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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Im
Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Vorrichtung, die elektrische
Energie aus Brennstoff, Wasserstoff und Sauerstoff erhält.
Brennstoffzellen werden weitgehend als ein Energieversorgungssystem
entwickelt, weil Brennstoffzellen in Umweltangelegenheiten überlegen
sind und hohe Energieeffizienz erreichen können.
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Eine
Brennstoffzelle, in welcher eine Wasserstoffelektrodenschicht, die
als eine katalytische Schicht und eine Gasdiffusionsschicht fungiert,
eine Poröskörperschicht, die aus gesintertem Schaummetall gemacht
ist, und ein flacher Separator auf einer Seite einer elektrolytischen
Membran in Reihenfolge bereitgestellt sind, und eine Sauerstoffelektrodenschicht,
die als eine katalytische Schicht und eine Gasdiffusionsschicht
fungiert, eine Poröskörperschicht, die aus gesintertem
Schaummetall gemacht ist, und ein flacher Separator auf der anderen
Seite der elektrolytischen Membran in Reihenfolge bereitgestellt
sind, ist offenbart (z. B. unter Bezug auf Patentdokument 1).
- Patentdokument
1: japanische Patentanmeldung
Publikationsnummer 2004-63095
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösende
Probleme
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Die
in Patentdokument 1 offenbarte Brennstoffzelle weist eine symmetrische
Struktur bzgl. der elektrolytischen Membran auf. In diesem Fall
kann die Eigenschaft der elektrischen Leistungserzeugung aufgrund
eines Fehlens von Wasserübertragung von der Kathodenseite
zu der Anodenseite bei Hochtemperaturbetrieb beeinträchtigt
sein.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle
bereitzustellen, die eine Beeinträchtigung der elektrischen
Leistungserzeugungseigenschaft bei Hochtemperaturbetrieb unterdrücken
kann.
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Mittel zur Lösung
der Probleme
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Eine
Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie beinhaltet: eine Membran-Elektroden-Baueinheit;
auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Baueinheit bereitgestellte
Durchgänge; und zwischen der Membran-Elektroden-Baueinheit
und den Durchgängen bereitgestellte Fluid-permeable Bauteile.
Der Wärmewiderstand des Fluid-permeablen Bauteils auf einer
Anodenseite ist niedriger als der des Fluid-permeablen Bauteils
auf einer Kathodenseite.
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Bei
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist der Wärmefluss
an dem anodenseitigen Fluid-permeablen Bauteil erhöht,
und der Wärmefluss an dem kathodenseitigen Fluid-permeablen Bauteil
ist verringert, weil der Wärmewiderstand an dem anodenseitigen
Fluid-permeablen Bauteil geringer ist als der des kathodenseitigen
Fluid-permeablen Bauteils. In diesem Fall ist es möglich,
die Beeinträchtigung der elektrischen Leistungserzeugungseigenschaft
bei Hochtemperaturbetrieb der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung
zu unterdrücken.
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Die
Fluid-permeablen Bauteile können eine Gasdiffusionsschicht
beinhalten. Die Dicke der Gasdiffusionsschicht auf der Anodenseite
kann geringer sein als die der Gasdiffusionsschicht auf der Kathodenseite.
In diesem Fall tendiert die bei der elektrischen Leistungserzeugung
erzeugte Wärme dazu, nach außen abgeschieden zu
werden, weil der Wärmewiderstand auf der Anodenseite verringert
ist. Es ist möglich, die Temperatur der Brennstoffzelle
der vorliegenden Erfindung effektiv zu verringern. Folglich ist
es möglich, die Widerstandseigenschaft bei Hochlastbetrieb
zu verbessern. Die Gasdiffusionsschicht auf der Anodenseite kann
aus einem Material mit einem niedrigeren Wärmewiderstand,
als dem des Materials, das die Gasdiffusionsschicht auf der Kathodenseite
bildet, gemacht sein.
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Die
Gasdiffusionsschicht mag lediglich zwischen einer Kathode der Membran-Elektroden-Baueinheit
und dem Durchgang bereitgestellt sein. In diesem Fall ist der Wärmewiderstand
auf der Anodenseite verringert. Die Gasdurchlässigkeit
der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht tendiert dazu aufgrund
verbleibenden erzeugten Wassers oder Stickstoffgases beeinträchtigt
zu sein. Im Gegensatz dazu tendiert die Wasserstoffgasdurchlässigkeit
der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht nicht dazu, beeinträchtigt
zu sein. Das heißt, es gibt einen kleinen Einfluss auf
die Wasserstoffgasdurchlässigkeit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht,
selbst wenn Wasser an der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht verbleibt.
