DE112007001497B4

DE112007001497B4 - Verfahren zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007001497B4
Application number: DE112007001497.0T
Authority: DE
Inventors: Kenji Kimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: DE112007001497T5; US8277873B2; WO2008012648A3; JP2008034229A; CN101473483A; WO2008012648A2; CN101473483B; US20100021628A1; JP5205721B2

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle mit folgenden Schritten: Ausbilden einer Elektrolytmembran (10) an einer Wasserstofftrennmembran (12f), die gegenüber Wasserstoff permeabel ist, so dass eine Baugruppe ausbildet wird; und Verändern der Krümmung der Elektrolytmembran (10) der Baugruppe durch Halten der Baugruppe zwischen gekrümmten Separatoren (14a, 15a), so dass eine Druckspannung (C) in der Elektrolytmembran (10) generiert wird, wobei die Fläche der Wasserstofftrennmembran (12f), an der beim Ausbilden der Baugruppe die Elektrolytmembran (10) ausgebildet wird, eine konvexe Krümmung hat und die Baugruppe beim Verändern der Krümmung der Elektrolytmembran (10) derart zwischen die gekrümmten Separatoren (14a, 15a) gesetzt wird, dass eine konvex gekrümmte Fläche von einem der gekrümmten Separatoren (14a, 15a) und die Fläche der Wasserstofftrennmembran (12f), die die konvexe Krümmung hat, einander zugewandt sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Einige Brennstoffzellen, die als Wasserstofftrennmembranbrennstoffzellen bekannt sind, haben in deren Anodenlage eine Wasserstofftrennmembran, die gegenüber Wasserstoff selektiv permeabel ist, und führen somit nur Wasserstoff von einem Wasserstoff enthaltenden Gas zu einem Elektrolyt zu. Zum Beispiel beschreibt die JP 2006-12467 A ein Verfahren zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle, in der eine Elektrolytmembran an einer Fläche einer Wasserstofftrennmembranbasis ausgebildet ist.
Im Allgemeinen wird eine Elektrolytmembran bei einer hohen Temperatur ausgebildet. Somit kann, falls eine Elektrolytmembran bei niedrigen Temperaturen belassen wird, nachdem sie ausgebildet worden ist, eine innere Spannung (eine Zugspannung) in der Elektrolytmembran durch Schrumpfung von deren Kristall generiert werden. Zusätzlich ist der thermische Expansionskoeffizient einer Wasserstofftrennmembran oft höher als derjenige einer Elektrolytmembran. Es ist daher bekannt, dass die Wasserstofftrennmembran sich im Allgemeinen senkrecht zu der Bewegungsrichtung von Wasserstoff während einer Verwendung der Brennstoffzelle ausdehnt. Somit tendiert eine Elektrolytmembran, die auf einer Wasserstofftrennmembran ausgebildet ist, dazu, dass sie einer Zugspannung, die an einer Schnittstelle zwischen der Wasserstofftrennmembran generiert wird, während einer Verwendung der Brennstoffzelle ausgesetzt wird.
Falls innere Spannungen größer als die Festigkeit der Elektrolytmembran oder die Bindungsfestigkeit mit der Wasserstofftrennmembran wird, kann die Elektrolytmembran brechen, so dass ein Kurzschluss zwischen Elektroden verursacht wird, oder die Elektrolytmembran kann andererseits beschädigt werden, wobei die Wasserstofftrennmembran zum Beispiel von der Elektrolytmembran abgezogen wird.
Die EP 1 619 736 A1 schlägt in diesem Zusammenhang vor, eine Baugruppe aus einer flachen Wasserstofftrennmembran, einer flachen Elektrolytmembran und einer gekrümmten Verstärkungsplatte auszubilden, die neben einer gekrümmten Fläche eine ebene Fläche hat, die mit der Elektrolytmembran in Kontakt gebracht wird. Wenn Wasserstoff durch die Wasserstofftrennmembran der so ausgebildeten Baugruppe gehen gelassen wird, verändert sich aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der Wasserstofftrennmembran und der Elektrolytmembran die Krümmung der Elektrolytmembran, sodass in der Elektrolytmembran eine Druckspannung generiert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik, um die Wahrscheinlichkeit eines Beschädigens einer Elektrolytmembran einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle zu reduzieren.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale hat.
