DE112007002008T5 - Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:
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,
wobei der Wärmewiderstand des Fluid-permeablen Bauteils auf einer Anodenseite geringer ist, als der des Fluid-permeablen Bauteils auf einer Kathodenseite.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Brennstoffzelle.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • 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.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die eine Beeinträchtigung der elektrischen Leistungserzeugungseigenschaft bei Hochtemperaturbetrieb unterdrücken kann.
  • Mittel zur Lösung der Probleme
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Entsprechend der Erfindung kann eine Beeinträchtigung der elektrischen Leistungserzeugungseigenschaft einer Brennstoffzelle bei Hochtemperaturbetrieb unterdrückt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 veranschaulicht eine Menge an Wärme, die in einen anodenseitigen Separator und einen kathodenseitigen Separator fließt;
  • 4 veranschaulicht eine Temperaturverringerungsbreite zwischen einer Membran-Elektroden-Baueinheit und einer Kühloberfläche des kathodenseitigen Separators; und
  • 5 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Verringerungsbreite einer Ausgangsspannung und Temperatur einer jeden Brennstoffzelle.
  • Bevorzugte Ausführungsformen
  • Es wird eine Beschreibung zu bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben werden.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiel
  • Die Brennstoffzelle entsprechend der oben genannten Ausführungsform wurde hergestellt und die Eigenschaft der Brennstoffzelle wurde gemessen.
  • (Beispiel)
  • 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.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • 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.
  • (Vergleichsbeispiel 2)
  • 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.
  • (Analyse 1)
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • (Analyse 2)
  • 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.
  • 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.
  • (Analyse 3)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2004-63095 [0003]

Claims (16)

  1. Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: 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, wobei der Wärmewiderstand des Fluid-permeablen Bauteils auf einer Anodenseite geringer ist, als der des Fluid-permeablen Bauteils auf einer Kathodenseite.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-permeablen Bauteile eine Gasdiffusionsschicht beinhalten.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gasdiffusionsschicht auf der Anodenseite kleiner ist, als die der Gasdiffusionsschicht auf der Kathodenseite.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht auf der Anodenseite aus einem Material hergestellt ist, das einen geringeren Wärmewiderstand aufweist, als den eines Materials, das die Gasdiffusionsschicht auf der Kathodenseite bildet.
  5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht nur zwischen einer Kathode der Membran-Elektroden-Baueinheit und dem Durchgang bereitgestellt ist.
  6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-permeablen Bauteile eine wasserabweisende Schicht beinhalten.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wasserabweisenden Schicht auf der Anodenseite kleiner ist, als die der wasserabweisenden Schicht auf der Kathodenseite.
  8. Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserabweisende Schicht auf der Anodenseite aus einem Material hergestellt ist, das einen geringeren Wärmewiderstand aufweist, als ein Material, das die wasserabweisende Schicht auf der Kathodenseite bildet.
  9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid-permeable Bauteil nur zwischen einer Kathode der Membran-Elektroden-Baueinheit und dem Durchgang bereitgestellt ist.
  10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht aus einem Material hergestellt ist, das eine höhere Elastizität aufweist, als die des Durchgangs.
  11. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang ein Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur ist.
  12. Brennstoffzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur aus einem Poröskörper hergestellt ist.
  13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Poröskörper ein poröser Metallkörper ist.
  14. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch ferner umfassen eines Separators, der auf dem Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur auf einer entgegen liegenden Seite der Membran-Elektroden-Baueinheit bereitgestellt ist.
  15. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktfront zwischen dem Separator und dem Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur flach ist.
  16. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass: eine wasserabweisende Schicht, ein Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur und ein Separator auf der Membran-Elektroden-Baueinheit auf einer Anodenseite laminiert sind; und eine wasserabweisende Schicht, eine Gasdiffusionsschicht, ein Durchgang mit dreidimensionaler Maschenstruktur und ein Separator auf der Membran- Elektroden-Baueinheit auf einer Kathodenseite laminiert sind.
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