dieser Erfindung festgelegt wird, darstellt.
4 ist eine Draufsicht auf eine Membranelektrodenanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
5A und 5B sind eine Vorderansicht und eine Rückansicht eines Separators gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
6 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Brennstoffzelle, die einen Bereich A, der in einem fünften Ausführungsbeispiel dieser Erfindung festlegt wird, darstellt.
7 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Brennstoffzelle, die einen Bereich A, der in einem sechsten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung festgelegt wird, darstellt.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels, der die Brennstoffzelle gemäß dieser Erfindung nutzt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Bezugnehmend auf 1 der Zeichnungen umfasst eine Brennstoffzelle 1 eine Membranelektrodenanordnung 5 und ein Paar von Separatoren 10 und 11, die die Membranelektrodenanordnung 5 von beiden Seiten umgeben.
Die Membranelektrodenanordnung 5 umfasst eine Kathoden-Katalysatorschicht 3, die auf einer Oberfläche einer festen Polymerelektrolytmembran 2 ausgebildet ist, deren Außenseite von einer Gasdiffusionsschicht 6 bedeckt ist, und eine Anoden-Katalysatorschicht 4, die auf der anderen Oberfläche der festen Polymerelektrolytmembran 2 ausgebildet ist, deren Außenseite von einer Gasdiffusionsschicht 7 bedeckt ist.
Die Kathoden-Katalysatorschicht 3, die Anoden-Katalysatorschicht 4 und die Gasdiffusionsschichten 6, 7 sind in einer planen Form ausgebildet, die identisch zur festen Polymerelektrolytmembran 2 und den Separatoren 10, 11, aber geringfügig kleiner als diese ist. Mit der Membranelektrodenanordnung 5, die zwischen dem Paar von Separatoren 10, 11 angeordnet ist, sind die Kathoden-Katalysatorschicht 3 und die Gasdiffusionsschicht 6 innerhalb einer Dichtung 13 eingeschlossen, die zwischen der festen Polymerelektrolytmembran 2 und dem Separator 10 gelagert ist. In ähnlicher Weise sind die Anoden-Katalysatorschicht 4 und die Gasdiffusionsschicht 7 innerhalb einer Dichtung 13 eingeschlossen, die zwischen der festen Polymerelektrolytmembran 2 und dem Separator 11 gelagert ist.
Eine Vielzahl von nutförmigen Oxidationsgasdurchgängen 8 ist in dem auf der Gasdiffusionsschicht 6 angeordneten Separator 10 ausgebildet. Eine Vielzahl von nutförmigen Brenngasdurchgängen 9 ist in dem auf der Gasdiffusionsschicht 7 angeordneten Separator 11 ausgebildet. Sauerstoff enthaltende Luft strömt durch die Oxidationsgasdurchgänge 8 und wasserstoffreiches Gas mit Wasserstoff als Hauptbestandteil strömt durch die Brenngasdurchgänge 9, vorzugsweise in Richtungen entgegengesetzt zueinander. Es sei jedoch angemerkt, dass die Gase nicht unbedingt in entgegengesetzten Richtungen strömen müssen.
Oxidationsgas wird von einem Oxidationsgas-Zuführverteiler, der so geformt ist, dass er vertikal durch die Brennstoffzelle 1 verläuft, zu den Oxidationsgasdurchgängen 8 verteilt. Brenngas wird von einem Brenngas-Zuführverteiler, der so geformt ist, dass er vertikal durch die Brennstoffzelle 1 verläuft, zu den Brenngasdurchgängen 9 verteilt.
Ein Kühlwasserdurchgang 12 ist auf der Rückfläche des kathodenseitigen Separators 10 ausgebildet. Die zwei Enden des Kühlwasserdurchgangs 12 sind mit einem Kühlwasser-Zuführverteiler 17 und einem Kühlwasser-Ausgabeverteiler 18 verbunden, die durch die Brennstoffzelle 1 in einer Längsrichtung verlaufen. Kühlwasser, das von dem Kühlwasser-Zuführverteiler 17 zum Kühlwasserdurchgang 12 geliefert wird, kühlt die Brennstoffzelle 1 nach einer Wärmeerzeugung, die durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 1 erzeugt wird, so dass die Temperatur der Brennstoffzelle 1 in geeigneter Weise aufrechterhalten wird. Wenn es die erzeugte Wärme der Brennstoffzelle 1 absorbiert hat, wird das Kühlwasser vom Kühlwasserdurchgang 12 durch den Kühlwasser-Ausgabeverteiler 18 nach außerhalb der Brennstoffzelle 1 ausgegeben.