Gemäß diesem Aspekt absorbiert oder reduziert, sogar falls eine innere Spannung (Zugspannung) in der Elektrolytmembran generiert wird, die Druckspannung, die während dem Herstellungsprozess generiert worden ist, die Zugspannung, was die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Elektrolytmembran durch eine Erhöhung der Zugspannung reduziert.
Vor dem Ausbilden der Baugruppe kann die Wasserstofftrennmembran mit einem Trägerelement zum Tragen der Wasserstofftrennmembran ausgebildet werden.
Gemäß diesem Verfahren wird die Festigkeit der Wasserstofftrennmembran durch das Trägerelement verbessert, was nachfolgenden Prozesse, wie beispielsweise ein Verformen, erleichtert und sicherstellt.
Die Elektrolytmembran kann an der Fläche der Wasserstofftrennmembran durch Stengelkristallwachstum ausgebildet werden.
Gemäß diesem Verfahren empfängt der Kristall der Elektrolytmembran durch die Kristallstruktur des Stengelkristalls eine Spannung in eine Richtung, die im Allgemeinen senkrecht zu der Längsrichtung des Stengelkristalls verläuft. Somit wird die Zugspannung und daher die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Elektrolytmembran weiter reduziert.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen, wie beispielsweise einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle, einem Brennstoffzellensystem, das die Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle aufweist, und einem Fahrzeug, das das Brennstoffzellensystem eingebaut hat, eingesetzt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Das Vorstehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente vertreten und in denen:
1 eine schematische Schnittansicht ist, die ein Beispiel der Konstruktion einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle zeigt;
2A und 2B einen Prozess zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle gemäß einem Beispiel darstellen, das nicht unter Anspruchswortlaut fällt;
3A und 3B den Prozess zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle gemäß diesem Beispiel darstellen;
4A und 4B einen Prozess zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellen; und
5A und 5B den Prozess zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellen.
Detaillierte Beschreibung
1 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel der Konstruktion einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle zeigt. Eine Elementarzelle einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle 100 umfasst eine Membranelektrodenbaugruppe 13 und Separatoren 14 und 15, die die Baugruppe 13 dazwischen angeordnet haben. Die Membranelektrodenbaugruppe 13 weist eine Elektrolytmembran 10 und eine Kathodenlage 11 sowie eine Wasserstofftrennanodenlage 12 auf, die die Membran 10 dazwischen angeordnet haben. Im Allgemeinen sind eine Vielzahl von derartigen Zelleneinheiten zusammengestapelt, um einen Wasserstofftrennmembranbrennstoffzellenstapel zu bilden.
Die Elektrolytmembran 10 ist eine dünne Schicht mit einer guten Protonenleitfähigkeit unter nassen Bedingungen. Beispiele des Materials der Elektrolytmembran 10 umfassen Keramikprotonenleiter aus "BaCeO₃"- und "SrCeO₃"-Systemen. Die Kathodenlage 11 ist eine Membran, die aus einem Metall oder einem Keramikmaterial an der Elektrolytmembran 10 ausgebildet ist. Ein Beispiel des Materials der Kathodenlage 11 umfasst Palladium (Pd). Die Kathodenlage 11 kann mit einer Elektrodenkatalysatorlage versehen sein, die Platin (Pt) oder dergleichen trägt.
Die Wasserstofftrennanodenlage 12 ist aus einer Wasserstofftrennmembran 12f und einem Trägerelement 12s gemacht. die Wasserstofftrennmembran 12f ist zum Beispiel aus Pd oder einer Pd-Legierung ausgebildet und gegenüber Wasserstoff selektiv permeabel. Die Wasserstofftrennmembran 12f arbeitet auch als eine Anode. Das Trägerelement 12s hat die Gestalt einer Platte, die mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 12h ausgebildet ist, die einen Durchgang von zugeführten Wasserstoff enthaltendem Gas erlaubt und zum Beispiel aus Edelstahl (SUS) gefertigt ist.