Das liegt daran, dass ein Wasserstoffmolekül sehr klein
ist. Die Wasserstoffgasdurchlässigkeit auf der Anodenseite
tendiert daher nicht dazu, beeinträchtigt zu sein, selbst
wenn die anodenseitige Gasdiffusionsschicht weggelassen wird.
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Die
Fluid-permeablen Bauteile können eine wasserabweisende
Schicht beinhalten. Die Dicke der wasserabweisenden Schicht auf
der Anodenseite kann geringer sein, als die der wasserabweisenden Schicht
auf der Kathodenseite. In diesem Fall tendiert die bei der elektrischen
Leistungserzeugung erzeugte Wärme dazu, nach außen
abgeschieden zu werden, weil der Wärmewiderstand auf der
Anodenseite verringert ist. Es ist somit möglich, die Temperatur der
Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung effektiv zu verringern.
Folglich ist es möglich, die Widerstandseigenschaft bei
Hochlastbetrieb zu verbessern. Die wasserabweisende Schicht auf
der Anodenseite kann aus einem Material gemacht sein, das einen
niedrigeren Wärmewiderstand aufweist, als ein Material,
das die wasserabweisende Schicht auf der Kathodenseite bildet. Und
die wasserabweisende Schicht mag lediglich zwischen der Kathode
der Membran-Elektroden-Baueinheit und dem Durchgang bereitgestellt
sein.
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Die
Gasdiffusionsschicht kann aus einem Material mit höherer
Elastizität als der des Durchgangs gemacht sein. In diesem
Fall kann die Gasdiffusionsschicht Abmessungsänderungen
jedes Bauteils absorbieren. Der Durchgang kann ein Durchgang mit
dreidimensionaler Maschenstruktur sein. Der Durchgang mit dreidimensionaler
Maschenstruktur kann aus einem Poröskörper gemacht
sein. Der Poröskörper kann ein poröser
Metallkörper sein.
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Die
Brennstoffzelle kann ferner einen Separator beinhalten, der auf
dem Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur auf einer entgegen
liegenden Seite der Membran-Elektroden-Baueinheit bereitgestellt
ist. Eine Kontaktfläche zwischen dem Separator und dem
Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur kann flach sein.
In diesem Fall ist ein Kontaktbereich zwischen dem Separator und dem
Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur vergrößert.
Die Leistungssammeleffizienz ist somit verbessert. Eine wasserabweisende
Schicht, der Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur und
ein Separator können auf der Membran-Elektroden-Baueinheit
auf einer Anodenseite laminiert sein. Und eine wasserabweisende
Schicht, eine Gasdiffusionsschicht, der Durchgang mit dreidimensionaler
Maschenstruktur und ein Separator können auf der Membran-Elektroden-Baueinheit
auf einer Kathodenseite laminiert sein.
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Wirkungen der Erfindung
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Entsprechend
der Erfindung kann eine Beeinträchtigung der elektrischen
Leistungserzeugungseigenschaft einer Brennstoffzelle bei Hochtemperaturbetrieb
unterdrückt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht
eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle entsprechend
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 veranschaulicht
eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle entsprechend
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 veranschaulicht
eine Menge an Wärme, die in einen anodenseitigen Separator
und einen kathodenseitigen Separator fließt;
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4 veranschaulicht
eine Temperaturverringerungsbreite zwischen einer Membran-Elektroden-Baueinheit
und einer Kühloberfläche des kathodenseitigen
Separators; und
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5 veranschaulicht
eine Beziehung zwischen einer Verringerungsbreite einer Ausgangsspannung
und Temperatur einer jeden Brennstoffzelle.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Es
wird eine Beschreibung zu bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gegeben werden.
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(Erste Ausführungsform)
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1 veranschaulicht
eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 100 entsprechend
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 veranschaulicht hat die Brennstoffzelle 100 eine
Struktur, in welcher eine Fluid-permeable Schicht 21, ein
Poröskörperdurchgang 22 und ein Separator 23 auf
eine Fläche einer Membran-Elektroden-Baueinheit 10 laminiert
sind, und eine Fluid-permeable Schicht 31, ein Poröskörperdurchgang 32 und
ein Separator 33 auf die andere Fläche der Membran-Elektroden-Baueinheit 10 laminiert
sind.