Bezugnehmend auf 8 wird die Brennstoffzelle 1, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, zusammen mit anderen Brennstoffzellen 1 mit einem ähnlichen Aufbau geschichtet und als ein Brennstoffzellenstapel 100 mit einem Paar von Endplatten 201, die an jedem Ende angeordnet sind, verwendet.
In der Brennstoffzelle 1 strömt der Wasserstoff, der in dem wasserstoffreichen Gas, das zum Brenngasdurchgang 9 zugeführt wird, enthalten ist, durch die Gasdiffusionsschicht 7, um die Anoden-Katalysatorschicht 4 zu erreichen und verursacht die folgende Reaktion in der Anode. Der in der Luft, die zum Oxidationsgasdurchgang 8 zugeführt wird, enthaltene Sauerstoff strömt durch die Gasdiffusionsschicht 6, um die Kathoden-Katalysatorschicht 3 zu erreichen und verursacht die folgende elektrochemische Reaktion in der Kathode. Das elektrische Potenzial, das durch die Reaktionen erzeugt wird, wird als eine Spannung auf der Grundlage des Standard Hydrogen Electrode (SHE) ausgedrückt. Anode: 2H₂ → 2H⁺ + 2e^– (0V) Kathode: O₂ + 4H⁺ + 4e^– + 2H₂O (1,23 V)
Wie in diesen Reaktionsformeln gezeigt, erreicht die Kathode in der Brennstoffzelle 1 ein stärkeres elektrisches Potenzial als die Anode.
Bezugnehmend auf 2A und 2B besteht die Kathoden-Katalysatorschicht 3 aus einer großen Anzahl von Katalysatorpartikeln 14. Die Katalysatorpartikel 14 enthalten einen Metallkatalysator 16, der auf einem Träger 15 in der Form von winzigen Partikeln getragen wird und eine elektrochemische Reaktion in der Kathode erzeugt. In diesem Ausführungsbeispiel wird Ruß (Carbon Black) für den Träger 15 verwendet und Platinpartikel werden für den Metallkatalysator 16 verwendet. Es sei jedoch angemerkt, dass diese Erfindung die Verwendung anderer Materialien für den Träger 15 oder Metallkatalysator 16 nicht ausschließt. Die Kathoden-Katalysatorschicht 3 wird durch Beschichten der Elektrolytmembran 2 mit einer Lösung der Katalysatorpartikel 14, die in einer solchen Weise aufgebaut sind, gebildet.
Die Anoden-Katalysatorschicht 4 ist ähnlich zur Kathoden-Katalysatorschicht 3 aufgebaut.
Wenn sich die oben beschriebene Brennstoffzelle 1 in einem Zustand eines starken elektrischen Potenzials befindet, wird eine Oxidationsreaktion, die in der folgenden Reaktionsformel gezeigt ist, in dem Metallkatalysator 16 der Kathoden-Katalysatorschicht 3 erzeugt. Die in Klammern angegebene Spannung basiert auf dem oben erwähnten Standard SHE. Pt → Pt2⁺ + 2e^– (1,19 V)
Genauer gesagt startet das Platin die Oxidationsreaktion bei einer elektrischen Potenzialdifferenz von ungefähr 1,2 V. Die Oxidationsreaktion tritt leichter auf, wenn die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran 2 ansteigt. Im Umkreis des elektrischen Differenzialpotentials von 1,2 V beginnt die Oxidationsreaktion sogar bei einem elektrischen Potenzial unter 1,2 V.
Das Platin schmilzt durch die Oxidationsreaktion und dadurch nimmt die spezifische Oberfläche des Katalysators ab, was zu einer Verschlechterung der katalytischen Funktion der Kathoden-Katalysatorschicht 3 führt. Eine Verschlechterung der katalytischen Funktion verursacht, dass der Wirkungsgrad der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 1 abnimmt.
Das elektrische Potenzial E der Elektrolytmembran 2 auf der Grundlage der Standard Hydrogen Electrode (SHE), ist abhangig von der Protonenkonzentration [H+], die durch die Elektrolytmembran 2 strömt, wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt. E = a / 2,303·ln[H⁺] oder E = a· log₁₀[H+] wobei

a: = temperaturabhängige Konstante.