Der Kathodenseparator 14 ist in Kontakt mit der Kathodenlage 11 angeordnet. Eine Fläche des Kathodenseparators 14 auf der Seite der Kathodenlage 11 ist mit einer Vielzahl von Nuten (Kathodengasdurchflusswegen CP) zum Zuführen von Sauerstoff enthaltendem Gas zu der Kathodenlage 11 ausgebildet. Der Anodenseparator 15 ist in Kontakt mit dem Trägerelement 12s der Wasserstofftrennanodenlage 12 angeordnet. Eine Fläche des Anodenseparators 15 auf der Seite des Trägerelements 12s ist mit einer Vielzahl von Nuten (Anodengasdurchflusswegen AP) zum Zuführen von Wasserstoff enthaltendem Gas zu der Wasserstofftrennmembran 12f ausgebildet.
Die zwei Separatoren 14 und 15 haben die Funktion eines Sammelns von Elektrizität, die in einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in der Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle 10 generiert worden ist. Die zwei Separatoren 14 und 15 sind zum Beispiel aus einem leitenden Material, wie beispielsweise Kohlenstoff und Metall, ausgebildet.
Die 2A, 2B, 3A und 3B stellen einen Prozess zum Herstellen einer Membranelektrodenbaugruppe zur Verwendung in einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle gemäß einem Beispiel dar, das nicht unter den Wortlaut der Ansprüche fällt. Die Konstruktion und die Materialien der Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle sind ungefähr die gleichen wie jene der Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle 100, die vorstehend diskutiert ist, und Unterschiede zwischen jenen sind nachstehend beschrieben.
2A ist eine schematische Schnittansicht, die eine Wasserstofftrennanodenlage 12 zeigt. In dem Prozess von 2A wird zuerst eine Wasserstofftrennmembran 12f vorbereitet. Ein Trägerelement 12s, das mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 12h ausgebildet ist, ist an einer Fläche der Wasserstofftrennmembran 12f angeordnet. Die Wasserstofftrennmembran 12f kann eine selbsttragende Membran sein, die mit keinem Trägerelement 12s versehen ist. Alternativ kann das Trägerelement 12s in einem Prozess nach jenen von 2A an der Wasserstofftrennmembran 12f vorgesehen werden.
In dem Prozess von 2B wird eine Elektrolytmembran 10 an einer Außenfläche der Wasserstofftrennmembran 12f in Kontakt mit dem Trägerelement 12s ausgebildet. Indem sie an der Wasserstofftrennmembran 12f ausgebildet ist, die dicht ist, ist die Elektrolytmembran 10 dünner gemacht. Da die Elektrolytmembran 10 dünner ist, reduziert sich der Membranwiderstand. Die Wasserstofftrennmembran 12f, die mit der Elektrolytmembran 10 versehen ist (und nicht mit der Kathodenlage versehen ist), ist als "Wasserstofftrennmembran-Elektrolytmembran-Baugruppe 20" bezeichnet.
Die Elektrolytmembran 10 kann unter Verwendung eines trockenen Beschichtungsverfahrens, wie beispielsweise PLD (gepulste Laserablagerung) oder Zerstäubung, ausgebildet werden. Die Elektrolytmembran 10 kann durch Stengelkristallwachstum an einer Fläche der Wasserstofftrennmembran 12f ausgebildet werden.
In einem derartigen Membranausbildungsprozess können die Elektrolytmembran 10 und die Wasserstofftrennmembran 12f erheblich höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Zum Beispiel erreicht, wenn die Membran auf Palladium (Pd) unter Verwendung von PLD ausgebildet wird, die Temperatur ungefähr 600 °C. Dann kann, falls die Elektrolytmembran 10 und die Wasserstofftrennmembran 12f bei niedrigen Temperaturen belassen werden, nachdem die Elektrolytmembran 10 wurde, eine innere Spannung (Zugspannung) T1 durch Schrumpfung ihres Kristalls in der Elektrolytmembran 10 generiert werden.
