DE112006002255T5 - Elektrodenstruktur einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Keiji Kariya Hashimoto
Eiichirou Kariya Morozumi
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Abstract

Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch Reaktion zwischen von außen zugeführten Brennstoffgas und oxidierendem Gas erzeugt, aufweisend:
eine Elektrolytmembran, die selektiv für bestimmte Ionen durchlässig ist;
eine Anoden-Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet ist, welche molekularen Wasserstoff, der in von außen zugeführtem Brennstoffgas enthalten ist, in atomaren Wasserstoff und Elektronen dissoziieren lässt und Festphasendiffusion des dissoziierten atomaren Wasserstoffs zu der Elektrolytmembran ermöglicht; und
eine Kathoden-Elektrodenschicht, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran erzeugt ist und die Reaktion zwischen molekularem Sauerstoff, der in von außen eingeführtem oxidierenden Gas enthalten ist, und Elektronen, die durch Dissoziation, die durch die Anoden-Elektrodenschicht verursacht wird, erzeugt werden, bewirkt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere die Struktur einer Elektrode, die in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (oder Brennstoffzelle vom Protonenaustauschmembranentyp (PEM)) eingesetzt wird.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle schließt eine Membran-Elektrode-Anordnung (MEA), die eine Elektrolytmembran aufweist, die aus einer Ionenaustauschmembran erzeugt wurde, welche selektiv für Kationen (speziell Wasserstoffionen) durchlässig ist; eine Anoden-Elektrodenschicht, die eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht einschließt und auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, wo Brennstoffgas (z. B. Wasserstoffgas) eingeführt wird; und eine Kathoden-Elektrodenschicht, die eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht einschließt und auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, wo oxidierendes Gas (z. B. Luft) eingeführt wird, ein.
  • Wenn Brennstoffgas und oxidierendes Gas (können nachstehend gemeinsam als Gas bezeichnet werden) einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle dieser Art zugeführt werden, treten Reaktionen, die durch die folgenden Reaktionsformeln 1 und 2 wiedergegeben werden, in der Anoden-Elektrodenschicht bzw. der Kathoden-Elektrodenschicht auf. Genauer gesagt tritt in der Anoden-Elektrodenschicht eine Reaktion ein, dass Wasserstoffgas in Wasserstoffionen und Elektronen dissoziiert, und die dissoziierten Wasserstoffionen (d. h. Kationen) bewegen sich durch die Elektrolytmembran auf die Kathoden- Elektrodenschicht zu. Auf der Kathoden-Elektrodenschicht tritt eine Reaktion ein, dass sich Wasser aus Sauerstoff, der in Luft enthalten ist, Wasserstoffionen und Elektronen bildet.
  • Anoden-Elektrodenschicht:
    • H2 → 2H+ + 2e– Reaktionsformel 1
  • Kathoden-Elektrodenschicht:
    • 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O Reaktionsformel 2
  • Durch die vorstehenden Reaktionen liefert die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität an ihr Äußeres.
  • Wasserstoffionen, die durch Dissoziation in der Anoden-Elektrodenschicht erzeugt wurden, bewegen sich zusammen mit Wasser durch die Elektrolytmembran auf die Kathoden-Elektrodenschicht zu. Mit anderen Worten, Wasserstoffionen bewegen sich von der Anoden-Elektrodenschicht zu der Kathoden-Elektrodenschicht durch Hydratation mit Wasser, das in der Elektrolytmembran gehalten wird. Demgemäß erniedrigt sich der Wassergehalt der Elektrolytmembran in der Anoden-Elektrodenschicht in dem Maße, wie die vorstehenden Reaktionen fortschreiten.
  • In einem Zustand, wo der Wassergehalt der Elektrolytmembran erniedrigt ist (in einem so genannten Austrocknungszustand), wird Wasser, das für die Bewegung der Wasserstoffionen erforderlich ist, nicht ausreichend. Als Folge nimmt der elektrische Widerstand, der mit der Permeation von Wasserstoffionen durch die Elektrolytmembran verbunden ist, zu, was möglicherweise zu einem Abfall der Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität führt. Im Allgemeinen wird, um einen Austrocknungszustand der Elektrolytmembran zu vermeiden, beispielsweise ein Befeuchtungsmittel getrennt bereitgestellt, um Wasserstoffgas mit befeuchtendem Wasser (Wasserdampf) zu mischen, und das der art befeuchtete Wasserstoffgas wird der Anoden-Elektrodenschicht zugeführt.
  • Die Betriebstemperatur der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle wird üblicherweise auf etwa 80 °C eingestellt. Demgemäß schwankt die Randtemperatur der MEA von einer Temperatur, die im Wesentlichen gleich der Temperatur der Außenluft ist, bis zu einer Betriebstemperatur. In einem Zustand, wo die Randtemperatur der MEA schwankt, schwankt demgemäß der gesättigte Dampfdruck des Wasserdampfs (befeuchtendes Wasser), der zusammen mit Wasserstoffgas zugeführt wird. Somit kann eine große Menge an Wasser (überschüssiges Wasser) in der Nähe der Anoden-Elektrodenschicht kondensiert werden. In diesem Fall nimmt der Wassergehalt der Polymerelektrolytmembran auf der Anoden-Elektrodenschicht zu, aber es ergibt sich ein problematischer Zustand, wo überschüssiges Wasser auf die Anoden-Elektrodenschicht abgeschieden wird (ein so genannter Überschwemmungszustand).
  • Das Auftreten eines Überschwemmungszustands behindert die Zufuhr von Wasserstoffgas zu einer Katalysatorschicht, aus welcher die Anoden-Elektrodenschicht zum Teil besteht. Genauer gesagt bewirkt, da Wasserstoffgas sich mittels Gasphasendiffusion durch Poren bewegt, welche in der Katalysatorschicht erzeugt sind und als Durchgang dienen, das Auftreten eines Überschwemmungszustands auf der Anoden-Elektrodenschicht eine Blockade der Poren, wodurch die Zufuhr von Wasserstoffgas gehindert wird. Als Folge neigt sich die Reaktion der Dissoziation in der Anoden-Elektrodenschicht dem Ende zu, was zu einem Abfall der Wasserstoffionen und Elektronen führt, die sich auf die Kathoden-Elektrodenschicht zu bewegen. Demgemäß bewirkt das Auftreten eines Überschwemmungszustands auf der Anoden-Elektrodenschicht möglicherweise auch einen Abfall der Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität. Wie aus dem vorstehenden klar wird, ist es bei der Polymerelektro lyt-Brennstoffzelle wichtig, einen passenden Wassergehalt der MEA beizubehalten; insbesondere den der Elektrolytmembran.
  • Um das vorstehende Problem zu bewältigen, offenbart beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2004-158387 eine Elektrodenstruktur für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, welche einen passenden Wassergehalt einer Elektrolytmembran beibehalten kann. Bei der herkömmlichen Elektrodenstruktur bestehen sowohl eine Anoden-Elektrodenschicht als auch eine Kathoden-Elektrodenschicht aus einer Elektroden-Katalysatorschicht (Katalysatorschicht), welche Poren bildendes Material zur Verbesserung der Wasserdrainage einschließt, und einer Gasdiffusionsschicht, auf welcher eine Wasserrückhalteschicht zur Verbesserung der Wasserspeicherung erzeugt wird. Weiterhin wird, um überschüssiges Wasser aus der Gasdiffusionsschicht abzuleiten, eine wasserabweisende Schicht zwischen der Wasserrückhalteschicht und der Gasdiffusionsschicht bereitgestellt.
  • Bei der derart konfigurierten Elektrodenstruktur zeigen die Elektroden-Katalysatorschichten (Katalysatorschichten) verbesserte Wasserdrainage, wodurch das Auftreten eines Überschwemmungszustands an der Kathoden-Elektrodenschicht, welcher ansonsten aus der Erzeugung von Wasser resultieren kann, die mit der vorstehend erwähnten Reaktion verknüpft ist, ebenso wie das Auftreten eines Überschwemmungszustands an der Anoden-Elektrodenschicht unterdrückt wird, welcher ansonsten von überschüssigem Wasser resultieren kann. Da die Gasdiffusionsschichten jeweils die Wasserrückhalteschicht aufweisen, kann auch das Auftreten eines Austrocknungszustands in der Elektrolytmembran unterdrückt werden. Weiterhin kann, da die Bereitstellung der wasserabweisenden Schichten die Drainage von überschüssigem Wasser, das in den Gasdiffusionsschichten erzeugt wird, ermöglicht, Gas günstigerweise von den Gasdiffusionsschichten zu den ent sprechenden Elektroden-Katalysatorschichten (Katalysatorschichten) zugeführt werden, und die Wasserrückhalteschichten können passende Wasserspeicherung beibehalten.
  • Wie aus den vorstehend erwähnten Reaktionsformeln 1 und 2 offensichtlich ist, erzeugt die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle Elektrizität durch Verbrauchen von Wasserstoffgas, welches als Brennstoffgas dient. Demgemäß verbraucht in einem Zustand, wo die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle keine Elektrizität erzeugt, die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle kein Wasserstoffgas, so dass Wasserstoffgas, das auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht stehen bleibt, auf sichere Weise gehalten werden muss. In einem Zustand, wo Wasserstoffgas auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht stehen bleibt, tritt, falls beispielsweise Luft (genauer gesagt Sauerstoffgas) durch die Elektrolytmembran von der Kathoden-Elektrodenschicht zu der Anoden-Elektrodenschicht durchtritt, akute Oxidation auf, was möglicherweise die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht beeinträchtigt.
  • Um das vorstehende Problem zu bewältigen, offenbart beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2004-362915 eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, welche unverzüglich Wasserstoffgas ausströmen lässt, das in einem Zustand, in dem keine Elektrizität erzeugt wird, auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht vorhanden ist. Diese Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle schließt eine Sauerstoff-Abtrennmembran zum Abtrennen von Sauerstoffgasmolekülen von Stickstoffgasmolekülen ein. Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt ist, wird Stickstoffgas, das mittels der Sauerstoff-Abtrennmembran abgetrennt wurde, zu der Anoden-Elektrodenschicht eingeführt, wodurch das stehen gebliebene Wasserstoffgas ausströmen gelassen wird.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Beispielsweise in einem Zustand, wo die Randtemperatur der MEA wie vorstehend erwähnt schwankt, versagt jedoch die herkömmlich Elektrodenstruktur, die in der vorstehend erwähnten offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 2004-158387 offenbart wird, möglicherweise dabei, eine große Menge an erzeugtem überschüssigem Wasser vollständig ausströmen zu lassen, so dass ein Überschwemmungszustand eintreten kann. Bei der herkömmlichen Elektrodenstruktur diffundieren von außen eingeführtes Wasserstoffgas und Luft in der Gasphase (d. h. Gasphasendiffusion) durch die Elektroden-Katalysatorschichten (Katalysatorschichten). Demgemäß fällt, wenn das Auftreten eines Überschwemmungszustands eine Blockade von Poren bewirkt, die Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität möglicherweise ab. Insbesondere zieht die Verbesserung der Drainage der Elektroden-Katalysatorschicht (Katalysatorschicht) auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht möglicherweise sogar Wasser ab, welches umgekehrt von der Kathoden-Elektrodenschicht zu der Anoden-Elektrodenschicht diffundiert. Somit wird, auch wenn die Wasserrückhalteschicht bereitgestellt wird, möglicherweise das Auftreten eines Austrocknungszustands gefördert.