Die Konstante a ist 0,059 bei 25°C. Die Größe In bezeichnet einen natürlichen Logarithmus, während log₁₀ einen Briggschen Logarithmus bezeichnet.
Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, steigt das elektrolytische Potenzial, wenn die Protonenkonzentration [H⁺], die durch die Elektrolytmembran 2 strömt, ansteigt. Dadurch nimmt die elektrische Potenzialdifferenz zur Kathoden-Katalysatorschicht 3 ab. Wenn die Protonenkonzentration [H⁺], die durch die Elektrolytmembran 2 strömt, abnimmt, fällt das elektrolytische Potenzial, und somit steigt die elektrische Potenzialdifferenz zur Kathoden-Katalysatorschicht 3.
Die Protonenkonzentration [H⁺], die durch die Elektrolytmembran 2 strömt, hängt eng mit der Stromdichte der Reaktionsoberfläche der Brennstoffzelle 1 zusammen. Mit anderen Worten, an Stellen, wo die Stromdichte gering ist, ist die Protonenkonzentration [H⁺], die durch die Elektrolytmembran 2 strömt, niedrig, und an Stellen, wo die Stromdichte groß ist, ist die Protonenkonzentration [H⁺], die durch die Elektrolytmembran 2 strömt, hoch.
Die Protonenkonzentration [H⁺], die durch die Elektrolytmembran 2 strömt, ist abhängig von dem Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran 2, so dass die Protonenkonzentration [H⁺] fällt, wenn der Feuchtigkeitsgehalt ansteigt.
Aus den oben beschriebenen Verknüpfungen ist, in Bezug auf den Oxidationsgasfluss, die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran 2 auf der stromabwärtigen Seite des Oxidationsgasflusses groß. Wie oben erwähnt, wird Wasser in der Kathode durch die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt und dieses Wasser mischt sich im Oxidationsgasdurchgang 8 mit dem Oxidationsgas. Inzwischen wird der Sauerstoff im Oxidationsgas in der Reaktion in der Kathode verbraucht. Dadurch steigt die Feuchtigkeit des Oxidationsgases in Richtung zur stromabwärtigen Seite des Oxidationsgasdurchgangs 8. Dementsprechend nimmt auch der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran 2 in Richtung zur stromabwärtigen Seite des Oxidationsgasdurchgangs 8 zu, während die Protonenkonzentration [H⁺] abnimmt.
Mit anderen Worten, auch wenn das elektrische Potenzial der Kathoden-Katalysatorschicht 3 auf der Grundlage von SHE konstant ist, nimmt das elektrische Potenzial der Elektrolytmembran 2 in Richtung zur stromabwärtigen Seite des Oxidationsgasdurchgangs 8 ab, und die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran 2 nimmt zu. Weiterhin nimmt die Stromdichte in Richtung zur stromabwärten Seite des Oxidationsgasdurchgangs 8 ab.
Bezugnehmend auf 3 ist hier der stromabwärtige Bereich des Oxidationsgasdurchgangs 8 als ein Bereich A festgelegt, in dem die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran 2 groß ist.
Im Bereich A ist die Menge des Metallkatalysators 16 pro Flächeneinheit der Kathoden-Katalysatorschicht 3 so festgelegt, dass sie größer als im anderen Bereich ist. Genauer ist im Bereich A die aufgebrachte Menge der Katalysatorpartikel 14 auf der Elektrolytmembran 2, um die Kathoden-Katalysatorschicht 3 zu bilden, über die des anderen Bereichs hinaus erhöht. Um es ganz einfach zu erklären: Die aufgebrachte Menge der Katalysatorpartikel 14 kann erhöht werden, indem die Anzahl der Male der Beschichtung erhöht wird.
Hier ist die aufgebrachte Menge der Katalysatorpartikel 14 in dem Bereich A auf 0,6 mg/cm² festgelegt, und die aufgebrachte Menge der Katalysatorpartikel 14 in dem anderen Bereich ist auf 0,4 mg/cm² festgelegt.