Im Allgemeinen hat ein Material zum Ausbilden der Wasserstofftrennmembran 12f verglichen mit jenem für die Elektrolytmembran 10 einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Zusätzlich ist bekannt, dass die Wasserstofftrennmembran 12f sich in eine Richtung ausdehnt, die im Allgemeinen senkrecht zu der Permeierrichtung von Wasserstoff verläuft, wenn Wasserstoff unter Hochtemperaturbetriebsbedingungen von 400 °C bis 500 °C permeiert. Somit kann eine Zugspannung T2 an einer Schnittstelle der Elektrolytmembran 10 mit der Wasserstofftrennmembran 12f generiert werden.
Somit kann, falls eine Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle ohne ein Ergreifen jeglicher Maßnahmen zusammengebaut wird, die Elektrolytmembran 10 brechen, so dass ein Kurzschluss zwischen Elektroden verursacht wird, oder die Wasserstofftrennmembran 12f kann von der Elektrolytmembran 10 in dem Fall abgezogen werden, in dem die Spannungen T1 und T2, die vorstehend diskutiert sind, steigen. Daher sind die nachstehenden Prozesse in diesem Beispiel vorgesehen.
In dem Prozess von 3A wird eine Kathodenlage 11 an der Wasserstofftrennmembran-Elektrolytmembran-Baugruppe 20 vorgesehen, um eine Membranelektrodenbaugruppe 13 zu erhalten. Zusätzlich werden zwei Separatoren 14a und 15a, um die Membranelektrodenbaugruppe 13 dazwischen zu halten, vorbereitet.
Der Kathodenseparator 14a ist im Allgemeinen in der Gestalt einer gekrümmten Platte, wobei ihre Fläche, an der die Kathodengasdurchflusswege CP ausgebildet sind, konvex gekrümmt ist. Der Anodenseparator 15a ist im Allgemeinen in der Gestalt einer gekrümmten Platte, wobei seine Fläche, an der die Anodengasdurchflusswege AP ausgebildet sind, ungefähr mit der gleichen Krümmung wie der Kathodenseparator 14 konkav gekrümmt ist.
In dem Prozess von 3B halten die zwei Separatoren 14a und 15a die Membranelektrodenbaugruppe 13 dazwischen, wodurch eine Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle 100a zusammengebaut ist. Somit ist die Membranelektrodenbaugruppe 13 durch die zwei Separatoren 14a und 15a gekrümmt, so dass sie die Gestalt einer gekrümmten Platte ausbildet, wobei ihre Flächen auf der Seite der Wasserstofftrennmembran 12f und auf der Seite der Kathodenlage 11 konvex gekrümmt bzw. konkav gekrümmt sind.
Infolge dessen empfängt die Elektrolytmembran 10 eine Druckspannung C zu der Mitte der gekrümmten Fläche hin (3B; Pfeil C). Somit werden die Zugspannung T1 (2B) durch Kristallschrumpfung der Elektrolytmembran 10 und die Zugspannung T2 (2B), die an einer Schnittstelle mit der Wasserstofftrennmembran 12f, die vorstehend diskutiert ist, generiert wird, durch die Druckspannung C absorbiert oder reduziert.
In dem Fall, in dem die Elektrolytmembran 10 durch Stengelkristallwachstum ausgebildet ist, empfängt der Kristall eine Spannung in eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung des Stengelkristalls verläuft. Somit wird die Spannung an dem Kristallniveau reduziert, was eine tiefgreifendere Spannungsverringerungswirkung vorsieht. Es wird angemerkt, dass die Elektrolytmembran 10 nicht als Stengelkristall ausgebildet sein kann.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird in diesem Beispiel die Elektrolytmembran 10 an der flachen Wasserstofftrennmembran 12f ausgebildet und dann wird die resultierende Baugruppe so gekrümmt, dass ihre Fläche auf der Seite der Elektrolytmembran 10 konkav gekrümmt wird, um die Brennstoffzellen zusammenzubauen. Somit empfängt die Elektrolytmembran 10 eine reduzierte Spannung, wie vorstehend diskutiert ist, was die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Elektrolytmembran 10 reduziert.