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Die
Membran-Elektroden-Baueinheit 10 weist eine Struktur auf,
in welcher eine Anodenschicht 12 auf einer Fläche
einer elektrolytischen Membran 11 bereitgestellt ist, und
eine Kathodenschicht 13 auf der anderen Fläche
der elektrolytischen Membran 11 bereitgestellt ist. Die
Fluid-permeable Schicht 21 beinhaltet eine wasserabweisende Schicht 211 und
eine Brennstoffgasdiffusionsschicht 212. Die wasserabweisende
Schicht 211 ist auf der Seite der Membran-Elektroden-Baueinheit 10 angeordnet,
gegenüber der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212.
Die Fluid-permeable Schicht 31 beinhaltet eine wasserabweisende
Schicht 311 und eine Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312.
Die wasserabweisende Schicht 311 ist auf der Seite der Membran-Elektroden-Baueinheit 10 angeordnet,
verglichen zu der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312.
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Die
elektrolytische Membran 11 ist aus einem protonendurchlässigen
Festpolymerelektrolyt, wie etwa Nation (eingetragene Marke), hergestellt. Die
Anodenschicht 12 und die Kathodenschicht 13 sind
aus leitfähigem Material mit Katalysator hergestellt und
sind zum Beispiel aus Platin tragendem Kohlenstoff gemacht. Die
Anodenschicht 12 fungiert als eine katalytische Schicht
zum Fördern der Protonenerzeugung aus Wasserstoff. Die
Kathodenschicht 13 fungiert als eine katalytische Schicht
zum Fördern einer Reaktion zwischen Proton und Sauerstoff.
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Die
wasserabweisenden Schichten 211 und 311 sind aus
einem Material, das Wasserabweisung, Leitfähigkeit und
Gasdurchlässigkeit aufweist, wie etwa PTFE (Polytetrafluorethylen),
Kohlenstoff beinhaltend, hergestellt. Die wasserabweisenden Schichten 211 und 311 weisen
Gasdurchlässigkeit auf und unterdrücken ungünstigen
Strom erzeugten Wassers in Richtung der Elektrodenschicht. Es ist
somit möglich, durch Aufstauung von Wasser an der Elektrodenschicht
verursachte Probleme zu unterdrücken. Die Dicke der wasserabweisenden
Schichten 211 und 311 sind im Wesentlichen einander
gleich, und sind zum Beispiel 10 μm bis 200 μm.
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Die
Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 und die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 sind aus
einem Material mit Leitfähigkeit und Gasdiffusionsfähigkeit,
wie etwa einem Kohlepapier oder einem Kohlenstoffgewebe, hergestellt.
Die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 weist eine
Dicke von ungefähr 50 μm bis 300 μm auf.
Bei der Ausführungsform ist die Dicke der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 geringer,
als die der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312. Daher
ist der Wärmewiderstand der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 geringer,
als der der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312. Folglich
ist der gesamte Wärmewiderstand der Fluid-permeablen Schicht 21 geringer,
als der der Fluid-permeablen Schicht 31.
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Die
Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 und die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 leiten Gas
zu der Elektrodenschicht. Das heißt, das der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 bereitgestellte Brennstoffgas
diffundiert hauptsächlich in Richtung der Anodenschicht 12.
Das der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 bereitgestellte
Oxidationsmittelgas diffundiert hauptsächlich in Richtung
der Kathodenschicht 13. Das bei der elektrischen Leistungserzeugung
erzeugte Wasser kann die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 und
die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 in Richtung
des Poröskörperdurchgangs durchdringen. Es ist
vorzuziehen, dass die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 und
die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 aus einem Material
bestehen, das eine höhere Elastizität aufweist,
als die Poröskörperdurchgänge 22 und 32. Das
ist dadurch begründet, dass die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 und
die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 Abmessungsänderungen
jedes Teils der Brennstoffzelle 100 absorbieren.
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Die
Poröskörperdurchgänge 22 und 32 sind aus
einem leitfähigen Poröskörper hergestellt.