Somit kann durch Erhöhen der Menge des Metallkatalysators 16 in dem Bereich A, in dem der Metallkatalysator 16 der Kathoden-Katalysatorschicht 3 aufgrund der elektrischen Potenzialdifferenz eher schmilzt, eine Abnahme der Ausgangsspannung, verursacht durch Schmelzen des Metallkatalysators 16 in dem Bereich A, verhindert werden. Dadurch kann eine einheitliche Reaktionswirkung in allen Bereichen der Kathode über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden und eine Abnahme der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 mit der Zeit kann verhindert werden, was eine Verbesserung der Haltbarkeit ermöglicht.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Bereich A als der stromabwärtige Bereich des Oxidationsgasdurchgangs 8 festgelegt, aber der Bereich mit hoher Feuchtigkeit des Oxidationsgasdurchgangs 8 und/oder des Brenngasdurchgangs 9 kann als der Bereich A festgelegt werden. Wenn eine Überflutung im Brenngasdurchgang 9 auftritt, wird die Brenngaszufuhr unzureichend und dadurch kann Kohlenstoffkorrosion oder Platinkorrosion entstehen. Durch Festlegen des Bereichs A gemäß der Feuchtigkeit des Brenngasdurchgangs 9 sowie der Feuchtigkeit des Oxidationsgasdurchgangs 8 kann eine Abnahme der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 aufgrund einer solchen Korrosion verhindert werden.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann der Bereich A, in dem die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran 2 groß ist, in verschiedener Weise in Übereinstimmung mit seinem Verhältnis zur Stromdichte, dem Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran 2 und zum Oxidationsgasdurchgang 8 definiert werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 2A und 2B ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die spezifische Oberfläche des Metallkatalysators 16 in dem Bereich A an Stelle der aufgebrachten Menge der Katalysatorpartikel 14 vergrößert.
Genauer werden Metallkatalysatorpartikel 16a mit dem in 2A gezeigten Partikeldurchmesser auf dem Träger 15 in dem anderen Bereich getragen, während Metallkatalysatorpartikel 16b mit einem kleineren Partikeldurchmesser, wie in 2B gezeigt, auf dem Träger 15 in dem Bereich A getragen werden. Durch Verringerung des Partikeldurchmessers vergrößert sich der effektive Oberflächenbereich der Partikel, welche die elektrochemische Reaktion erzeugen. Somit kann durch Vergrößern der spezifischen Oberfläche des Metallkatalysators 16 eine identische Wirkung erhalten werden, ohne die Menge des Metallkatalysators 16 zu erhöhen.
Es sei angemerkt, dass auch in diesem Ausführungsbeispiel der Bereich A auf verschiedene Arten definiert werden kann, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Als Nächstes wird ein drittes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Zusammensetzung der Katalysatorpartikel 14 in dem Bereich A verändert, anstatt die aufgebrachte Menge der Katalysatorpartikel 14 zu erhöhen.
Genauer werden in dem Bereich A Katalysatorpartikel mit einem Platingewichtsverhältnis von 50 Gew.-% als die Katalysatorpartikel 14 angewandt, während im anderen Bereich Katalysatorpartikel mit einem Platingewichtsverhältnis von 40 Gew.-% als die Katalysatorpartikel 14 angewandt werden. Durch diese Anordnung kann der Platingehalt in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 verändert werden, ohne die aufgebrachte Menge der Katalysatorpartikel 14 zu verändern. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, den Platingehalt in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 ohne Veränderung der aufgebrachten Menge der Katalysatorpartikel 14 zu verändern, indem das Mischverhältnis der zwei Arten von Katalysatorpartikeln mit unterschiedlichem Platingewichtsverhältnis im Bereich A und dem anderen Bereich variiert wird.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 und 5A und 5B ein viertes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
In den Zeichnungen hat die Elektrolytmembran 2 eine im Wesentlichen rechteckige plane Form und die Kathoden-Katalysatorschicht 3, die auf die Elektrolytmembran 2 beschichtet ist, nimmt eine rechteckige Form an, die geringfügig kleiner ist als die der Elektrolytmembran 2.