  • Bei der herkömmlichen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die in der vorstehend erwähnten offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 2004-362915 offenbart wird, wird, wenn der Betrieb gestoppt ist, nicht umgesetztes Wasserstoffgas zum Äußeren der Brennstoffzelle hin ausströmen gelassen; somit wird Wasserstoffgas unwirtschaftlich ausströmen gelassen. Deshalb fällt beispielsweise in dem Fall, wo Starten und Stoppen wiederholt werden, die Effektivität bei der Erzeugung von Elektrizität merklich ab. Wenn der Betrieb gestoppt ist, benötigt die Brennstoffzelle Zeit zum Ausströmen Lassen des Wasserstoffgases durch Verdrängung mit Stickstoffgas; und wenn der Betrieb gestartet wird, benötigt die Brennstoffzelle Zeit zum Ausströmen Lassen des Stickstoffgases zum Einführen von Wasserstoffgas. Somit kann die Erzeugung von Elektrizität nicht unverzüglich gestartet und gestoppt werden, was möglicherweise den Komfort beeinträchtigt. Da die vollständige Verdrängung von Wasserstoffgas durch Stickstoffgas schwierig ist, kann insbesondere die Beeinträchtigung der Katalysatorschicht (z. B. Elution des Edelmetallkatalysators, der zu der Katalysatorschicht gegeben wurde) nicht unterdrückt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen der vorstehenden Probleme vollendet, und eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, bei der sowohl ein Abfall der Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität, welcher ansonsten aus dem Auftreten eines Überschwemmungszustands oder dem Auftreten eines Austrocknungszustands resultieren kann, unterdrückt wird als auch bei der eine Beeinträchtigung des Elektrodenmaterials unterdrückt wird als auch bei der zugeführtes Wasserstoffgas effizient verbraucht werden kann.
  • Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, umfasst gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch die Reaktion zwischen von außen zugeführtem Brennstoffgas und oxidierendem Gas erzeugt, eine Elektrolytmembran, die selektiv für spezifische Ionen durchlässig ist; eine Anoden-Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran erzeugt wurde, welche molekularen Wasserstoff, der in von außen eingeführtem Brennstoffgas enthalten ist, in atomaren Wasserstoff und Elektronen dissoziieren lässt und Festphasendiffusion des dissoziierten atomaren Wasserstoffs zu der Elektrolytmembran zulässt; und eine Kathoden-Elektrodenschicht, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran erzeugt wurde und die Reaktion zwischen molekularem Sauerstoff, der in von außen eingeführtem oxidierendem Gas enthalten ist, und Elektronen, die durch die Dissoziation, die von der Anoden-Elektrodenschicht bewirkt wurde, erzeugt wurden, bewirkt. In diesem Fall enthält die Anoden-Elektrodenschicht vorzugsweise als eine Hauptkomponente beispielsweise eine Wasserstoffspeicherlegierung, welche atomaren Wasserstoff absorbiert und desorbiert.
  • Da die Anoden-Elektrodenschicht als eine Hauptkomponente beispielsweise eine Wasserstoffspeicherlegierung enthalten kann, kann die Anoden-Elektrodenschicht von außen zugeführten molekularen Wasserstoff (genauer gesagt Wasserstoffgas) in atomaren Wasserstoff (genauer gesagt Wasserstoffionen) und Elektronen dissoziieren lassen. Die Anoden-Elektrodenschicht ermöglicht, dass sich dissoziierter atomarer Wasserstoff zu der Elektrolytmembran durch Festphasendiffusion bewegt.
  • Somit kann, selbst wenn ein Überschwemmungszustand auf der Anoden-Elektrodenschicht als Folge von beispielsweise der Zufuhr von Brennstoffgas zusammen mit befeuchtendem Wasser zum Vermeiden des Auftretens eines Austrocknungszustands auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht eintritt, atomarer Wasserstoff effektiv aus dem von außen zugeführten Brennstoffgas dissoziiert werden und kann sich zuverlässig zu der Elektrolytmembran bewegen. Demgemäß kann unabhängig vom Auftreten eines Überschwemmungszustands ein Abfall der Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität verhindert werden. Weiterhin besteht, da die Anoden-Elektrodenschicht aus einer Wasserstoffspeicherlegierung erzeugt werden kann, keine Notwendigkeit, teures Platin einzusetzen, wie im Fall der herkömmlichen Elektrodenstruktur. Deshalb können die Kosten für die Herstellung der Brennstoffzelle stark verringert werden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden Metalloxidteilchen, die Hydrophilie aufweisen, zu der Anoden-Elektrodenschicht gegeben. In diesem Fall sind die Metalloxidteilchen vorzugsweise beispielsweise Oxidteilchen aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus Titan, Silicium, Aluminium, Chrom, Magnesium und Zirkon. Die Zugabe der Metalloxidteilchen, die Hydrophilie aufweisen, zu der Anoden-Elektrodenschicht verleiht der Anoden-Elektrodenschicht gute Hydrophilie, wodurch die Anoden-Elektrodenschicht effektiv Wasser halten kann.
  • Das Dispergieren der zugegebenen Metalloxidteilchen in der Anoden-Elektrodenschicht verleiht der Anoden-Elektrodenschicht weit bessere Hydrophilie. Indem dies durchgeführt wird, können, wenn erzeugtes Wasser umgekehrt von der Kathoden-Elektrodenschicht zu der Anoden-Elektrodenschicht diffundiert, die Metalloxidteilchen, die in der Anoden-Elektrodenschicht dispergiert sind, auch umgekehrt diffundiertes Wasser effektiv absorbieren und halten.
  • Mittels des effektiven Wasserrückhaltens der Anoden-Elektrodenschicht kann die Elektrolytmembran einen guten Wassergehalt behalten. Demgemäß kann beispielsweise sogar wenn lediglich Wasserstoffgas zugeführt wird; d. h. Wasserstoffgas ohne mit befeuchtendem Wasser gemischt zu werden zugeführt wird, das Auftreten eines Austrocknungszustands auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht unterdrückt werden, wodurch die Brennstoffzelle gute Effektivität bei der Erzeugung von Elektrizität behalten kann.
  • Da die Elektrolytmembran einen guten Wassergehalt behalten kann, kann die Beeinträchtigung der Elektrolytmembran (z. B. Reißen der Elektrolytmembran), die mit dem Auftreten eines Austrocknungszustands verknüpft ist, unterdrückt werden, wodurch die Haltbarkeit der Elektrolytmembran verbessert werden kann. Weiterhin kann, da die Brennstoffzelle ohne die Notwendigkeit der Zufuhr von befeuchtendem Wasser betrieben werden kann (so genannter Nichtbefeuchtungsbetrieb), ein Befeuchtungsmittel aus einem Brennstoffzellensystem eliminiert werden, wodurch das Brennstoffzellensystem von der mühsamen Erledigung der Befeuchtung befreit wird.
  • Gemäß noch einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das oxidierende Gas zusammen mit befeuchtendem Wasser in die Kathoden-Elektrodenschicht eingeführt; und die Elektrolytmembran ist selektiv durchlässig für Hydroxidionen, die in der Kathoden-Elektrodenschicht durch die Reaktion zwischen dem molekularen Sauerstoff, dem befeuchtenden Wasser und den Elektronen erzeugt werden.
  • Gemäß diesem Merkmal erzeugt, wenn Elektronen, die durch Dissoziation, die von der Anoden-Elektrodenschicht bewirkt wurde, erzeugt wurden, der Kathoden-Elektrodenschicht über beispielsweise einen äußeren Stromkreis zugeführt werden, die Kathoden-Elektrodenschicht Hydroxidionen durch Reaktion zwischen Sauerstoff, der im oxidierenden Gas enthalten ist, befeuchtendem Wasser und den zugeführten Elektronen. Die Elektrolytmembran ermöglicht selektiv den erzeugten Hydroxidionen, hindurch zu der Anoden-Elektrodenschicht durchzutreten. Demgemäß tritt in der Anoden-Elektrodenschicht eine Reaktion des Erzeugens von Wasser aus dissoziiertem atomarem Wasserstoff, welcher durch Festphasendiffusion diffundiert ist, und Hydroxidionen, welche über die Elektrolytmembran zugeführt werden, ein.
  • Auf Grund des befeuchtenden Wassers, das der Kathoden-Elektrodenschicht zugeführt wird, und des Wassers, das auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht erzeugt wird, behält die Elektrolytmembran einen sehr guten Wassergehalt, wodurch das Auftreten eines Austrocknungszustands verhindert wird. In diesem Fall tritt, da die Anoden-Elektrodenschicht ermöglicht, dass sich atomarer Wasserstoff zur Elektrolytmembran durch Festphasendiffusion bewegt, kein Rückgang der Reaktion ein, der ansonsten das Auftreten eines Überschwemmungszustands begleiten kann.
  • Die Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt aus befeuchtendem Wasser Hydroxidionen. Somit verbraucht die Reaktion, bei spielsweise sogar wenn befeuchtendes Wasser im Überschuss zugeführt wird, befeuchtendes Wasser, wodurch das Auftreten eines Überschwemmungszustands auf der Kathoden-Elektrodenschicht verhindert wird. Deshalb kann ein Abfall der Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität verhindert werden, welcher ansonsten das Auftreten eines Überschwemmungszustands oder Auftreten eines Austrocknungszustands begleiten kann.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Anoden-Elektrodenschicht aus einer Wasserstoffspeicherlegierung zum Unterdrücken einer Zunahme der Leerlaufspannung auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt. In diesem Fall weist vorzugsweise die Wasserstoffspeicherlegierung, die verwendet wird, um die Anoden-Elektrodenschicht zu erzeugen, eine Eigenschaft auf, dass sie absorbierten atomaren Wasserstoff desorbiert, wenn eine Randtemperatur der Anoden-Elektrodenschicht in einen vorgegebenen Bereich der Betriebstemperatur des Brennstoffzelle fällt, und atomaren Wasserstoff absorbiert, wenn eine Randtemperatur der Anoden-Elektrodenschicht in der Nähe von Raumtemperatur ist. Weiterhin ist die Wasserstoffspeicherlegierung vorzugsweise eine Legierung, die mindestens eine Zusammensetzung, ausgewählt aus beispielsweise LaNi4,5Al0,5, LaNi4,7Al0,3 und Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05, aufweist.
  • Gemäß den vorstehenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung kann die Anoden-Elektrodenschicht als eine Hauptkomponente eine Wasserstoffspeicherlegierung, ausgewählt aus LaNi4,5Al0,5, LaNi4,7Al0,3 und Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05, enthalten. Diese Wasserstoffspeicherlegierungen können von außen zugeführtes Brennstoffgas; beispielsweise molekularer Wasserstoff (genauer gesagt Wasserstoffgas), in atomaren Wasserstoff (genauer gesagt Wasserstoffionen) und Elektronen dissoziieren lassen und können dissoziierten atomaren Wasserstoff absorbieren (speichern) und, wie er benötigt wird, molekularen Wasserstoff desorbieren. Somit kann die Anoden- Elektrodenschicht Wasserstoffgas, das für eine Reaktion auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht erforderlich ist, in dem Bereich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle desorbieren und kann Wasserstoffgas absorbieren (speichern), welches der Anoden-Elektrodenschicht zugeführt wird und bei einer Temperatur in der Nähe von Raumtemperatur unumgesetzt bleibt.