Bei der Ausführungsform sind die Poröskörperdurchgänge 22 und 32 aus
einem porösen Metallkörper, wie etwa gesintertem Schaummetall,
hergestellt. Die Poröskörperdurchgänge 22 und 32 fungieren
als ein Gasdurchgang zum Bereitstellen von Gas zu der gesamten Fläche
der Membran-Elektroden-Baueinheit 10. Das heißt,
das dem Poröskörperdurchgang 22 bereitgestellte
Brennstoffgas strömt hauptsächlich parallel zu
der Fluid-permeablen Schicht 21. Das dem Poröskörperdurchgang 32 bereitgestellte
Oxidationsmittelgas strömt hauptsächlich parallel
zu der Fluid-permeablen Schicht 31. Somit ist die Funktion der
Poröskörperdurchgänge 22 und 32 verschieden von
der der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212, der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 und
der wasserabweisenden Schichten 211 und 311.
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Die
Separatoren 23 und 33 sind aus flachem leitfähigem
Material gemacht, und sind aus Metall wie etwa rostfreiem Stahl
gemacht. Ein Kontaktbereich zwischen dem Separator 23 und
dem Poröskörperdurchgang 22 und ein Kontaktbereich
zwischen dem Separator 33 und dem Poröskörperdurchgang 32 sind
somit vergrößert. Folglich ist die Effizienz der elektrischen
Leistungssammlung verbessert. In 1 ist eine
Zelle veranschaulicht, um die Erklärung zu vereinfachen.
In einer eigentlichen Brennstoffzelle ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen
gestapelt.
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Als
Nächstes wird ein Betrieb der Brennstoffzelle 100 beschrieben
werden. Brennstoffgas, Wasserstoff beinhaltend, wird dem Poröskörperdurchgang 22 bereitgestellt.
Das Brennstoffgas strömt in den Poröskörperdurchgang 22 und
gelangt zu der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212, durchdringt
die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 und die wasserabweisende
Schicht 211 und gelangt zu der Anodenschicht 12.
Der Wasserstoff in dem Brennstoffgas an der Anodenschicht 12 wird
in ein Proton und ein Elektron getrennt. Das Proton wird in der
elektrolytischen Membran 11 geleitet und gelangt zu der
Kathodenschicht 13.
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Demgegenüber
wird Oxidationsmittelgas, Sauerstoff beinhaltend, dem Poröskörperdurchgang 32 bereitgestellt.
Das Oxidationsmittelgas strömt in dem Poröskörperdurchgang 32,
durchdringt die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 und
die wasserabweisende Schicht 311 und gelangt zu der Kathodenschicht 13.
Wasser und elektrische Leistung werden aus Sauerstoff in dem Oxidationsmittelgas
und dem Proton an der Kathodenschicht 13 erzeugt. Die erzeugte
elektrische Leistung wird durch die Separatoren 23 und 33 gesammelt.
Mit diesem Vorgang erzeugt die Brennstoffzelle 100 elektrische Leistung.
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Das
bei der elektrischen Leistungserzeugung erzeugte Wasser tritt durch
die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212, die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 und
die wasserabweisenden Schichten 211 und 311, und
gelangt zu dem Poröskörperdurchgang. Das erzeugte
Wasser wird effizient zu der Seite des Poröskörperdurchgangs
transferiert, weil die wasserabweisenden Schichten 211 und 311 eine Wasserabweisung
aufweisen. In diesem Fall wird ein Aufstauen des erzeugten Wassers
unterdrückt. Es ist somit möglich, eine Flutung
bei Niedrigtemperaturbetrieb zu unterdrücken. Es wird folglich
auch die Verringerung der elektrischen Leistungserzeugungseffizienz
der Brennstoffzelle 100 unterdrückt.
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Bei
elektrischer Leistungserzeugung wird Wärme erzeugt. Die
Temperatur der Kathodenschicht 13 ist somit am höchsten.
Die erzeugte Wärme wird durch die Fluid-permeable Schicht 31,
den Poröskörperdurchgang 32 und den Separator 33 geleitet,
und wird durch die Fluid-permeable Schicht 21, den Poröskörperdurchgang
und den Separator 23 geleitet. Zum Beispiel kann die bei
der elektrischen Leistungserzeugung erzeugte Wärme nach
Außen abgeschieden werden, wenn die Separatoren 23 und 33 mit
einem umlaufendem Kühlmedium in Kontakt stehen. Es ist
somit möglich die Temperatur der Brennstoffzelle 100 zu
steuern, um unter einem vorbestimmten Wert zu liegen.
