DE112007002023T5

DE112007002023T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007002023T5
Application number: DE112007002023T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Toyota-shi AOYAMA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-11-05
Also published as: JP2008066012A; JP5061544B2; US20100021786A1; WO2008029900A1; CN101512802A

Abstract

Brennstoffzelle, umfassend:
ein wasserstoffpermeables Metallsubstrat, das als eine Anode dient; und
eine Elektrolytschicht, die auf dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat bereitgestellt ist und Protonenleitfähigkeit aufweist,
wobei wenigstens ein Teil des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats aus einem Metall besteht, das eine Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als eine bestimmte Temperatur ist.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Vorrichtung, die elektrischen Strom aus Kraftstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, gewinnt. Brennstoffzellen wurden weithin als eine Energiezufuhrvorrichtung entwickelt, weil Brennstoffzellen umwelttechnisch ausgezeichnet sind und eine hohe Energieeffizienz erreichen können.
Es gibt einige Arten von Brennstoffzellen, die einen Festelektrolyten beinhalten, wie eine Polymerelektrolyt Brennstoffzelle, eine Fest-Oxid Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle mit wasserstoffpermeabler Membran (HMFC). Hierbei hat die Brennstoffzelle mit wasserstoffpermeabler Membran eine dichte wasserstoffpermeable Membran. Die dichte wasserstoffpermeable Membran besteht aus einem Metall mit Wasserstoffpermeabilität und dient als eine Anode. Die Brennstoffzelle mit wasserstoffpermeabler Membran weist eine Struktur auf, in welcher ein Elektrolyt mit Protonenleitfähigkeit auf der wasserstoffpermeablen Membran aufgebracht ist. Einiger Wasserstoff, der an der wasserstoffpermeablen Membran bereitgestellt wird, wird durch katalytische Reaktion zu Protonen umgewandelt. Die Protonen werden in den Elektrolyt mit Wasserstoffpermeabilität geleitet, reagieren mit an der Kathode bereitgestelltem Sauerstoff, und dadurch wird elektrischer Strom erzeugt, wie in Patentdokument 1 offenbart.