Die 4A, 4B, 5A und 5B stellen einen Prozess zum Herstellen einer Membranelektrodenbaugruppe zur Verwendung in einer Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Die Prozesse, die in 4A, 4B, 5A und 5B gezeigt sind, sind ungefähr die gleichen wie jene, die in 2A, 2B, 3A und 3B gezeigt sind, mit Ausnahme der Gestalt einer Wasserstofftrennanodenlage 12a in 4A.
In dem Prozess von 4A wird eine Wasserstofftrennanodenlage 12a vorbereitet (4A). Die Wasserstofftrennanodenlage 12a in diesem Ausführungsbeispiel hat im Allgemeinen die Gestalt einer gekrümmten Platte, wobei deren Fläche, an der eine Elektrolytmembran 10 auszubilden ist, konvex gekrümmt ist. Die Krümmung kann ungefähr die gleiche sein, wie jene von den zwei Separatoren 14a und 15a in dem vorherigen Beispiel.
Der Prozess von 4B und nachfolgende Prozesse sind die gleichen wie jene in dem vorherigen Beispiel. Da die Wasserstofftrennanodenlage 12a gekrümmt wird, wie vorstehend diskutiert ist, wird die Elektrodenmembran 10 ebenso gekrümmt (4B; Wasserstofftrennmembran-Elektrolytmembran-Baugruppe 20a). Normalerweise wird eine Membranelektrodenbaugruppe 13a, bevor sie zwischen zwei Separatoren 14a und 15a angeordnet wird, im Allgemeinen in der Gestalt einer gekrümmten Platte ausgebildet, wobei ihre Fläche auf der Seite der Kathodenlage 11 ausgebeult/angeschwollen ist.
In dem Prozess von 5B wird die Membranelektrodenbaugruppe 13a zwischen den zwei Separatoren 14a und 15a gehalten und hierdurch im Allgemeinen in der Gestalt einer gekrümmten Platte verformt, wobei deren Fläche auf der Seite der Elektrolytmembran 10 konkav gekrümmt wird (5).
Gemäß diesem Herstellungsverfahren ist eine Druckspannung C (5B; Pfeil C), die in der Elektrolytmembran 10 der Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle 100a generiert wird, größer als jene in dem vorherigen Beispiel, was die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Elektrolytmembran 10 weiter reduziert.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle mit folgenden Schritten: Ausbilden einer Elektrolytmembran (10) an einer Wasserstofftrennmembran (12f), die gegenüber Wasserstoff permeabel ist, so dass eine Baugruppe ausbildet wird; und Verändern der Krümmung der Elektrolytmembran (10) der Baugruppe durch Halten der Baugruppe zwischen gekrümmten Separatoren (14a, 15a), so dass eine Druckspannung (C) in der Elektrolytmembran (10) generiert wird, wobei die Fläche der Wasserstofftrennmembran (12f), an der beim Ausbilden der Baugruppe die Elektrolytmembran (10) ausgebildet wird, eine konvexe Krümmung hat und die Baugruppe beim Verändern der Krümmung der Elektrolytmembran (10) derart zwischen die gekrümmten Separatoren (14a, 15a) gesetzt wird, dass eine konvex gekrümmte Fläche von einem der gekrümmten Separatoren (14a, 15a) und die Fläche der Wasserstofftrennmembran (12f), die die konvexe Krümmung hat, einander zugewandt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Ausbilden der Wasserstofftrennmembran (12f) mit einem Trägerelement (12s) zum Tragen der Wasserstofftrennmembran (12f), vor dem Ausbilden der Baugruppe.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrolytmembran (10) durch Stengelkristallwachstum an der Fläche der Wasserstofftrennmembran (12f) ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit dem Schritt: Ausbilden einer Kathodenlage (11) an der Elektrolytmembran (10).