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Bei
der Ausführungsform ist der gesamte Wärmewiderstand
der Fluid-permeablen Schichten 21 und 31 verringert,
wenn die Dicke der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 verringert
ist. In diesem Fall tendiert die bei der elektrischen Leistungserzeugung erzeugte
Wärme dazu, nach Außen abgeschieden zu werden.
Es ist somit möglich, die Temperatur der Brennstoffzelle 100 effizient
zu verringern. Es ist folglich möglich, die Widerstandseigenschaft
der Brennstoffzelle 100 bei Hochlastbetrieb zu verbessern.
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Der
Wärmefluss ist bei der Fluid-permeablen Schicht 21 erhöht
und der Wärmefluss ist bei der Fluid-permeablen Schicht 31 beeinträchtigt,
weil der Wärmewiderstand der Fluid-permeablen Schicht 21 niedriger
ist, als der der Fluid-permeablen Schicht 31. In diesem
Fall wird angenommen, dass eine Menge an von der Kathodenschicht 13 zu
der Anodenseite transferiertem Wasser durch den Soreteffekt erhöht ist.
Es wird somit angenommen, dass eine Menge an Wasser, die für
die elektrolytische Membran 11 benötigt wird,
sichergestellt ist. Folglich ist es möglich, eine Verringerung
der elektrischen Leistungserzeugungseigenschaft bei Hochtemperaturbetrieb
der Brennstoffzelle 100 zu unterdrücken.
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Der
Wärmewiderstand zwischen der Kathodenschicht 13 und
dem Separator 23 ist geringer als der zwischen der Kathodenschicht 13 und
dem Separator 33, wenn der Wärmewiderstand der
elektrolytischen Membran 11 geringer ist als der Wärmewiderstandsunterschied
zwischen der Fluid-permeablen Schicht 21 und der Fluid-permeablen
Schicht 31. In diesem Fall ist die Temperatur der Anodenseite
niedriger, als die der Kathodenseite.
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Die
Dicke der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 ist geringer
als die der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 und
der Wärmewiderstand der Fluid-permeablen Schicht 21 ist
geringer als der der Fluid-permeablen Schicht 31, bei dieser
Ausführungsform. Allerdings ist der Aufbau nicht begrenzt.
Zum Beispiel muss der Wärmewiderstand des Materials, das
die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 bildet, lediglich
geringer sein als der des Materials, das die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 bildet, selbst
wenn die Dicke der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 gleich
ist zu der der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312.
Zum Beispiel ist der Wärmewiderstand der Fluid-permeablen
Schicht 21 geringer als der der Fluid-permeablen Schicht 31,
wenn die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 aus Kohlenstoffgewebe
gemacht ist und die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 aus
Kohlenstoffpapier gemacht ist.
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Der
Wärmewiderstand der Fluid-permeablen Schicht 21 ist
geringer, als der der Fluid-permeablen Schicht 31, wenn
ein Faserdurchmesser der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 größer
ist als der der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312,
selbst wenn die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 und
die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 aus dem gleichen
Material gemacht sind. Die Dicke der wasserabweisenden Schicht 211 kann
geringer sein als die der wasserabweisenden Schicht 311,
und der Wärmewiderstand der Fluid-permeablen Schicht 21 kann
geringer sein als der der Fluid-permeablen Schicht 31.
Das Material, dass die wasserabweisende Schicht 211 bildet,
kann von dem, das die wasserabweisende Schicht 311 bildet,
verschieden sein und der Wärmewiderstand der Fluid-permeablen
Schicht 21 kann geringer sein als der der Fluid-permeablen Schicht 31.
Zum Beispiel ist es möglich den Wärmewiderstand
der wasserabweisenden Schicht 211 zu verringern durch Steuern
des Kohlenstoffverhältnisses der wasserabweisenden Schicht 211,
so dass es höher ist als das der wasserabweisenden Schicht 311.
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Die
Wirkung der vorliegenden Erfindung kann erzielt werden, wenn der
Wärmewiderstand der Fluid-permeablen Schicht 21 geringer
ist, als die der Fluid-permeablen Schicht 31, basierend
auf zumindest einer der Bedingungen wie etwa Material, Materialqualität,
Dicke usw. der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212, der
Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 und der wasserabweisenden
Schichten 211 und 311. Bei der Ausführungsform
wird der Poröskörperdurchgang als ein Durchgang
mit dreidimensionaler Maschenstruktur verwendet. Allerdings kann
ein dreidimensionaler Durchgang, wie etwa ein mehrschichtiges gestrecktes
Metall anstatt des Poröskörperdurchgang verwendet
werden.