Der Kühlwasser-Zuführverteiler 17, der Kühlwasser-Ausgabeverteiler 18, der Oxidationsgas-Zuführverteiler 19, der Oxidationsgas-Ausgabeverteiler 20, der Brenngas-Zuführverteiler 21 und der Brenngas-Ausgabeverteiler 22 sind durch die Elektrolytmembran 2 und die Separatoren 10, 11 außerhalb des Umfangs der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Anoden-Katalysatorschicht 4 ausgebildet. Der Kühlwasser-Zuführverteiler 17 und der Ausgabeverteiler 18 durchdringen die rechteckig geformte Elektrolytmembran 2 an einem rechteckigen Querschnitt entlang zwei gegenüberliegender Seiten des Rechtecks. Der Oxidationsgas-Zuführverteiler 19 und der Brenngas-Ausgabeverteiler 22 sind aufeinanderfolgend auf einer der zwei verbleibenden Seiten des Rechtecks ausgebildet, und der Oxidationsgas-Ausgabeverteiler 20 und der Brenngas-Zuführverteiler 21 sind aufeinanderfolgend auf der anderen der zwei verbleibenden Seiten des Rechtecks ausgebildet.
Das durch den Zuführverteiler 19 zugeführte Oxidationsgas strömt den Oxidationsgasdurchgang 8 hinab und wird über den Ausgabeverteiler 20 nach außerhalb der Brennstoffzelle 1 ausgegeben. Das durch den Zuführverteiler 21 zugeführte Brenngas strömt den Brenngasdurchgang 9 hinab und wird durch den Ausgabeverteiler 22 nach außerhalb der Brennstoffzelle 1 ausgegeben.
Wie in 5A gezeigt, wird in diesem Ausführungsbeispiel der im Separator 10 ausgebildete Oxidationsgasdurchgang 8 durch eine Vielzahl von gebogenen parallelen Durchgängen gebildet. Jeder Durchgang ist durch eine Rippe definiert. Wie in 5B gezeigt, wird der im Separator 11 ausgebildete Kühlwasserdurchgang 12 durch eine Vielzahl von parallelen Durchgängen, die den Zuführverteiler 17 und den Ausgabeverteiler 18 linear verbinden, gebildet. Der Grund für diese Anordnung ist, sicherzustellen, dass der stromaufwärtige Bereich des Kühlwasserdurchgangs 12 den stromabwärtigen Bereich des Oxidationsgasdurchgangs 8 überlappt, und dass der stromabwärtige Bereich des Kühlwasserdurchgangs 12 den stromaufwärtigen Bereich des Oxidationsgasdurchgangs 8 überlappt. Es sei jedoch angemerkt, dass ein ähnliches überlappendes Verhältnis durch eine andere Anordnung des Oxidationsgasdurchgangs 8 und des Kühlwasserdurchgangs 12 realisiert werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Bereich mit einer großen elektrischen Potenzialdifferenz zwischen der Elektrolytmembran 2 und der Kathoden-Katalysatorschicht 3 durch die Temperatur der Kathoden-Katalysatorschicht 3 definiert. Genauer gesagt, wird im Niedrigtemperaturbereich der Kathoden-Katalysatorschicht 3 Kondenswasser einfach erzeugt, und es ist schwierig, Wasser auszuscheiden. Dadurch steigt der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran 2 und das elektrische Potenzial der Elektrolytmembran 2 fällt, was zu einer großen Potenzialdifferenz zur Kathoden-Katalysatorschicht 3 führt. Somit wird in diesem Ausführungsbeispiel der Niedrigtemperaturbereich der Kathoden-Katalysatorschicht 3 als der Bereich A festgelegt. Genauer entsprechen der stromaufwärtige Bereich des Kühlwasserdurchgangs 12 und der überlappende stromabwärtige Bereich des Oxidationsgasdurchgangs 8 dem Bereich A. Die Menge oder die spezifische Oberfläche des Metallkatalysators 16 in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 ist im Bereich A, der wie oben beschrieben festgelegt ist, vergrößert, indem eines der Verfahren, die im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, angewandt wird.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Nichtreaktanz-Oxidationsgas, das in den Oxidationsgas-Ausgabeverteiler ausgegeben wurde, wieder in einen Konvergenzbereich 8a zugeführt, der an einem Punkt in der Mitte entlang des Oxidationsgasdurchgangs 8 vorgesehen ist. Der Bereich A ist in Übereinstimmung mit dem Konvergenzbereich 8a an einer anderen Position als im ersten Ausführungsbeispiel festgelegt. Ansonsten ist das fünfte Ausführungsbeispiel identisch zum ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut.
Ein Verfahren zur Festlegung des Bereichs A in diesem Ausführungsbeispiel wird nun beschrieben.