  • Somit kann Wasserstoffgas auf sichere Weise gehalten werden, wodurch zugeführtes Wasserstoffgas nicht unwirtschaftlich ausströmen gelassen wird und effizient verbraucht werden kann. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle zeitweilig angehalten wird, besteht keine Notwendigkeit, Wasserstoffgas auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht durch beispielsweise Stickstoffgas zu verdrängen, wodurch unverzügliches Starten und Stoppen der Erzeugung von Elektrizität ermöglicht wird. Deshalb kann die Brennstoffzelle verbesserten Komfort bereitstellen.
  • Im Allgemeinen wird bei der Brennstoffzelle in einem Leerlaufzustand eine Leerlaufspannung sowohl auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht als auch auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt. In einem Zustand, wo solche Leerlaufspannungen erzeugt werden, kann beispielsweise das Einströmen von oxidierendem Gas (z. B. Sauerstoffgas) aus der Kathoden-Elektrodenschicht zu der Anoden-Elektrodenschicht die Bildung eines Mischpotentials auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht als eine Folge der Reaktion zwischen Wasserstoffgas (genauer gesagt Wasserstoffionen) und Sauerstoffgas bewirken. Die Bildung eines Mischpotentials auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht kann bewirken, dass die Leerlaufspannung der Kathoden-Elektrodenschicht lokal im Verhältnis zum Mischpotential ansteigt. Da eine ansteigende Leerlaufspannung der Kathoden-Elektrodenschicht ein Elutionspotential übersteigt, bei dem ein Edelmetall (z. B. Platin), welches als Katalysator zu der Katalysatorschicht gegeben wird, eluiert wird, wird die Elution des Edelmetalls beschleunigt, was zu einer raschen Beeinträchtigung der Katalysatorschicht führt.
  • Im Gegensatz dazu kann durch Erzeugen der Anoden-Elektrodenschicht aus einer Wasserstoffspeicherlegierung die Anoden-Elektrodenschicht nicht umgesetztes Wasserstoffgas absorbieren (speichern), wodurch die Bildung eines Mischpotentials auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht verhindert wird. Somit kann eine Zunahme bei der Leerlaufspannung der Kathoden-Elektrodenschicht unterdrückt werden, wodurch die Elution von Edelmetall unterdrückt werden kann. Deshalb kann die Beeinträchtigung bei der Katalysatorschicht der Kathoden-Elektrodenschicht unterdrückt werden.
  • In dem Fall, wo die Elektrolytmembran aus einer Ionenaustauschmembran erzeugt wird, welche selektiv für Hydroxidionen; d. h. Anionen, durchlässig ist, ermöglicht die Elektrolytmembran die Permeation von Anionen, die auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt wurden, auf die Seite der Anoden-Elektrodenschicht. Da dies die Leerlaufspannung der Kathoden-Elektrodenschicht unter das Elutionspotential absenkt, kann die Elution von Edelmetall aus der Kathoden-Elektrodenschicht wirksam unterdrückt werden. Deshalb kann die Beeinträchtigung bei der Katalysatorschicht verhindert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Struktur einer einzelnen Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Diagramm von Gleichgewichtsdissoziationsdruck gegen Temperatur für Wasserstoffspeicherlegierungen, die verwendet werden können, um eine Katalysatorschicht zu erzeugen, die als eine Anoden-Elektrodenschicht dient;
  • 3 ist eine Ansicht, um die Bewegung von atomarem Wasserstoff in einer Katalysatorschicht aus 1 zu erläutern, die an die Anoden-Elektrodenschicht angrenzt;
  • 4 ist ein Paar von Ansichten, um einen Druckzustand auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht und der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht zu erläutern, wobei A einen Druckzustand in einem aktiven Zustand auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht und der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht zeigt und B einen Druckzustand in einem inaktiven Zustand auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht und der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht zeigt;
  • 5 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Vergleichsstruktur einer einzelnen Zelle zeigt, um die Elution von Platin (Pt) aus einer Katalysatorschicht einer Kathoden-Elektrodenschicht zu erläutern;
  • 6 ist eine Ansicht zum Erläutern von Elektrodenpotentialen, die mit Reaktionen verknüpft sind, welche in der Anoden-Elektrodenschicht und der Kathoden-Elektrodenschicht auftreten;
  • 7 ist ein Paar von Ansichten, um die Elution von Platin (Pt) in der Vergleichstruktur zu erläutern;
  • 8 ist ein Paar von Ansichten zum Erläutern der Unterdrückung der Elution von Platin (Pt) in einer Elektrodenstruktur gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Struktur einer einzelnen Zelle gemäß einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Nächstes ausführlich unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt schematisch Hauptabschnitte einer einzelnen Zelle einer Brennstoffzelle, welche eine Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt. Die einzelne Zelle schließt eine MEA 10, Trennelemente 20 zum Zuführen des von außen eingeführten Gases zu der MEA 10 und einen nicht gezeigten Harzrahmen (Dichtung) ein.
  • Die MEA 10 schließt eine Elektrolytmembran 11 ein, welche aus einer Ionenaustauschmembran erzeugt ist. Die Elektrolytmembran 11 ist aus einer Ionenaustauschmembran (z. B. NEOCEPTOR (eingetragenes Warenzeichen eines Produkts von Tokuyama)) erzeugt, welche selektiv durchlässig für Anionen (genauer gesagt Hydroxidionen (OH–)) ist. Eine Katalysatorschicht 12 wird auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 11 erzeugt, auf die Brennstoffgas (z. B. Wasserstoffgas) eingeführt wird; d. h. auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht. Eine Katalysatorschicht 13 und eine Gasdiffusionsschicht 14 werden auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Elektrolytmembran 11 erzeugt, auf die oxidierendes Gas (z. B. Luft) eingeführt wird; d. h. auf die Seite der Kathoden-Elektrodenschicht.
  • Die Katalysatorschicht 12, welche als eine Anoden-Elektrodenschicht dient, lässt den zugeführten molekularen Wasserstoff; d. h. Wasserstoffgas, zu atomarem Wasserstoff (Wasserstoffionen (H+)) und Elektronen dissoziieren und bewirkt, dass der dissoziierte atomare Wasserstoff eine Festphasendiffusion zu der Elektrolytmembran 11 durchmacht. Somit enthält die Katalysatorschicht 12 als eine Hauptkomponente eine Wasserstoffspeicherlegierung.
  • Eine Wasserstoffspeicherlegierung, die verwendet wird, um die Katalysatorschicht 12 zu erzeugen, wird, wie es passend ist, unter den Wasserstoffspeicherlegierungen mit den fol genden Kristallstrukturen gewählt. Das heißt, anwendbare Wasserstoffspeicherlegierungen schließen Wasserstoffspeicherlegierungen des AB5-Typs, veranschaulicht durch LaNi5; Wasserstoffspeicherlegierungen des AB2-Typs (Laves-Phasentyp), veranschaulicht durch ZnMn2 oder dessen Substitutionsprodukt; Wasserstoffspeicherlegierungen des A2B-Typs, veranschaulicht durch Mg2Ni oder dessen Substitutionsprodukt; auf V basierende Wasserstoffspeicherlegierungen des Typs der festen Lösung; und Ti-Fe-Wasserstoffspeicherlegierungen ein.
  • Diese Wasserstoffspeicherlegierungen weisen einen verhältnismäßig großen interatomaren Abstand (d. h. einen verhältnismäßig großen Gitterabstand) hinsichtlich der Erzeugung von Kristallen auf und zeigen somit Kristallstrukturen, die eine verhältnismäßig große Zahl an Poren aufweisen. Somit ermöglichen diese Wasserstoffspeicherlegierungen die Festphasendiffusion von dissoziiertem atomarem Wasserstoff durch Poren in ihren Kristallstrukturen und absorbieren (speichern) in der Regel atomaren Wasserstoff in den Poren. Eine Wasserstoffspeicherlegierung wird unter Berücksichtigung von beispielsweise einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und einer erforderlichen Kapazität zur Erzeugung von Elektrizität der Brennstoffzelle gewählt. Die Auswahl einer Wasserstoffspeicherlegierung wird als Nächstes speziell beschrieben.
  • Im Allgemeinen wird, wenn die Brennstoffzelle in einem Zustand des Erzeugens von Elektrizität (d. h. in einem aktiven Zustand) ist, die Innentemperatur eines Brennstoffzellenstacks um 80 °C herum gehalten, beispielsweise mittels eines nicht gezeigten Kühlsystems. Wenn die Brennstoffzelle nicht in einem Zustand des Erzeugens von Elektrizität (d. h. in einem inaktiven Zustand) ist, wird die Innentemperatur des Brennstoffzellenstacks Raumtemperatur (z. B. um 25 °C).
  • Somit muss eine Wasserstoffspeicherlegierung, die verwendet wird, um die Katalysatorschicht 12 zu erzeugen, eine Eigenschaft aufweisen, dass sie leicht atomaren Wasserstoff desorbiert, wenn die Randtemperatur der MEA 10 um 80 °C herum (nachstehend als hoher Randtemperaturbereich bezeichnet) in einem aktiven Zustand wird. Ebenso muss die Wasserstoffspeicherlegierung eine Eigenschaft aufweisen, dass sie leicht atomaren Wasserstoff absorbiert, wenn die Randtemperatur der MEA 10 um 25 °C herum (nachstehend als niederer Randtemperaturbereich bezeichnet) in einem inaktiven Zustand wird, um auf sichere Weise Wasserstoffgas zu halten.
  • Wasserstoffspeicherlegierungen, welche die vorstehenden Anforderungen erfüllen, schließen insbesondere die vorstehend erwähnten Wasserstoffspeicherlegierungen des AB5-Typs, Wasserstoffspeicherlegierungen des AB2-Typs (Laves-Phasentyp) und Ti-Fe-Wasserstoffspeicherlegierungen ein. 2 zeigt ein Diagramm von Gleichgewichtsdissoziationsdruck gegen Temperatur (P-T-Diagramm) für diese Wasserstoffspeicherlegierungen, die ihre typischen Zusammensetzungen aufweisen. Speziell zeigt das P-T-Diagramm aus 2 die Beziehung zwischen Temperatur und Gleichgewichtsdissoziationsdruck für LaNi5, LaNi4,5Al0,5 und LaNi4,7Al0,3, welche Wasserstoffspeicherlegierungen des AB5-Typs sind; Ti0,8Zr0,2Mn0,8Cr1,0Cu0,2 und Ti0,6Zr0,4Mn0,8Cr1,0Cu0,2, welche Wasserstoffspeicherlegierungen des AB2-Typs sind; und Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05, welches eine Ti-Fe-Wasserstoffspeicherlegierung ist.
  • Wie aus dem P-T-Diagramm offensichtlich ist, sind Wasserstoffspeicherlegierungen, welche leicht atomaren Wasserstoff im hohen Randtemperaturbereich (d. h. in einem aktiven Zustand) desorbieren, wie durch die dunkle matte Fläche (dicht gepunktete Fläche) gezeigt; mit anderen Worten, Wasserstoffspeicherlegierungen, deren Gleichgewichtsdissoziationsdrücke im hohen Randtemperaturbereich höher als der Atmosphärendruck 0,1 MPa sind, Wasserstoffspeicherlegierungen des AB5-Typs von LaNi5, LaNi4,5Al0,5 und LaNi4,7Al0,3; eine Wasserstoffspeicherlegierung des AB2-Typs von Ti0,8Zr0,2Mn0,8Cr1,0Cu0,2; und eine Ti-Fe-Wasserstoffspeicherlegierung von Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05. Vor allem desorbieren Wasserstoffspeicherlegierungen atomaren Wasserstoff genau genommen in Form von molekularem Wasserstoff.