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Bei
der Ausführungsform entsprechen die Poröskörperdurchgänge 22 und 32 dem
Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur. Die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212,
die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 und die wasserabweisenden
Schichten 211 und 311 entsprechen dem Fluid-permeablen
Bauteil.
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(Zweite Ausführungsform)
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Als
Nächstes wird eine Brennstoffzelle 100a entsprechend
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
beschrieben werden. 2 veranschaulicht eine schematische
Schnittansicht der Brennstoffzelle 100a. Wie in 2 veranschaulicht,
unterscheidet sich die Brennstoffzelle 100a von der in 1 veranschaulichten
Brennstoffzelle 100 in einem Punkt, nämlich dass
die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 nicht bereitgestellt
ist. In diesem Fall ist der Wärmewiderstand auf der Anodenseite
im Vergleich zu der Brennstoffzelle 100 stärker
verringert. Es ist somit möglich, die bei der elektrischen
Leistungserzeugung erzeugte Wärme nach Außen abzuscheiden.
Folglich ist es möglich die Temperatur der Brennstoffzelle 100a effektiv
zu verringern. Dies resultiert in einer Verbesserung der Widerstandseigenschaft
der Brennstoffzelle 100a bei Hochlastbetrieb.
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Der
Wärmefluss bei der Fluid-permeablen Schicht 21 wird
weiter erhöht und der Wärmefluss bei der Fluid-permeablen
Schicht 31 wird weiter verringert. In diesem Fall wird
angenommen, dass eine von der Kathodenschicht 13 in Richtung
der Anodenseite transferierte Wassermenge weiter erhöht
ist. Es wird somit angenommen, dass die für die elektrolytische Membran 11 benötigte
Wassermenge sichergestellt ist. Das resultiert in einer Unterdrückung
der Verringerung der elektrischen Leistungseigenschaft der Brennstoffzelle 100a bei
Hochtemperaturbetrieb.
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Die
Gasdurchlässigkeit der Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 tendiert
dazu, durch verbliebenes erzeugtes Wasser oder Stickstoffgas beeinträchtigt
zu sein. Im Gegensatz dazu tendiert die Wasserstoffdurchlässigkeit
der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 nicht dazu beeinträchtigt
zu sein. Das heißt, es gibt einen kleinen Einfluss auf
Wasserstoffgasdurchlässigkeit der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212,
selbst wenn Wasser bei der Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 verbleibt.
Das ist dadurch begründet, dass ein Wasserstoffmolekül
sehr klein ist. Die Wasserstoffgasdurchlässigkeit der Anodenseite
tendiert daher nicht dazu, beeinträchtigt zu sein, selbst
wenn die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 nicht bereitgestellt
ist, wie in dem Fall der Ausführungsform.
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Wenn
ein Separator mit Durchgangsvertiefung anstatt des Poröskörperdurchgang 22 und
des Separators 23 in der Brennstoffzelle 100a bereitgestellt
ist, ist eine Wasserstoffbereitstellung zu der Anodenschicht 12 unter
einer Rippe des Separators extrem verringert. In diesem Fall ist
ein zu der elektrischen Leistungserzeugung beitragender Elektrodenbereich
verringert. Im Gegensatz dazu wird Wasserstoffgas der ganzen Elektrode bereitgestellt,
selbst wenn die Brennstoffgasdiffusionsschicht 212 nicht bereitgestellt
ist, weil der Poröskörperdurchgang 22 mit
dreidimensionaler Maschenstruktur in der Brennstoffzelle 100a bereitgestellt
ist.
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Beispiel
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Die
Brennstoffzelle entsprechend der oben genannten Ausführungsform
wurde hergestellt und die Eigenschaft der Brennstoffzelle wurde
gemessen.
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(Beispiel)
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Die
Brennstoffzelle 100a entsprechend der zweiten Ausführungsform
wurde in einem Beispiel hergestellt. Eine Fluor-enthaltende Polymerschicht mit
einer Dicke von 25 μm wurde als eine elektrolytische Membran 11 verwendet.