Im Oxidationsgasdurchgang 8 ist die Menge an Oxidationsgas direkt vor der Zusammenführung mit dem Nichtreaktanz-Oxidationsgas kleiner als nach der Zusammenführung, und somit nimmt die Fähigkeit, das im Oxidationsgasdurchgang 8 erzeugte Wasser auszuscheiden, ab, was den Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran 2 wahrscheinlich ansteigen lässt. Außerdem nimmt in diesem Bereich die Reaktionsrate der elektrochemischen Reaktion in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 zwischen dem Wasserstoff, der durch die Elektrolytmembran 2 strömt, und dem Sauerstoff im Oxidationsgas, das vom Oxidationsgasdurchgang 8 zugeführt wird, ab, und die Stromdichte sinkt. Somit ist es wahrscheinlich, dass in diesem Bereich die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran 2 zunimmt.
Deshalb sind in diesem Ausführungsbeispiel der Bereich direkt stromaufwärts des Nichtreaktanz-Oxidationsgas-Konvergenzbereichs 8a und der stromabwärtige Bereich des Oxidationsgasdurchgangs 8, der vom vorgenannten Bereich um einen Spalt entfernt ist, als der Bereich A festgelegt. Die Menge oder die spezifische Oberfläche des Metallkatalysators 16 in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 ist in dem Bereich A, der auf diese Weise festgelegt wird, vergrößert, indem eines der Verfahren, das im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, angewandt wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Bereich A in Übereinstimmung mit der Veränderung der Oxidationsgas-Durchflussmenge durch den Oxidationsgasdurchgang 8 festgelegt, und somit kann die Anwendung dieser Erfindung auf eine Brennstoffzelle mit einem Oxidationsgas-Rückführungsmechanismus optimiert werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
Die Brennstoffzelle 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst einen Stromentnahmebereich 23 an einem Ende der Separatoren 10 und 11. Der Stromentnahmebereich 23 besteht aus einer Verbindungsleitung 24, welche ein Ende des Separators 10 und ein Ende des Separators 11 verbindet, und einer elektrischen Last 25, die an einem Punkt auf der Verbindungsleitung 24 eingeführt wird.
Ein Elektron e^– das durch die Stromerzeugungsreaktion der Brennstoffzelle 1 erzeugt wird, bewegt sich vom Separator 11 auf der Seite der Anoden-Katalysatorschicht 4 durch die elektrische Last 25 zum Separator 10 auf der Seite der Kathoden-Katalysatorschicht 3, wodurch ein Strom in der entgegengesetzten Richtung zur Fließrichtung des Elektrons e^– gebildet wird. Im Inneren der Brennstoffzelle 1 fließt der Rückwärtsstrom entlang der Beschichtungsebene der Kathoden-Katalysatorschicht 3, wie durch den Pfeil in der Zeichnung gezeigt, während das Elektron e^– von der Verbindungsleitung 24 zu jedem Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht 3 zugeführt wird. Dadurch wird eine elektrische Potenzialdifferenz entlang der Beschichtungsebene der Kathoden-Katalysatorschicht 3 erzeugt, so dass das elektrische Potenzial der Kathoden-Katalysatorschicht 3 vom Verbindungsbereich zwischen dem Separator 10 und der Verbindungsleitung allmählich zunimmt.
In der Zwischenzeit tritt entfernt vom Verbindungsbereich zur Verbindungsleitung 24 aufgrund eines Elektronenübertragungswiderstandes im Separator 10 eine Verzögerung bei der Zufuhr des Elektrons e^–, das in der elektrochemischen Reaktion in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 verwendet wird, auf und somit tritt eine Verzögerung in der elektrochemischen Reaktion auf. Dadurch nimmt die Protonenkonzentration [H⁺] des Bereichs entfernt vom Verbindungsbereich zur Verbindungsleitung 24 ab, was eine Verringerung des elektrischen Potenzials der Elektrolytmembran 2 verursacht.
Somit nimmt die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran 2 allmählich zu, wenn sich der Abstand vom Verbindungsbereich mit der Verbindungsleitung 24 vergrößert.
In diesem Ausführungsbeispiel wird deshalb der Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht 3, der vom Verbindungsbereich mit der Verbindungsleitung 24 entfernt ist, also ein vom Stromentnahmebereich 23 entfernter Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht 3, als der Bereich A festgelegt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Menge oder die spezifische Oberfläche des Metallkatalysators 16 in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 im Bereich A, der auf diese Weise festgelegt wird, vergrößert, indem eines der Verfahren, das im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, angewandt wird.