  • Wasserstoffspeicherlegierungen, welche leicht atomaren Wasserstoff im niederen Randtemperaturbereich (d. h. in einem inaktiven Zustand) absorbieren (speichern), was durch die helle matte Fläche (hell gepunktete Fläche) gezeigt wird; mit anderen Worten, Wasserstoffspeicherlegierungen, deren Gleichgewichtsdissoziationsdrücke im niederen Randtemperaturbereich niedriger als der Atmosphärendruck 0,1 MPa sind, sind Wasserstoffspeicherlegierungen des AB5-Typs von LaNi4,5Al0,5 und LaNi4,7Al0,3; eine Wasserstoffspeicherlegierung des AB2-Typs von Ti0,6Zr0,4Mn0,8Cr1,0Cu0,2; und eine Ti-Fe-Wasserstoffspeicherlegierung von Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05.
  • Wasserstoffspeicherlegierungen, die sowohl im hohen Randtemperaturbereich als auch im niederen Randtemperaturbereich leicht atomaren Wasserstoff desorbieren und absorbieren (speichern) sind Wasserstoffspeicherlegierungen des AB5-Typs von LaNi4,5Al0,5 und LaNi4,7Al0,3 und eine Ti-Fe-Wasserstoffspeicherlegierung von Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05. Demgemäß erfüllen diese drei Wasserstoffspeicherlegierungen die Anforderungen zur Anwendung auf die Erzeugung der Katalysatorschicht 12. Deshalb wird eine Wasserstoffspeicherlegierung, die mindestens eine Zusammensetzung dieser drei Wasserstoffspeicherlegierungen aufweist, gewählt und verwendet, um die Katalysatorschicht 12 zu erzeugen.
  • Stärker bevorzugt wird unter diesen drei Wasserstoffspeicherlegierungen LaNi4,5Al0,5 oder Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05, deren Gleichgewichtsdissoziationsdrücke im hohen Randtemperaturbereich und im niederen Randtemperaturbereich variieren, die durch matte Flächen in 2 gezeigt werden, gewählt und verwendet, um die Katalysatorschicht 12 zu erzeugen. Am stärksten bevorzugt wird von diesen zwei Wasserstoffspeicherlegierungen LaNi4,5Al0,5, dessen Gleichgewichtsdissoziationsdruck im niederen Randtemperaturbereich niedriger ist, gewählt und verwendet, um die Katalysatorschicht 12 zu erzeugen. Die folgende Beschreibung geht davon aus, dass die Katalysatorschicht 12 aus einer Wasserstoffspeicherlegierung von LaNi4,5Al0,5 erzeugt wird. Selbstverständlich ergeben sich, selbst wenn Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05 oder LaNi4,7Al0,3 gewählt und verwendet wird, um die Katalysatorschicht 12 zu erzeugen, Wirkungen und Effekte, die denen, die in der folgenden Beschreibung erscheinen, ähnlich sind.
  • Bei der Erzeugung der Katalysatorschicht 12 wird eine Legierung, welche passend unter diesen Wasserstoffspeicherlegierungen ausgewählt wird; d. h. LaNi4,5Al0,5, unter Verwendung beispielsweise einer Kugelmühle pulverisiert. Zu dem LaNi4,5Al0,5-Pulver werden beispielsweise Isopropylalkohol und eine vorgegebenes Bindemittel gegeben (z. B. ein Bindemittel, welches ein Anionaustauschharz als ein Hauptkomponente enthält). Das resultierende Gemisch wird gerührt. Nachdem das gerührte Gemisch auf eine Oberfläche der Elektrolytmembran 11 aufgetragen wurde, wird mit der Elektrolytmembran 11 und dem aufgetragenen Gemisch beispielsweise Heißpressen zum Verbinden durchgeführt, wodurch die Katalysatorschicht 12 erzeugt wird.
  • An Stelle der vorstehenden Erzeugung der Katalysatorschicht 12, bei der das Gemisch auf die Elektrolytmembran 11 aufgetragen wird und mit dem aufgetragenen Gemisch und der Elektrolytmembran 11 Pressen zum Verbinden durchgeführt wird, kann beispielsweise die folgende Vorgehensweise eingesetzt werden. Das gerührte Gemisch wird zu einer Folie der Katalysatorschicht 12, welche eine Wasserstoffspeicherlegierung als eine Hauptkomponente enthält, gewalzt und getrocknet. Dann werden die Folie und die Elektrolytmembran 11 verbunden. Das Pulver der Wasserstoffspeicherlegierung kann auch mittels Sintern zu einer Folie geformt werden.
  • Eine Katalysatorschicht 13 der Kathoden-Elektrodenschicht ist eingestellt, dass sie aus molekularem Sauerstoff, der in der zugeführten Luft enthalten ist; d. h. Sauerstoffgas, befeuchtendem Wasser, das mit der Luft zugeführt wird, und Elektronen, die von der Anoden-Elektrodenschicht zu geführt werden, Hydroxidionen (Anionen) erzeugt. Die Katalysatorschicht 13 enthält als eine Hauptkomponente Kohlenstoff, welcher einen Edelmetallkatalysator (z. B. Platin) trägt (nachstehend wird der Kohlenstoff als Trägerkohlenstoff bezeichnet).
  • Speziell wird der Trägerkohlenstoff in Wasser dispergiert. Zu der resultierenden Dispersionsflüssigkeit werden Isopropylalkohol und ein Bindemittel gegeben (z. B. ein Bindemittel, welches ein Anionenaustauschharz als eine Hauptkomponente enthält). Das resultierende Gemisch wird gerührt. Nachdem die gerührte Gemischflüssigkeit auf die andere Oberfläche der Elektrolytmembran 11 aufgetragen wurde, wird mit der Elektrolytmembran 11 und dem aufgetragenen Gemisch beispielsweise Heißpressen zum Verbinden durchgeführt, wodurch die Katalysatorschicht 13 erzeugt wird.
  • Die Gasdiffusionsschicht 14 der Kathoden-Elektrodenschicht ist luftdurchlässig und ist eingestellt, dass sie Luft, die durch Trennelement 20 zu der Katalysatorschicht 13 strömt, auf eine einheitlich vermischte Weise zuführt. Die Gasdiffusionsschicht 14 schließt eine wasserabweisende Schicht 14a und eine Matrix 14b ein. Die wasserabweisende Schicht 14a wird beispielsweise erzeugt, indem Kohlenstoffteilchen mit Harz (z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE)) gebunden werden. Die Matrix 14b wird beispielsweise aus Kohlefaser erzeugt. Die Gasdiffusionsschicht 14 wird zwischen der Elektrolytmembran 11 und dem Trennelement 20 auf eine solche Weise gehalten, dass die wasserabweisende Schicht 14a und die Katalysatorschicht 13 übereinander deckend angeordnet sind.
  • Die Trennelementes 20 weisen eine Funktion des Zuführens von Wasserstoffgas bzw. Luft, die von außerhalb der Brennstoffzelle in die Anoden-Elektrodenschicht bzw. die Kathoden-Elektrodenschicht eingeführt werden, und eine Funktion des Sammelns der Elektrizität auf, welche durch Reaktionen in der MEA 10 erzeugt wird. Zur Durchführung der Funktionen werden die Trennelemente 20 beispielsweise aus einem Edelstahlblech erzeugt. Wie in 1 gezeigt, werden eine große Zahl an streifenförmigen Vertiefungsabschnitten 21 und streifenförmigen vorspringenden Abschnitten 22 auf dem Edelstahlblech erzeugt. Wie in 1 gezeigt, halten die zwei Trennelemente 20 die MEA 10 dazwischen.
  • An Stelle des Edelstahlblechs kann beispielsweise ein Stahlblech verwendet werden, mit dem eine Korrosionsschutzbehandlung, wie Goldplattierung oder Nickelplattierung, durchgeführt wurde, verwendet werden, um die Trennelemente 20 zu erzeugen. An Stelle von Metall kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges nichtmetallisches Material, wie Kohlenstoff, auch verwendet werden, um die Trennelemente 20 zu erzeugen.
  • Mehrere Zellen, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert sind, werden gemäß einer erforderlichen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle gestapelt, wodurch ein Brennstoffzellenstack erzeugt wird. Wenn Wasserstoffgas und Luft in den Brennstoffzellenstack eingeführt werden, treten chemische Reaktionen (nachstehend als Elektrodenreaktionen bezeichnet) in der Anoden-Elektrodenschicht und der Kathoden-Elektrodenschicht der MEA 10 jeder Zelle auf, wodurch Elektrizität erzeugt wird. Die Elektrodenreaktionen werden als Nächstes beschrieben.
  • Zuerst wird die Elektrodenreaktion in der Anoden-Elektrodenschicht beschrieben. Wasserstoffgas, das von außerhalb der Brennstoffzelle eingeführt wird, wird der Katalysator schicht 12 durch die streifenförmigen vorspringenden Abschnitte 22 (oder die streifenförmigen Vertiefungsabschnitte 21) des Trennelements 20 zugeführt. Wenn zugeführtes Wasserstoffgas (molekularer Wasserstoff) in Kontakt mit einer Wasserstoffspeicherlegierung, die zum Erzeugen der Katalysatorschicht 12 verwendet wird; d. h. LaNi4,5Al0,5, kommt, wird der molekulare Wasserstoff physikalisch an der Oberfläche des LaNi4,5Al0,5 durch die Wirkung von Van-der-Waals-Kräften adsorbiert. Die molekulare Bindung des physikalisch adsorbierten molekularen Wasserstoffs wird beispielsweise durch die Wirkung der Oberflächenenergie von LaNi4,5Al0,5 gebrochen, wodurch er in atomaren Wasserstoff und Elektronen dissoziiert. Dissoziierter atomarer Wasserstoff diffundiert mittels Festphasendiffusion durch die Katalysatorschicht 12 (genauer gesagt durch das Innere von LaNi4,5Al0,5-Kristallen) zu der Elektrolytmembran 11. Dissoziierte Elektronen werden der Kathoden-Elektrodenschicht über einen nicht gezeigten äußeren Stromkreis zugeführt.
  • Als Nächstes wird eine Elektrodenreaktion in der Kathoden-Elektrodenschicht beschrieben. Luft, die befeuchtendes Wasser enthält und die von außerhalb der Brennstoffzelle eingeführt wird, wird der Gasdiffusionsschicht 14 durch die streifenförmigen Vertiefungsabschnitte 21 (oder die streifenförmigen vorspringenden Abschnitte 22) des Trennelements 20 zugeführt. Luft, die der Gasdiffusionsschicht 14 zugeführt wird, diffundiert gleichförmig und wird der Katalysatorschicht 13 zugeführt. Wenn Sauerstoffgas (d. h. molekularer Sauerstoff), der in der zugeführten Luft enthalten ist, und befeuchtendes Wasser mit der Oberfläche von Platin des Trägerkohlenstoffs, der zum Erzeugen der Katalysatorschicht 13 verwendet wird, in Kontakt kommen, werden durch die Wirkung der Elektronen, die aus der Anoden-Elektrodenschicht zugeführt werden, Hydroxidionen erzeugt. Die so erzeugten Hydroxidionen (d. h. Anionen) treten durch die Elektrolytmembran 11 durch und bewegen sich zu der Seite der Anoden-Elektrodenschicht.