Pt-tragender Kohlenstoff mit einer Dicke von 5 μm wurde
als die Anodenschicht 12 und die Kathodenschicht 13 verwendet. Kohlenstoffgewebe
mit einer Dicke von 200 μm wurde als die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 verwendet.
40% PTFE und 60% Kohlenstoff mit einer Dicke von 50 μm
wurden als die wasserabweisenden Schichten 211 und 311 verwendet.
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(Vergleichsbeispiel 1)
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In
einem Vergleichsbeispiel 1 wurde eine Brennstoffgasdiffusionsschicht
zwischen der wasserabweisenden Schicht 211 und dem Poröskörperdurchgang 22 in
der Brennstoffzelle des Beispiels bereitgestellt. Die Brennstoffgasdiffusionsschicht
hatte die gleiche Zusammensetzung und Dicke, wie die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 des
Beispiels.
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(Vergleichsbeispiel 2)
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In
einem Vergleichsbeispiel 2 wurde die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht
nicht bereitgestellt und eine Brennstoffgasdiffusionsschicht wurde zwischen
der wasserabweisenden Schicht 211 und dem Poröskörperdurchgang 22 in
der Brennstoffzelle des Beispiels bereitgestellt. Die Brennstoffgasdiffusionsschicht
hatte die gleiche Zusammensetzung und Dicke wie die Oxidationsmittelgasdiffusionsschicht 312 des
Beispiels.
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(Analyse 1)
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Die
Verteilung der bei der elektrischen Leistungserzeugung der Brennstoffzellen
des Beispiels, des Vergleichsbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels
2 erzeugten Wärme in Richtung der Anodenseite und der Kathodenseite
wurde gemessen. Konkret erzeugten die Brennstoffzellen Wärme
unter einer Bedingung von 1,8 A/cm2 Stromdichte
und 0,52 V Ausgangsspannung, und die Wärmemenge, die in den
anodenseitigen Separator und den kathodenseitigen Separator strömt
wurde gemessen. 3 veranschaulicht das Ergebnis.
Eine vertikale Achse in 3 bezeichnet eine strömende
Wärmemenge (W/cm2).
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Wie
in 3 veranschaulicht war bei der Brennstoffzelle
des Vergleichsbeispiels 1 die in den anodenseitigen Separator strömende
Wärmemenge größer als die in den kathodenseitigen
Separator strömende. Es wird angenommen, dass dies daran liegt,
dass der Wärmewiderstand auf der Anodenseite im Wesentlichen
gleich zu dem auf der Kathodenseite ist, und Wärme an der
Kathodenschicht erzeugt wird. Bei der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 2
war die in den kathodenseitigen Separator strömende Wärmemenge
weiter größer als die in den anodenseitigen Separator
strömende. Es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass
der Wärmewiderstand auf der Kathodenseite niedriger war,
als der auf der Anodenseite.
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Demgegenüber
gab es bei der Brennstoffzelle des Beispiels einen kleinen Unterschied
zwischen der in den anodenseitigen Separator strömenden Wärme
und der in den kathodenseitigen Separator strömenden Wärme.
Es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass der Wärmewiderstand
auf der Anodenseite verringert war und der Wärmefluss auf der
Anodenseite erhöht war. Es wird angenommen, dass das bei
der elektrischen Leistungserzeugung erzeugte Wasser dazu tendiert
mit dem Soreteffekt auf die Anodenseite transferiert zu werden.
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(Analyse 2)
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Als
Nächstes wurde eine Temperaturverringerungsbreite zwischen
der Membran-Elektroden-Baueinheit und einer Kühloberfläche
des kathodenseitigen Separators bezüglich der Brennstoffzellen
des Beispiels und des Vergleichsbeispiels 1 gemessen. Bei einer
Analyse 2 erzeugten die Brennstoffzellen unter einer Bedingung von
1,8 A/cm2 Stromdichte und 0,52 V Ausgangsspannung
Wärme. 4 veranschaulicht das Ergebnis.
Eine vertikale Achse in 4 bezeichnet die Temperaturverringerungsbreite
zwischen der Membran-Elektroden-Baueinheit und der Kühloberfläche
des kathodenseitigen Separators.