Durch Vergrößern der Menge oder die spezifische Oberfläche des Metallkatalysators 16 in Übereinstimmung mit dem Abstand vom Stromentnahmebereich 23 ist es möglich, das Schmelzen des Metallkatalysators 16 aufgrund der großen elektrischen Potenzialdifferenz auszugleichen, und somit kann eine einheitliche Reaktionswirkung in allen Bereichen der Kathode über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Stromentnahmebereich 23 am Endbereich der Separatoren 10 und 11 vorgesehen, aber in Fällen, in denen Stromentnahmebereiche an einer Vielzahl von Stellen auf den Separatoren 10 und 11 vorgesehen sind, wird der Bereich A in Übereinstimmung mit dem Abstand von jedem der Stromentnahmebereiche festgelegt.
Bei einem Brennstoffzellenstapel, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen 1, die in einer einzigen Richtung geschichtet sind, besteht, wird der Strom typischerweise von beiden Enden des Stapels entnommen. In diesem Fall wird eine vorteilhafte Wirkung erhalten, indem die Brennstoffzellen an den Endbereichen des Stapels in der Nähe der Stromentnahmebereiche ähnlich zur Brennstoffzelle 1 dieses Ausführungsbeispiels aufgebaut sind.
Auch wenn die Erfindung oben unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abänderungen und Variationen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele werden den Fachleuten auf dem Gebiet in den Sinn kommen, innerhalb des Umfangs der Ansprüche.
Zum Beispiel ist in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die Menge oder die spezifische Oberfläche des Metallkatalysators 16 in der Kathoden-Katalysatorschicht 3 in dem Bereich A konstant vergrößert, aber die vergrößerte Menge kann stufenweise angehoben werden. Zum Beispiel kann die Menge oder die spezifische Oberfläche des Metallkatalysators 16 größer werden, wenn die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 3 und der Elektrolytmembran ansteigt.
Industrielles Anwendungsgebiet
Wie oben beschrieben bietet diese Erfindung die vorteilhaften Wirkungen einer Verbesserung der Haltbarkeit einer Brennstoffzelle, die eine feste Polymer-Elektrolytmembran nutzt, und die Bewahrung ihrer Funktionen über einen langen Zeitraum.
Die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung, an denen ein ausschließliches Eigentum oder Vorrecht beansprucht wird, werden nachfolgend definiert:

Claims

Brennstoffzelle (1), umfassend eine Membranelektrodenanordnung (5) und ein Paar Separatoren (10, 11), die die Membranelektrodenanordnung von beiden Seiten umgeben, sowie einen Stromentnahmebereich (23) an einem Ende der Separatoren (10 und 11), wobei – die Membranelektrodenanordnung eine auf einer Oberflächenseite einer festen Polymerelektrolytmembran (2) ausgebildete Kathoden-Katalysatorschicht (3) mit einem Metallkatalysator (16) und eine die Außenseite der Kathoden-Katalysatorschicht (3) bedeckenden Gasdiffusionsschicht (6), sowie eine auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite der Elektrolytmembran ausgebildete Anoden-Katalysatorschicht (4), deren Außenseite von einer Gasdiffusionsschicht (7) bedeckt ist, aufweist – im, auf der Gasdiffusionsschicht (6) angeordneten Separator (10) ein durch eine Vielzahl von im Separator ausgebildeten gebogenen parallelen Durchgängen gebildeter Oxidationsgasdurchgang (8) ausgebildet ist, – im, auf der Gasdiffusionsschicht (7) angeordneten, Separator (11) ein durch eine Vielzahl von parallelen Durchgängen, die den Zuführverteiler (17) und den Ausgabeverteiler (18) linear verbinden, gebildeter Kühlwasserdurchgang (12) ausgebildet ist – der Stromentnahmebereich (23) aus einer Verbindungsleitung (24), welche ein Ende des Separators (10) und ein Ende des Separators (11) verbindet, und einer elektrischen Last (25) die an einem Punkt auf der Verbindungsleitung eingeführt wird, besteht, wobei der Stromentnahmebereich (23) elektrisch mit der Kathoden-Katalysatorschicht (3) verbunden ist, – die Kathoden-Katalysatorschicht (3) einen speziellen Bereich A aufweist, ausgewählt aus einem Bereich der Katalysatorschicht (3), welcher i. einem stromabwärtigen Teil des Oxidationsgasdurchganges (8) entspricht, ii. dem Bereich des Oxidationsdurchgangs (8) entspricht, der während der Stromerzeugungsreaktion der Brennstoffzelle (1) eine Temperatur aufweist, die geringer ist als in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3), iii. als ein vom Stromentnahmebereich (23) entfernter Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3) festgelegt ist, in dem eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht (3) und der Elektrolytmembran (2) während einer Stromerzeugungsreaktion der Brennstoffzelle (1) größer ist als im restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3) und wobei Menge oder spezifische Oberfläche des Metallkatalysators (16) in dem speziellen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3) größer sind, als in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3).