  • Diese Bewegung der Hydroxidionen bewirkt die Bildung von Wasser auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht durch Reaktion zwischen Hydroxidionen und atomarem Wasserstoff, der Festphasendiffusion in der Katalysatorschicht 12 durchmacht (genauer gesagt Wasserstoff, der als Folge der Desorption von der Katalysatorschicht 12 in einer molekularen Form vorliegt). Diese Elektrodenreaktionen werden durch die folgenden Reaktionsformeln 3 und 4 wiedergegeben.
  • Anoden-Elektrodenschicht:
    • H2 + 2OH– → 2H2O + 2e– Reaktionsformel 3
  • Kathoden-Elektrodenschicht:
    • (1/2)O2 + H2O + 2e– → 2OH– Reaktionsformel 4
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird Wasser durch die Reaktion auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht erzeugt. Somit kann eine große Menge an Wasser in der Katalysatorschicht 12 der Anoden-Elektrodenschicht erzeugt werden. Da jedoch die Katalysatorschicht 12 eine Wasserstoffspeicherlegierung (LaNi4,5Al0,5) als eine Hauptkomponente enthält, macht, wie in 3 gezeigt, dissoziierter atomarer Wasserstoff (Wasserstoffionen) eine Festphasendiffusion durch die Kristallstruktur einer Wasserstoffspeicherlegierung (LaNi4,5Al0,5) durch. Deshalb ist, selbst wenn ein Überschwemmungszustand in der Katalysatorschicht 12 auftritt, die Bewegung von atomarem Wasserstoff nicht gehindert. Da Wasser auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht erzeugt wird, beispielsweise selbst wenn nicht befeuchtetes Wasserstoffgas der Anoden-Elektrodenschicht zu geführt wird, kann das Auftreten eines Austrocknungszustands verhindert werden.
  • Mittlerweile wird, um das Auftreten eines Austrocknungszustands zu verhindern, Luft zusammen mit befeuchtendem Wasser der Kathoden-Elektrodenschicht zugeführt. Somit kann eine große Menge an überschüssigem Wasser in der Katalysatorschicht 13 und der Gasdiffusionsschicht 14 der Kathoden-Elektrodenschicht auftreten. Da jedoch eine Elektrodenreaktion in der Kathoden-Elektrodenschicht Wasser braucht, das in der Nähe der Katalysatorschicht 13 vorhanden ist, wird mit dem Fortschreiten der Reaktion Wasser verbraucht. Weiterhin kann, da der Katalysatorschicht 13 und der Gasdiffusionsschicht 14 wasserabweisende Wirkung verliehen werden, überschüssiges Wasser gut abgeleitet werden. Demgemäß wird auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht das Auftreten eines Überschwemmungszustands unterdrückt; als Folge können Hydroxidionen (Anionen) gut erzeugt werden.
  • Wenn die Brennstoffzelle in einem aktiven Zustand ist, ändert sich die Randtemperatur der MEA 10 vom niederen Randtemperaturbereich zum hohen Randtemperaturbereich. In einem Zustand, wo eine Randtemperatur der MEA 10 steigt, wie in 2 gezeigt, nimmt der Gleichgewichtsdissoziationsdruck von LaNi4,5Al0,5, das zum Erzeugen der Katalysatorschicht 12 verwendet wird, zu. In dem Maße, wie der Gleichgewichtsdissoziationsdruck zunimmt, beginnt LaNi4,5Al0,5 atomaren Wasserstoff zu desorbieren, der in dem niederen Randtemperaturbereich absorbiert (gespeichert) war. Dies wird als Nächstes spezifisch beschrieben.
  • Unmittelbar nachdem die Zufuhr von Wasserstoffgas in Verbindung mit dem Übergang von einem inaktiven Zustand zu einem aktiven Zustand (nachstehend als „unmittelbar nach dem Anfahren" bezeichnet) gestartet wird, liegt eine Randtemperatur der MEA 10 in dem niederen Randtemperaturbereich; somit ist der Gleichgewichtsdissoziationsdruck von LaNi4,5Al0,5, das zum Erzeugen der Katalysatorschicht 12 verwendet wird, niedriger als der Atmosphärendruck (0,1 MPa). Demgemäß absorbiert (speichert) unmittelbar nach dem Anfahren LaNi4,5Al0,5 atomaren Wasserstoff, der aus dem zugeführten Wasserstoffgas dissoziiert ist. Im Allgemeinen leitet eine Wasserstoffspeicherlegierung eine exotherme Reaktion ein, wenn sie atomaren Wasserstoff absorbiert (speichert). Somit erzeugt LaNi4,5Al0,5, welches atomaren Wasserstoff absorbiert (speichert), Wärme, was eine rasche Zunahme der Randtemperatur der MEA 10 bewirkt.
  • Wie in 2 gezeigt, wird der Gleichgewichtsdissoziationsdruck von LaNi4,5Al0,5 bei einer Temperatur von etwa 60 °C gleich dem Atmosphärendruck und wird bei einer Temperatur über 60 °C größer als der Atmosphärendruck. Das heißt, wenn eine Randtemperatur der MEA 10 über etwa 60 °C liegt, desorbiert LaNi4,5Al0,5 leicht den absorbierten (gespeicherten) atomaren Wasserstoff. Somit kann mittels des unverzüglichen Anhebens der Randtemperatur der MEA 10 auf 60 °C oder höher durch die exotherme Reaktion, welche unmittelbar nach dem Anfahren eingeleitet wird, LaNi4,5Al0,5 atomaren Wasserstoff gut desorbieren. Deshalb kann desorbierter atomarer Wasserstoff verbraucht werden, wodurch Reaktionsformel 3 glatt fortschreiten kann, und somit kann die Brennstoffzelle gute Anfahreigenschaften zeigen.
  • In dem hohen Randtemperaturbereich wird der Gleichgewichtsdissoziationsdruck von LaNi4,5Al0,5 höher als der Atmosphärendruck; somit liegt LaNi4,5Al0,5 jederzeit in einem Zustand des Desorbierens von atomarem Wasserstoff vor. In diesem Zustand bewirkt LaNi4,5Al0,5 lediglich Festphasendiffusion von dissoziiertem atomarem Wasserstoff durch Kristalle, ohne dissoziierten atomaren Wasserstoff innerhalb der Kristalle zu absorbieren (speichern). Somit wird in dem hohen Randtemperaturbereich atomarer Wasserstoff verbrauchbar, welcher lediglich mittels Festphasendiffusion im Inneren der Kristallstruktur von LaNi4,5Al0,5 diffundiert, so dass Reaktionsformel 3 glatt fortschreitet. Demgemäß kann die Brennstoffzelle in einem aktiven Zustand stabil Elektrizität an ihr Äußeres abgeben.
  • Wenn die Zufuhr von Wasserstoffgas und Luft abgeschaltet wird und der äußere Stromkreis geöffnet wird, wird die Brennstoffzelle in einen inaktiven Zustand gebracht. In diesem inaktiven Zustand beginnt eine Wasserstoffspeicherlegierung, die zum Erzeugen Katalysatorschicht 12 verwendet wird; d. h. LaNi4,5Al0,5, Wasserstoffgas, das auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht vorhanden ist, zu absorbieren (speichern) (nachstehend wird Wasserstoffgas, welches auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht in einem inaktiven Zustand vorhanden ist, als überschüssiges Wasserstoffgas bezeichnet). Dies wird als Nächstes spezifisch beschrieben.
  • Unmittelbar nachdem die Zufuhr von Wasserstoffgas in Verbindung mit dem Übergang von einem aktiven Zustand zu einem inaktiven Zustand (nachstehend als „unmittelbar nach dem Abschalten" bezeichnet) abgestellt wird, liegt eine Randtemperatur der MEA 10 in dem hohen Randtemperaturbereich; somit ist der Gleichgewichtsdissoziationsdruck von LaNi4,5Al0,5, das zum Erzeugen der Katalysatorschicht 12 verwendet wird, größer als der Atmosphärendruck (0,1 MPa). Demgemäß desorbiert unmittelbar nach dem Abschalten LaNi4,5Al0,5 atomaren Wasserstoff, der aus dem zugeführten Wasserstoffgas dissoziiert ist. Im Allgemeinen leitet eine Wasserstoffspeicherlegierung eine endotherme Reaktion ein, wenn sie atomaren Wasserstoff desorbiert. Somit absorbiert LaNi4,5Al0,5, welches atomaren Wasserstoff desorbiert, Wärme, was eine rasche Abnahme der Randtemperatur der MEA 10 bewirkt.
  • Mittels der unverzüglichen Absenkung einer Randtemperatur der MEA 10 auf weniger als 60 °C durch die endotherme Reaktion, welche unmittelbar nach dem Abschalten eingeleitet wird, wird der Gleichgewichtsdissoziationsdruck von LaNi4,5Al0,5 niedriger als der Atmosphärendruck und somit beginnt das Absorbieren (Speichern) von atomarem Wasserstoff im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Desorption von atomarem Wasserstoff. Dann fällt, beispielsweise wenn die Randtemperatur der MEA 10 weiter unter Verwendung eines Kühlsystems, das mit der Brennstoffzelle bereitgestellt wird, abgesenkt wird, der Gleichgewichtsdissoziationsdruck von LaNi4,5Al0,5 gleichmäßig, so dass LaNi4,5Al0,5 gut atomaren Wasserstoff absorbieren kann, der auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht vorhanden ist. Deshalb absorbiert (speichert), wenn die Brennstoffzelle in einem inaktiven Zustand ist, LaNi4,5Al0,5 überschüssiges Wasserstoffgas, wodurch überschüssiges Wasserstoffgas auf sichere Weise gehalten werden kann, und das Fortschreiten der Reaktionsformel 3 kann unterdrückt werden.
  • Da überschüssiges Wasserstoffgas, wie vorstehend erwähnt, auf sichere Weise gehalten werden kann, besteht keine Notwendigkeit, überschüssiges Wasserstoffgas durch Inertgas, wie Stickstoffgas, zu verdrängen, so dass zugeführtes Wasserstoffgas effizient genutzt werden kann. Da der Vorgang des Verdrängens mit Inertgas überflüssig wird, kann die Menge an Verunreinigungen; mit anderen Worten anderes Gas als Wasserstoffgas, das in einer Atmosphäre auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht vorhanden ist, unterdrückt werden. Somit kann, beispielsweise wenn die Brennstoffzelle wieder in einen aktiven Zustand gebracht wird, die Behinderung von Reaktionen, welche ansonsten aus dem Vorhandensein von Verunreinigungen resultieren kann, verhindert werden, so dass Elektrodenreaktionen unverzüglich fortschreiten können.
  • 4 zeigt schematisch die vorstehend erwähnten Zustände des Drucks in einer einzelnen Zelle in einem aktiven Zustand und in einem inaktiven Zustand. Genauer gesagt beträgt, wie in 4A gezeigt, in einem aktiven Zustand (Randtemperatur beträgt um 80 °C) der Druck von Wasserstoffgas (Wasserstoffdruck) auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht etwa 0,2 MPa (absoluter Druck) als Folge davon, dass LaNi4,5Al0,5 atomaren Wasserstoff desorbiert, während die Seite der Kathoden-Elektrodenschicht einen Druck der von außen eingeführten Luft (Atmosphärendruck) aufweist. Wie in 4B gezeigt, beträgt in einem inaktiven Zustand (Randtemperatur beträgt um 25 °C) der Wasserstoffdruck auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht etwa 0,02 MPa (absoluter Druck) als Folge davon, dass LaNi4,5Al0,5 atomaren Wasserstoff absorbiert (speichert), während die Seite der Kathoden-Elektrodenschicht den atomaren Druck aufweist.