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Wie
in 4 veranschaulicht war die Temperaturdifferenz
der Brennstoffzelle des Beispiels verglichen zu der des Vergleichsbeispiels
1 verringert. Dies zeigt, dass die Oberflächentemperatur
der MEA (Membran-Elektroden-Baueinheit; Membrane-Electrode Assembly)
in einem Fall des Vergleichs bei der gleichen Kühloberflächentemperatur
niedriger war als die des Vergleichsbeispiels 1. Es wird angenommen,
dass dies daran liegt, dass der gesamte thermische Widerstand auf
der Anodenseite und der Kathodenseite bei der Brennstoffzelle des
Beispiels verringert war. Es wird daher angenommen, dass die Widerstandseigenschaft
bei Hochlastbetrieb bezüglich der Brennstoffzelle des Beispiels
verbessert ist.
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(Analyse 3)
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Als
Nächstes wurde ein Verhältnis zwischen der Verringerungsbreite
der Ausgangsspannung und der Temperatur der Brennstoffzelle gemessen. 5 veranschaulicht
das Ergebnis. Eine vertikale Achse in 5 bezeichnet
eine Spannungsverringerungsbreite der maximalen Ausgangsspannung
der Brennstoffzellen. Eine horizontale Achse in 5 bezeichnet
die Temperatur beim Kühlwasserausgang der Brennstoffzellen.
Die Temperatur des Kühlwasserausgangs ist ein Indikator
der Temperatur der Brennstoffzelle. Eine gepunktete Linie in 5 bezeichnet die
Spannungsverringerungsbreite der Brennstoffzellen des Beispiels
und des Vergleichsbeispiels 1 in einem Fall, bei der eine Befeuchtungstemperatur
auf der Anodenseite und der Kathodenseite auf 45°C bzw.
55°C war.
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Wie
in 5 veranschaulicht, war die Ausgangsspannung der
Brennstoffzelle des Beispiels verglichen zu der Brennstoffzelle
des Vergleichsbeispiels 1 in Richtung einer höheren Temperatur
nicht verringert, wenn die Kathode nicht befeuchtet war. Die maximale
Temperatur, bei der die Brennstoffzelle des Beispiels elektrische
Leistung erzeugen kann, war um 3°C höher, als
die der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 1, wenn die Kathode
nicht befeuchtet war. Die Ausgangsspannung war in Richtung einer
höheren Temperatur verglichen zu den Brennstoffzellen der
Vergleichsbeispiele 1 und 2 nicht verringert, selbst wenn die Kathode
befeuchtet war. Die maximale Temperatur, bei der die Brennstoffzelle
des Beispiels elektrische Leistung erzeugen kann, war um 4°C
höher als die der Brennstoffzellen der Vergleichsbeispiele
1 und 2, wenn die Kathode befeuchtet war.
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Die
Temperatur der Brennstoffzelle des Beispiels, bei der die Ausgangsspannung
verringert war, war verglichen zu den Brennstoffzellen der Vergleichsbeispiele
1 und 2 erhöht, wenn die Kathode befeuchtet und nicht befeuchtet
war. Die maximale Temperatur der Brennstoffzelle des Beispiels,
bei der elektrische Leistung erzeugt werden kann, war verglichen
zu den Brennstoffzellen der Vergleichsbeispiele 1 und 2 erhöht.
Dies zeigt, dass die Beeinträchtigung der Eigenschaft der
elektrischen Leistungserzeugung bei Hochtemperaturbetrieb der Brennstoffzelle des
Beispiels unterdrückt war. Es wird angenommen, dass dies
daran liegt, dass die Verringerung einer Wassermenge der elektrolytischen
Membran unterdrückt war, wenn das bei der elektrischen
Leistungserzeugung erzeugte Wasser zu der Anodenseite transferiert
wurde.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Brennstoffzelle (100) beinhaltet eine Membran-Elektroden-Baueinheit
(10), Durchgänge (22, 32), die
auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Baueinheit bereitgestellt
sind, und Fluid-permeable Bauteile (212, 312),
die zwischen der Membran-Elektroden-Baueinheit und den Durchgängen
bereitgestellt sind. Der Wärmewiderstand des Fluid-permeablen
Bauteils auf einer Anodenseite ist geringer, als der des Fluid-permeablen
Bauteils auf einer Kathodenseite. In diesem Fall ist ein Wärmefluss bei
dem anodenseitigen Fluid-permeablen Bauteil erhöht, und
ein Wärmefluss bei dem kathodenseitigen Fluid-permeablen
Bauteil ist erniedrigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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