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, wobei ein Kühlwasser-Zuführverteiler (17), ein Kühlwasser-Ausgabeverteiler (18), ein Oxidationgas-Zuführverteiler (19) und ein Oxidationsgas-Ausgabeverteiler (20), ein Brenngas-Zuführverteiler (21) und ein Brenngas-Ausgabeverteiler (22) durch eine rechteckig geformte Elektrolytmembran (2) und die Separatoren (10, 11) außerhalb des Umfangs der Kathoden-Katalysatorschicht (3) und der Anoden-Katalysatorschicht (4) ausgebildet sind, wobei der Kühlwasser-Zuführverteiler (17) und der Kühlwasser-Ausgabeverteiler (18) die Elektrolytmembran (2) an gegenüberliegenden Seiten durchdringen, der Oxidationsgas-Zuführverteiler (19) und der Brenngas-Ausgabeverteiler (22) auf einanderfolgend auf einer der zwei verbleibenden Seiten ausgebildet sind, und der Oxidationsgas-Ausgabeverteiler (20) und der Brenngas-Zuführverteiler (21) aufeinanderfolgend auf der anderen der zwei verbleibenden Seiten ausgebildet sind, der spezielle Bereich A einem stromaufwärtigen Bereich des Kühlwasserdurchgangs (12) und einem überlappenden stromabwärtigen Bereich des Oxidationsgasdurchgangs (8) entspricht.
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, wobei der bei einem in der Mitte des Oxidationsgasdurchgangs (8) vorgesehenen Oxidationsgas-Konvergenzpunkt (8a), an dem über den Oxidationsgas-Ausgabeverteiler (20) ausgegebenes nicht reagiertes Oxidationsgas wieder zuführbar ist, als ein Bereich A direkt stromaufwärts des Konvergenzpunktes (8a) festgelegt ist.
Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kathoden-Katalysatorschicht (3) Katalysatorpartikel (14) enthält, von denen jeder einen Träger (15) umfasst, der einen Metallkatalysator (16) trägt, wobei die Katalysatorpartikel (14) in dem speziellen Bereich A in einer Menge der pro Flächeneinheit der Kathoden-Katalysatorschicht (3) vorliegen, die größer ist, als in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3).
Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kathoden-Katalysatorschicht (3) Katalysatorpartikel (14) enthält, von denen jeder einen Träger (15) umfasst, der einen Metallkatalysator (16) trägt, wobei das Verhältnis der Menge des Metallkatalysators (16) zur Menge des Trägers (15) in dem speziellen Bereich A einen größeren Wert aufweist, als in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3).
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 5, wobei die Menge der Katalysatorpartikel (14) pro Flächeneinheit der Kathoden-Katalysatorschicht (3) in dem speziellen Bereich A gleich der Menge der Katalysatorpartikel (14) pro Flächeneinheit der Kathoden-Katalysatorschicht (3) in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3) ist.
Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kathoden-Katalysatorschicht (3) Katalysatorpartikel (14) enthält, von denen jeder einen Träger (15) umfasst, der einen Metallkatalysator (16) trägt, wobei die spezifische Oberfläche der Partikel des Metallkatalysators (16) in dem speziellen Bereich A einen größeren Wert auf weist, als in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3).
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 7, wobei die Partikel des Metallkatalysators (16) in dem speziellen Bereich A einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als der Durchmesser der Partikel des Metallkatalysators (16) in dem restlichen Bereich der Kathoden-Katalysatorschicht (3).