  • Der Einsatz der der vorstehend beschriebenen Struktur einer einzelnen Zelle kann effizient die Elution von Platin (Pt), das zu der Katalysatorschicht 13 der Kathoden-Elektrodenschicht gegeben wurde, unterdrücken, insbesondere in einem Zustand, wo keine Last an die Brennstoffzelle angelegt ist und somit kein Strom fließt (nachstehend als Leerlaufzustand bezeichnet). Dies wird als Nächstes spezifisch beschrieben.
  • Um das Verständnis der Unterdrückung der Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 13 zu erleichtern, wird eine Struktur einer einzelnen Zelle, die herkömmlich weitverbreitet verwendet wird, als eine Vergleichsstruktur unter Bezug auf 5 beschrieben. Wie in 5 gezeigt, schließt eine MEA 10' der Vergleichsstruktur einer einzelnen Zelle eine Elektrolytmembran 15 ein, die aus einer Ionenaustauschmembran (z. B. NAFION (eingetragenes Warenzeichen für ein Produkt von Du Pont)) erzeugt wurde, welche selektiv für Kationen (genauer gesagt Wasserstoffionen (H+)) durchlässig ist.
  • In der MEA 10' weisen die Kathoden-Elektrodenschicht und die Anoden-Elektrodenschicht der Elektrolytmembran 15 dieselbe Struktur auf und werden auf die folgende Weise erzeugt. Eine Katalysatorschicht 16 auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht und eine Katalysatorschicht 17 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht werden wie folgt erzeugt. Zuerst wird der Trägerkohlenstoff in Wasser dispergiert. Zu der resultierenden Dispersionsflüssigkeit werden Isopropylalkohol, PTFE und ein Bindemittel, das aus einem Kationenaustauschharz (z. B. NAFION-(eingetragenes Warenzeichen)Lösung) erzeugt wurde, gegeben. Das resultierende Gemisch wird geknetet. Das geknetete Gemisch wird auf die wasserabweisenden Schichten 14a und 18a der Gasdiffusionsschichten 14 und 18 aufgetragen. Nachfolgend werden die Gasdiffusionsschichten 14 und 18 auf der Elektrolytmembran 15 derart übereinander gelegt, dass die Elektrolytmembran 15 auf die wasserabweisenden Schichten 14a und 18a zu zeigt. Dann wird mit dem resultierenden Laminat beispielsweise Heißpressen durchgeführt, wodurch sich eine Anordnung aus der Elektrolytmembran 15 und den Katalysatorschichten 16 und 17 ergibt. Die Gasdiffusionsschicht 18 wird auf eine Weise erzeugt, die derjenigen der vorstehend beschriebenen Erzeugung der Gasdiffusionsschicht 14 der Kathoden-Elektrodenschicht vergleichbar ist.
  • Wenn eine Brennstoffzelle, die die vorstehend beschriebene Vergleichsstruktur aufweist, in einen aktiven Zustand gebracht wird und Wasserstoffgas und oxidierendes Gas zugeführt werden, treten die Elektrodenreaktionen der Reaktionsformeln 1 bzw. 2 auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht bzw. der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht auf. Genauer gesagt tritt in der Katalysatorschicht 16 der Anoden-Elektrodenschicht eine Reaktion ein, wo das zugeführte Wasserstoffgas in Wasserstoffionen und Elektronen dissoziiert. Dissoziierte Wasserstoffionen (d. h. Kationen) bewegen sich durch die Elektrolytmembran 15 zur Kathoden-Elektrodenschicht. In der Katalysatorschicht 17 der Kathoden-Elektrodenschicht tritt eine Reaktion ein, dass sich Wasser aus Sauerstoffgas, das in Luft enthalten ist, Wasserstoffionen und Elektronen bildet.
  • Als Nächstes werden unter Bezug auf 6 Bedingungen der Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 16 der Anoden-Elektrodenschicht und aus der Katalysatorschicht 17 der Kathoden-Elektrodenschicht in einem Leerlaufzustand der Brennstoffzelle, welche die Vergleichsstruktur einsetzt, beschrieben. Platin (Pt) weist verschiedene Elutionspotentiale je nach den Modi der Elution auf. Wie in 6 gezeigt, weist Platin (Pt), wenn es eluiert wird, ein Elutionspotential von 0,837 V bis 1,188 V auf. Mit anderen Worten, wenn ein höheres Potential (Spannung) als dieses Elutionspotential auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht oder auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht vorhanden ist, wird Platin (Pt) leicht eluiert.
  • In der MEA 10' der Vergleichsstruktur sind die Elektrodenpotentiale, die mit Elektrodenreaktionen auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht und der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht verknüpft sind, wie in 6 gezeigt. Genauer gesagt beträgt ein Elektrodenpotential auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht 0 V, wo die Elektrodenreaktion der Reaktionsformel 1 eintritt, während ein Elektrodenpotential auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht 1,229 V beträgt, wo die Elektrodenreaktion der Reaktionsformel 2 eintritt. In diesem Fall weisen, wenn die Brennstoffzelle in einem Leerlaufzustand ist, sowohl die Anoden-Elektrodenschicht als auch die Kathoden-Elektrodenschicht eine Spannung auf, die gleich einem Elektrodenpotential ist, das mit der relevanten Elektrodenreaktion verknüpft ist (nachstehend wird die Spannung als eine Leerlaufspannung (OCV) bezeichnet). Das heißt, eine Leerlaufspannung auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht beträgt 0 V, während eine Leerlaufspannung auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht 1,229 V beträgt. Da die Leerlaufspannung höher als ein Elutionspotential ist, wie in 7A gezeigt, wird bevorzugt Platin (Pt), das zu der Katalysatorschicht 17 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht gegeben wurde, eluiert.
  • In der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle trennt üblicherweise die Elektrolytmembran 15 Wasserstoffgas, das auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht strömt, und Luft (insbesondere Sauerstoffgas), die auf der Seite der Kathoden- Elektrodenschicht strömt, voneinander. Jedoch kann ein Partialdruckgefälle zwischen den Gasen bewirken, dass Wasserstoffgas und Sauerstoffgas durch die Elektrolytmembran 15 in jeweils entgegengesetzte Richtungen durchtreten (so genanntes Überkreuz-Lecken). In der MEA 10' der Vergleichsstruktur kann das Auftreten von Überkreuz-Lecken die Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 17 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht beschleunigen. Dies wird als Nächstes spezifisch beschrieben.
  • Wenn Überkreuz-Lecken über die Elektrolytmembran 15 hinweg auftritt, tritt Wasserstoffgas von der Seite der Anoden-Elektrodenschicht zu der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht hindurch, und Sauerstoffgas tritt von der Kathoden-Elektrodenschicht zur Anoden-Elektrodenschicht hindurch. In dieser Situation reagieren in einem Bereich auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht, durch den Wasserstoffgas durchtritt, durchtretendes Wasserstoffgas und von außen zugeführtes Sauerstoffgas miteinander; mit anderen Worten, die Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 1 tritt lokal auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht ein. Wie vorstehend erwähnt, beträgt ein Elektrodenpotential, das mit der Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 1 verknüpft ist (d. h. Leerlaufspannung), 0 V. Somit bewirkt das Durchtreten von Wasserstoffgas keine Zunahme des Elektrodenpotentials auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht.
  • In einem Bereich auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht, durch den Sauerstoffgas durchtritt, reagieren durchtretendes Sauerstoffgas, dissoziierte Wasserstoffionen und Elektronen miteinander; mit anderen Worten, die Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 2 tritt lokal auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht ein. Wie vorstehend erwähnt, beträgt ein Elektrodenpotential, das mit der Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 2 verknüpft ist (d. h. Leerlaufspannung), 1,229 V. Somit bewirkt das Durchtreten von Sauerstoffgas lokal eine Zunahme des Elektrodenpotenti als auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht. Somit bildet sich, wie in 7B gezeigt, ein Mischpotential lokal auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht. In einem Bereich, wo das Mischpotential erzeugt wird, wird wahrscheinlich Platin (Pt) eluiert werden.
  • Jedoch wird im Inneren der Brennstoffzelle (genauer gesagt dem Inneren einer einzelnen Zelle) ein Elektrodenpotential der Kathoden-Elektrodenschicht im Verhältnis zu einem Elektrodenpotential der Anoden-Elektrodenschicht (so genannte elektromotorische Kraft) konstant gehalten. Demgemäß steigt an der Kathoden-Elektrodenschicht ein Elektrodenpotential lokal in einem Bereich an, der einem Bereich an der Anoden-Elektrodenschicht entspricht, wo ein Mischpotential erzeugt wird. Genauer gesagt steigt ein Elektrodenpotential der Kathoden-Elektrodenschicht lokal auf 1,229 V oder höher an. Ein solcher Anstieg des Elektrodenpotentials beschleunigt die Elution von Platin (Pt). Deshalb wird in einem Zustand, wo Überkreuz-Lecken auftritt, Platin (Pt) sehr wahrscheinlich aus der Katalysatorschicht 17 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht eluiert werden. Die Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 17 behindert das Fortschreiten der Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 2 an der Kathoden-Elektrodenschicht. Als Folge fällt die Effektivität der Brennstoffzelle, die Elektrizität erzeugt, stark ab.
  • Im Gegensatz dazu kann in der MEA 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, selbst wenn die Brennstoffzelle in einem Leerlaufzustand ist, die Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 13 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht in großem Maß unterdrückt werden. Genauer gesagt tritt durch den Einsatz der Struktur der MEA 10 die Elektrodenreaktion der Reaktionsformel 3 auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht ein, während die Elektrodenreaktion der Reaktionsformel 4 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht eintritt. Wie in 6 gezeigt, betragen die Elektrodenpotentiale, die mit diesen Elektrodenreaktionen verknüpft sind (d. h. Leerlaufspannungen), –0,828 V auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht und 0,401 V auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht. Die elektromotorische Kraft der Brennstoffzelle ist mit derjenigen der Brennstoffzelle, welche die Vergleichsstruktur einsetzt, identisch.
  • Da ein Elektrodenpotential an der Kathoden-Elektrodenschicht niedriger als ein Elutionspotential von Platin (Pt) ist, wie in 8A gezeigt, wird Platin (Pt) nicht aus der Katalysatorschicht 13 eluiert. Ebenso tritt, wie in 8B gezeigt, selbst wenn Überkreuz-Lecken auftritt, die Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 2 nicht auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht auf; als Folge bildet sich kein Mischpotential. Demgemäß tritt kein lokaler Anstieg des Elektrodenpotentials auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht auf, und somit wird die Elution von Platin (Pt) nicht beschleunigt. Deshalb ist bei der Brennstoffzelle, welche die MEA 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einsetzt, die Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 13 der Kathoden-Elektrodenschicht effizient unterdrückt, so dass die Brennstoffzelle über eine lange Zeit eine gute Effektivität bei der Erzeugung von Elektrizität behalten kann.
  • Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar ist, kann durch den Einsatz der MEA 10 der vorliegenden Ausführungsform auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht und auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht ein Abfall der Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität verhindert werden, der ansonsten aus dem Auftreten eines Überschwemmungszustands oder Auftreten eines Austrocknungszustands resultieren kann. Da die Elektrolytmembran 11 auch einen passenden Wassergehalt beibehalten kann, kann die Beeinträchtigung der Elektrolytmembran 11 (z. B. Reißen oder eine Zunahme des elektrischen Widerstands), die mit dem Auftreten eines Austrocknungszustands verknüpft ist, unterdrückt werden, wodurch die Haltbarkeit der Elektrolytmembran 11 verbessert werden kann. Somit kann die Brennstoffzelle eine gute Effektivität bei der Erzeugung von Elektrizität über eine lange Zeit beibehalten.
  • Unabhängig vom Auftreten eines Überschwemmungszustands ermöglicht die Anoden-Elektrodenschicht die Bewegung von atomaren Wasserstoff (Wasserstoffionen) in einer Menge, die für die Elektrodenreaktion erforderlich ist. Somit können beispielsweise Schwankungen der Ausgangsleistungsspannung in einem Zustand von großer Last und ein Abfall der Ausgangsleistungsspannung, der durch Diffusionspolarisation induziert wird, welche eintritt, wenn ein großer Strom an das Äußere der Brennstoffzelle abgegeben wird, verringert werden. Dies kann die Leistung der Brennstoffzelle beim Erzeugen von Elektrizität verbessern.
  • Da die Elektrolytmembran 11 einen passenden Wassergehalt beibehalten kann, gibt es insbesondere keine Notwendigkeit, Wasserstoffgas zu befeuchten, das der Anoden-Elektrodenschicht zugeführt werden soll, wodurch die Notwendigkeit zur Durchführung von der mühsamen Erledigung der Befeuchtung beseitigt wird. Da eine Wasserstoffspeicherlegierung verwendet werden kann, um die Katalysatorschicht 12 zu erzeugen, welche als eine Anoden-Elektrodenschicht dient, kann die Verwendung eines teuren Edelmetallkatalysators in der MEA 10 verringert werden. Dies kann die Kosten für die Herstellung der Brennstoffzelle stark verringern.
  • In der vorliegenden Ausführungsform bewegen sich Hydroxidionen (Anionen) durch die Elektrolytmembran 11. Somit wird eine Randumgebung der MEA 10 alkalisch. Da dies die Korrosion von Metallteilen, wie die Trennelemente 20, unterdrückt, können Metallteile, die mit Nickel plattiert sind, welches kostengünstig ist, eingesetzt werden. Dies kann auch zu einer Verringerung der Kosten für die Herstellung der Brennstoffzelle beitragen.
  • Weiterhin kann auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht das Trennelement 20 in direktem Kontakt mit der Katalysatorschicht 12 sein; d. h. Metall-zu-Metall-Kontakt kann eingesetzt werden. Dies kann den Kontaktwiderstand stark verringern, so dass Elektrizität stabil an das Äußere der Brennstoffzelle abgegeben werden kann.
  • Gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann die Katalysatorschicht 12, die als eine Anoden-Elektrodenschicht dient, als eine Hauptkomponente eine Wasserstoffspeicherlegierung, ausgewählt aus LaNi4,5Al0,5, LaNi4,7Al0,3 und Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05, enthalten. Diese Wasserstoffspeicherlegierungen können von außen zugeführten molekularen Wasserstoff (d. h. Wasserstoffgas), in atomaren Wasserstoff (d. h. Wasserstoffionen) und Elektronen dissoziieren lassen und können dissoziierten atomaren Wasserstoff absorbieren (speichern) und, wie er benötigt wird, molekularen Wasserstoff desorbieren. Somit kann, wenn eine Randtemperatur der MEA 10 in dem hohen Randtemperaturbereich ist, die Katalysatorschicht 12 Wasserstoffgas, das zur Reaktion erforderlich ist, desorbieren, und wenn eine Randtemperatur der MEA 10 in dem niederen Randtemperaturbereich ist, kann die Katalysatorschicht 12 Wasserstoffgas, welches zugeführt wird und nicht umgesetzt verbleibt, absorbieren (speichern).
  • Somit kann überschüssiges Wasserstoffgas auf sichere Weise gehalten werden, wodurch zugeführtes Wasserstoffgas nicht unwirtschaftlich ausströmen gelassen wird und effizient verbraucht werden kann. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle in einem inaktiven Zustand ist, besteht keine Notwendigkeit, das Wasserstoffgas auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht durch Inertgas, wie Stickstoffgas, zu verdrängen, so dass ein aktiver Zustand und ein inaktiver Zustand unverzüglich geschaltet werden können. Deshalb kann die Brennstoffzelle verbesserten Komfort bereitstellen.
  • Da die Elektrolytmembran 11 aus einer Ionenaustauschmembran erzeugt werden kann, welche selektiv für Anionen durchlässig ist, ermöglicht die Elektrolytmembran 11 Anionen (d. h. Hydroxidionen), die auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt wurden, hindurch zu der Seite der Anoden-Elektrodenschicht durchzutreten. Als Folge davon, dass die Elektrolytmembran 11 das Durchtreten von Hydroxidionen hindurch ermöglicht, tritt die Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 3 auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht ein, während die Elektrodenreaktion von Reaktionsformel 4 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht eintritt. Dies kann eine Leerlaufspannung der Kathoden-Elektrodenschicht niedriger als ein Elutionspotential von Platin (Pt) machen, so dass die Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 13 der Kathoden-Elektrodenschicht effizient unterdrückt werden kann. Deshalb kann die Beeinträchtigung bei der Katalysatorschicht 13 verhindert werden.
  • Gemäß der vorstehenden Ausführungsform wird die Elektrolytmembran 11 der MEA 10 aus einer Ionenaustauschmembran erzeugt, welche selektiv für Anionen durchlässig ist. Somit bewegen sich, wie von Reaktionsformel 4 wiedergegeben, Hydroxidionen, die an der Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt wurden, zu der Seite der Anoden-Elektrodenschicht, wodurch in der Anoden-Elektrodenschicht Wasser erzeugt wird. Jedoch kann, wie im Fall der vorstehend beschriebenen Vergleichsstruktur, an Stelle der Elektrolytmembran 11 die Elektrolytmembran 15, die aus einer Ionenaustauschmembran (z. B. NAFION (eingetragenes Warenzeichen für ein Produkt von Du Pont)) erzeugt wurde, welche selektiv für Kationen (genauer gesagt Wasserstoffionen) durchlässig ist, eingesetzt werden. Diese modifizierte Ausführungsform wird als Nächstes beschrieben. Bei der Beschreibung der modifizierten Ausführungsform werden gleiche Teile der vorstehend be schriebenen Vergleichsstruktur und der vorstehenden Ausführungsform mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und auf deren wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
  • Wie in 9 gezeigt, ist eine MEA 10'' der vorliegenden modifizierten Ausführungsform derart konfiguriert, dass eine Katalysatorschicht 19 an die Seite der Anoden-Elektrodenschicht der Elektrolytmembran 15 gebunden ist. Die Katalysatorschicht 19 unterscheidet sich von der Katalysatorschicht 12 der vorstehenden Ausführungsform dahingehend, dass Metalloxidteilchen zugegeben werden, um so die Hydrophilie zu verstärken. Die Katalysatorschicht 19 wird auf die folgende Weise erzeugt. Bei der Erzeugung der Katalysatorschicht 19 werden, wie zuvor beschrieben, Isopropylalkohol und ein vorgegebenes Bindemittel zu einem Pulver aus einer passend gewählten Wasserstoffspeicherlegierung gegeben. Zu dem resultierenden Gemisch werden hydrophile Metalloxidteilchen gegeben, gefolgt von Rühren.
  • Nachdem das gerührte Gemisch auf beispielsweise eine PTFE-Folie aufgetragen wurde, wie im Fall der vorstehenden Ausführungsform, wird mit der PTFE-Folie und der Elektrolytmembran 15 Heißpressen oder dergleichen zum Verbinden durchgeführt. Die vorliegende modifizierte Ausführungsform setzt die Elektrolytmembran 15 ein, welche selektiv für Kationen durchlässig ist. Somit wird eine Randumgebung der MEA 10'' sauer. Deshalb muss eine Wasserstoffspeicherlegierung, die gewählt werden soll, Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
  • Metalloxidteilchen, die zugegeben werden sollen, sind Oxidteilchen aus mindestens einem einzigen Metall, passend ausgewählt aus beispielsweise Titan, Silicium, Aluminium, Chrom, Magnesium und Zirkon. Da diese Metalloxidteilchen gute Hydrophilie aufweisen, verleiht die Zugabe von Metalloxidteilchen in einer vermischten Art und Weise der Katalysatorschicht 19 gute Hydrophilie.
  • Die MEA 10'' der vorliegenden modifizierten Ausführungsform derart konfiguriert, dass die Katalysatorschicht 17 an die Seite der Anoden-Elektrodenschicht der Elektrolytmembran 15 gebunden ist. Die Katalysatorschicht 17 wird auf eine Weise erzeugt, die derjenigen der vorstehend beschriebenen Vergleichsstruktur ähnlich ist. Genauer gesagt wird die Katalysatorschicht 17 wie folgt erzeugt. Trägerkohlenstoff wird in Wasser dispergiert. Zu der resultierenden Dispersionsflüssigkeit werden PTFE, das wasserabweisende Wirkung aufweist, Isopropylalkohol und ein vorgegebenes Bindemittel gegeben. Das resultierende Gemisch wird gerührt. Das gerührte Gemisch wird auf die wasserabweisende Schicht 14a der Gasdiffusionsschicht 14 aufgetragen. Nachfolgend wird die Gasdiffusionsschicht 14 auf die Elektrolytmembran 15 derart übereinander gelegt, dass die wasserabweisende Schicht 14a auf die Elektrolytmembran 15 zu zeigt. Dann wird mit dem resultierenden Laminat beispielsweise Heißpressen durchgeführt, wodurch sich die Katalysatorschicht 17 als eine Einheit ergibt. Das heißt, die Kathoden-Elektrodenschicht schließt die Katalysatorschicht 17 und die Gasdiffusionsschicht 14 ein. Weiterhin ist, wie in 9 gezeigt, die vorliegende modifizierte Ausführungsform auch derart konfiguriert, dass die MEA 10'' zwischen den zwei Trennelementen 20 gehalten wird.
  • Wenn der so konfigurierten MEA 10'' Gas zugeführt wird, treten die Elektrodenreaktionen der Reaktionsformeln 1 bzw. 2 auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht bzw. der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht der MEA 10'' ein.
  • Genauer gesagt wird auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht Wasserstoffgas, das vom Äußeren der Brennstoffzelle zugeführt wird, in Wasserstoffionen und Elektronen gemäß Reaktionsformel 1 dissoziiert, wie im Fall der vorstehenden Vergleichsstruktur. Dissoziierte Wasserstoffionen (d. h. Kationen) diffundieren mittels Festphasendiffusion in das Innere der Katalysatorschicht 19 und treten durch die Elektrolytmembran 15 zu der Kathoden-Elektrodenschicht durch. Auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht tritt die Reaktion, wie durch Reaktionsformel 2 ausgedrückt, ein; d. h. Wasser wird aus Sauerstoff, der in von außen zugeführter Luft enthalten ist, Wasserstoffionen, welche durch die Elektrolytmembran 15 durchgetreten sind, und Elektronen erzeugt.
  • Auf diese Weise wird in der vorliegenden modifizierten Ausführungsform Wasser auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt. Somit wird, um das Auftreten eines Austrocknungszustands auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht zu verhindern, Wasserstoffgas zusammen mit befeuchtendem Wasser der Anoden-Elektrodenschicht zugeführt.
  • Die Katalysatorschicht 19 auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht wird aus einer Wasserstoffspeicherlegierung erzeugt. Demgemäß ermöglicht auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht, beispielsweise selbst wenn sich eine große Menge an überschüssigem Wasser als Folge der Kondensation von befeuchtendem Wasser bildet; mit anderen Worten, selbst wenn ein Überschwemmungszustand auftritt, die Katalysatorschicht 19 die Bewegung von Wasserstoffionen in einer Menge, die für die Reaktion auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht erforderlich ist.
  • Metalloxidteilchen, die Hydrophilie aufweisen, werden zu der Katalysatorschicht 19 gegeben. Da dies der Katalysatorschicht 19 gute Hydrophilie verleiht, absorbiert die Katalysatorschicht 19 befeuchtendes Wasser, welches zusammen mit Wasserstoffgas zugeführt wird, wodurch Wasser gehalten wird. Ebenso kann, beispielsweise wenn erzeugtes Wasser umgekehrt aus der Kathoden-Elektrodenschicht zu der Anoden-Elektrodenschicht diffundiert, die Katalysatorschicht 19 auch effektiv umgekehrt diffundiertes Wasser absorbieren und halten.
  • Somit kann beispielsweise sogar wenn lediglich Wasserstoffgas zugeführt wird; d. h. Wasserstoffgas ohne mit befeuchtendem Wasser gemischt zu werden zugeführt wird, das Auftreten eines Austrocknungszustands auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht unterdrückt werden. In einem solchen Fall, wo Wasserstoffgas ohne mit befeuchtendem Wasser gemischt zu werden, zugeführt wird, kann ein Befeuchtungsmittel aus einem Brennstoffzellensystem eliminiert werden, wodurch das Brennstoffzellensystem von der mühsamen Erledigung der Befeuchtung auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht befreit wird.
  • Ebenso wird in der vorliegenden modifizierten Ausführungsform Luft, die mit befeuchtendem Wasser gemischt ist, der Kathoden-Elektrodenschicht zugeführt, wodurch sich die Bedenken über das Auftreten eines Überschwemmungszustands in der Kathoden-Elektrodenschicht mehren. Jedoch kann auf Grund der Tatsache, dass die Katalysatorschicht 17 und die Gasdiffusionsschicht 14 der Kathoden-Elektrodenschicht wasserabweisende Wirkung aufweisen, und mittels des Einstellens der Menge an befeuchtendem Wasser, das eingemischt werden soll, das Auftreten eines Überschwemmungszustands unterdrückt werden. Demgemäß kann, wie im Fall der vorstehenden Ausführungsform, in der vorliegenden modifizierten Ausführungsform ein Abfall der Effektivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität verhindert werden, der ansonsten aus dem Auftreten eines Überschwemmungszustands oder Auftreten eines Austrocknungszustands resultieren kann, verhindert werden.
  • Ebenso kann in diesem Fall, wenn die Brennstoffzelle in einem aktive Zustand ist, die Katalysatorschicht 19, welche als eine Anoden-Elektrodenschicht dient, gut atomaren Wasserstoff desorbieren, und wenn die Brennstoffzelle in einem inaktiven Zustand ist, kann die Katalysatorschicht 19 gut atomaren Wasserstoff absorbieren (speichern). Deshalb kann in einem inaktiven Zustand Wasserstoffgas auf sichere Weise gehalten werden, wodurch die Notwendigkeit, Wasserstoffgas durch Stickstoffgas zu verdrängen, beseitigt wird. Da auch die Freisetzung von Wasserstoffgas aus dem Inneren der Brennstoffzelle, welche ansonsten die Verdrängung begleiten würde, nicht beteiligt ist, kann Wasserstoffgas effizient genutzt werden.
  • Wenn die Brennstoffzelle in einem Leerlaufzustand ist, beispielsweise mittels der temporären Abschaltung der Zufuhr von Wasserstoffgas, wird eine Randtemperatur der MEA 10'' in den niederen Randtemperaturbereich gebracht, wodurch füllendes Wasserstoffgas auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht in der Katalysatorschicht 19 absorbiert (gespeichert) werden kann. Dies kann beispielsweise das Auftreten der Reaktion der Reaktionsformel 2 auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht, wie in der vorstehend beschriebenen Vergleichsstruktur, unterdrücken. Deshalb kann, auch wenn die Wirkung der Unterdrückung derjenigen der vorstehenden Ausführungsform geringfügig unterlegen ist, die Elution von Platin (Pt) aus der Katalysatorschicht 17 auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht unterdrückt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehende Ausführungsform und modifizierte Ausführungsform begrenzt, sondern kann in verschiedenen anderen Formen dargestellt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Beispielsweise nehmen in der vorstehenden Ausführungsform und modifizierten Ausführungsform die Trennelemente 20 die Form eines Edelstahlblechs an, das darauf erzeugt die streifenförmigen Vertiefungsabschnitte 21 und die streifenförmigen vorspringenden Abschnitte 22 aufweist. An Stelle dessen kann, um Brennstoffgas und oxidierendes Gas effektiver zuzuführen, das Trennelement aus einem flachen, plattenartigen Trennelementkörper zur Verhinderung des vermischten Flusses der Gase, und einem Bauteil zur Erzeugung eines Durchgangs bestehen, das derart konfiguriert ist, dass eine große Zahl von streifenförmigen Vertiefungsabschnitten und streifenförmigen vorspringenden Abschnitten auf einem Material, in dem eine große Zahl von Löchern erzeugt werden (z. B. ein expandiertes Metall, in dem eine große Zahl von durchgehenden Maschenlöchern erzeugt werden, oder ein geprägtes Metall, in dem eine große Zahl durchgehender Löcher erzeugt werden).
  • Der Einsatz solcher Trennelemente ermöglicht die einheitliche Zufuhr den von außen eingeführten Gases in die Katalysatorschichten 12 und 19 und die Gasdiffusionsschicht 14 (d. h. die Katalysatorschichten 13 und 17) über eine große Zahl von durchgehenden Löchern der Bauteile zur Erzeugung eines Durchgangs. Somit kann Gas effektiv zugeführt werden, wodurch die Brennstoffzelle verbesserte Effektivität bei der Erzeugung von Elektrizität zeigen kann.
  • Wie im Fall der Katalysatorschicht 19 der vorstehenden modifizierten Ausführungsform können Metalloxidteilchen der Katalysatorschicht 12 der vorstehenden Ausführungsform zugegeben werden. Da dies der Katalysatorschicht 12 gute Hydrophilie verleiht, kann die Elektrolytmembran 11 jederzeit einen günstigen Wassergehalt behalten und kann somit verbesserte Haltbarkeit zeigen.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung kann auf die Struktur einer Elektrode angewendet werden, die in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eingesetzt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine MEA schließt eine Elektrolytmembran ein, die für Hydroxidionen durchlässig ist. Eine Katalysatorschicht, die aus einer Wasserstoffspeicherlegierung erzeugt wird, wird auf einer Oberfläche der Membran bereitgestellt, die auf die Anoden-Elektrodenschicht zu zeigt. Eine weitere Katalysatorschicht, die aus Platin-auf-Kohlenstoff erzeugt ist, wird auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Membran bereitgestellt, die auf die Kathoden-Elektrodenschicht zu zeigt. Die Katalysatorschicht auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht lässt Wasserstoffgas in atomaren Wasserstoff dissoziieren, lässt den atomaren Wasserstoff mittels Festphasendiffusion diffundieren und absorbiert/desorbiert atomaren Wasserstoff. Die Katalysatorschicht auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht bildet Hydroxidionen aus Luft, befeuchtendem Wasser und Elektronen. Die Membran ermöglicht die Bewegung der Hydroxidionen zu der Katalysatorschicht auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht. Dies führt zur Bildung von Wasser auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht, wodurch das Auftreten von Austrocknung verhindert werden kann. Selbst wenn Überschwemmung durch das erzeugte Wasser eintritt, kann sich atomarer Wasserstoff glatt durch Festphasendiffusion bewegen. Eine Leerlaufspannung der Katalysatorschicht auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht kann geringer als ein Elutionspotential von Platin gemacht werden. Da die Katalysatorschicht auf der Seite der Anoden-Elektrodenschicht überschüssiges Wasserstoffgas absorbiert, kann unwirtschaftliches Ausströmen Lassen von Wasserstoffgas vermieden werden.

Claims (8)

  1. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch Reaktion zwischen von außen zugeführten Brennstoffgas und oxidierendem Gas erzeugt, aufweisend: eine Elektrolytmembran, die selektiv für bestimmte Ionen durchlässig ist; eine Anoden-Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet ist, welche molekularen Wasserstoff, der in von außen zugeführtem Brennstoffgas enthalten ist, in atomaren Wasserstoff und Elektronen dissoziieren lässt und Festphasendiffusion des dissoziierten atomaren Wasserstoffs zu der Elektrolytmembran ermöglicht; und eine Kathoden-Elektrodenschicht, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran erzeugt ist und die Reaktion zwischen molekularem Sauerstoff, der in von außen eingeführtem oxidierenden Gas enthalten ist, und Elektronen, die durch Dissoziation, die durch die Anoden-Elektrodenschicht verursacht wird, erzeugt werden, bewirkt.
  2. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anoden-Elektrodenschicht als eine Hauptkomponente eine Wasserstoffspeicherlegierung enthält, die atomaren Wasserstoff absorbiert und desorbiert.
  3. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidteilchen, die Hydrophilie aufweisen, zu der Anoden-Elektrodenschicht gegeben werden.
  4. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, worin die Metalloxidteilchen Oxidteilchen aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus Titan, Silicium, Aluminium, Chrom, Magnesium und Zirkon, sind.
  5. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei: das oxidierende Gas zusammen mit befeuchtendem Wasser in die Kathoden-Elektrodenschicht eingeführt wird; und die Elektrolytmembran selektiv für Hydroxidionen durchlässig ist, die durch Reaktion in der Kathoden-Elektrodenschicht zwischen dem molekularen Sauerstoff, dem befeuchtenden Wasser und den Elektronen erzeugt werden.
  6. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anoden-Elektrodenschicht aus einer Wasserstoffspeicherlegierung zum Unterdrücken einer Zunahme der Leerlaufspannung auf der Seite der Kathoden-Elektrodenschicht erzeugt wird.
  7. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei die Wasserstoffspeicherlegierung, die zum Erzeugen der Anoden-Elektrodenschicht verwendet wird, eine Eigenschaft aufweist, dass sie absorbierten atomaren Wasserstoff desorbiert, wenn eine Randtemperatur der Anoden-Elektrodenschicht in einen vorgegebenen Bereich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle fällt, und atomaren Wasserstoff absorbiert, wenn eine Randtemperatur der Anoden-Elektrodenschicht in der Nähe von Raumtemperatur ist.
  8. Elektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Wasserstoffspeicherlegierung eine Legierung ist, die mindestens eine Zusammensetzung, ausgewählt aus LaNi4,5Al0,5, LaNi4,7Al0,3, und Ti1,1Fe0,8Ni0,1Zr0,05, aufweist.
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