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2004-146337

Offenbarung der Erfindung
Bei dem in Patentdokument 1 offenbarten Stand der Technik gibt es allerdings den Fall, bei dem die wasserstoffpermeable Membran grenzflächig von der Elektrolytschicht getrennt ist, bedingt durch eine Deformation der wasserstoffpermeablen Membran während des Betriebs der Brennstoffzelle mit wasserstoffpermeabler Membran.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, bei welcher eine Grenzflächentrennung zwischen der wasserstoffpermeablen Membran und der Elektrolytschicht gehemmt ist.
Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein wasserstoffpermeables Metallsubstrat und eine Elektrolytschicht. Das wasserstoffpermeable Metallsubstrat dient als eine Anode. Die Elektrolytschicht ist auf dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat bereitgestellt und weist Protonenleitfähigkeit auf. Wenigstens ein Teil des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats besteht aus einem Metall, das eine Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als eine bestimmte Temperatur ist.
Bei der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats gehemmt, selbst wenn die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht ist, weil die Rekristallisationstemperatur des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats höher als die bestimmte Temperatur ist. Dies führt dazu, dass eine Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat und der Elektrolytschicht gehemmt ist. Beziehungsweise ist ein Riss in der Elektrolytschicht gehemmt.
Die bestimmte Temperatur kann eine Rekristallisationstemperatur von reinem Palladium sein. In diesem Fall ist die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats stärker gehemmt, als in einem Fall, bei dem das reine Palladium als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat verwendet wird. Die bestimmte Temperatur kann ein Maximum einer Betriebtemperatur der Brennstoffzelle sein. In diesem Fall ist eine Deformation der Brennstoffzelle bei dem Betrieb der Brennstoffzelle gehemmt.
Die bestimmte Temperatur kann die höchste Temperatur sein, welcher das wasserstoffpermeable Metallsubstrat unterworfen ist, mit dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat in Kontakt mit der Elektrolytschicht, bei einem Herstellungsverfahren und einem Betriebsverfahren der Brennstoffzelle. In diesem Fall ist die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats bei dem Herstellungsverfahren und dem Betriebsverfahren der Brennstoffzelle gehemmt. Die Elektrolytschicht kann mit einem Beschichtungsverfahren gebildet sein und die bestimmte Temperatur kann eine Beschichtungstemperatur der Elektrolytschicht sein. In diesem Fall ist die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats gehemmt, wenn die Elektrolytschicht gebildet wird.
Das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, kann ein Edelmetall sein. In diesem Fall ist eine durch eine Oxidation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats bedingte Trennung gehemmt. Die bestimmte Temperatur kann 550°C betragen.
Ein Wasserstoffquellkoeffizient des Metalls, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, kann geringer als ein bestimmter Wert sein. In diesem Fall ist die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats gehemmt, selbst wenn das wasserstoffpermeable Metallsubstrat einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt ist. Das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, kann eine Pd Legierung sein, und der bestimmte Wert kann ein Wasserstoffquellkoeffizient von reinem Pd sein. In diesem Fall ist die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats stärker gehemmt als in einem Fall, bei dem das reine Palladium als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat verwendet wird.
Das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, kann eine PdPt-basierte Legierung oder eine PdAuRh-basierte Legierung sein. Das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als der bestimmte Wert ist, kann wenigstens auf einer Oberfläche des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats an der Elektrolytschichtseite angeordnet sein. In diesem Fall ist die Deformation einer Fläche des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats an der Elektrolytschichtseite gehemmt. Die Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat und der Elektrolytschicht ist wirksam gehemmt.
Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Grenzflächentrennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat und der Elektrolytschicht gehemmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Rekristallisationstemperatur und einer Menge an entweichendem Wasserstoff eines wasserstoffpermeablen Metallsubstrats; und
3 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Wasserstoffquellkoeffizienten und einer Menge an entweichendem Wasserstoff eines wasserstoffpermeablen Metallsubstrats.
Beste Ausführungsformen der Erfindung
Eine Beschreibung der besten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nun gegeben.
(Ausführungsform)
1 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle mit wasserstoffpermeabler Membran als eine Brennstoffzelle verwendet. Wie in 1 gezeigt, weist die Brennstoffzelle 100 Separatoren 1 und 9, Stromabnehmer 2 und 8, ein Verstärkungssubstrat 3, ein wasserstoffpermeables Metallsubstrat 4, eine Zwischenschicht 5, eine Elektrolytschicht 6 und eine Kathode 7 auf. Bei dieser Ausführungsform wird eine Beschreibung einer in 1 gezeigten Brennstoffzellen-Einheit zur Vereinfachung gegeben. Bei einer tatsächlichen Brennstoffzelle kann eine Vielzahl von Brennstoffzellen-Einheiten aufeinanderfolgen.
Der Separator 1 besteht aus einem leitfähigen Material wie Edelstahl. Und ein konvexer Abschnitt ist bei einem Randbereich an einer oberen Fläche des Separators 1 gebildet. Der Stromabnehmer 2 besteht zum Beispiel aus einem leitfähigen Material wie einem gesinterten, geschäumten, porösen Metall, einem SUS430 porösen Material, einem Ni porösen Material, einem Pt-beschichteten Al₂O₃ porösem Material oder einem Pt Netz. Der Stromabnehmer 2 ist auf einem Zentralbereich des Separators 1 laminiert.
Das Verstärkungssubstrat 3 besteht aus einem leitfähigen Material wie Edelstahl und verstärkt das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 und die Elektrolytschicht 6. Das Verstärkungssubstrat 3 ist auf dem Separator 1, durch den konvexen Abschnitt des Separators 1, und dem Stromabnehmer 2 bereitgestellt. Das Verstärkungssubstrat 3 wird mit einem Lötmaterial oder ähnlichem an den Separator 1 gefügt. Eine Vielzahl an (nicht gezeigten) Durchgangslöchern ist an dem Zentralbereich des Verstärkungssubstrats 3 gebildet. Dies führt dazu, dass das Brennstoffgas an dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 von dem Stromabnehmer 2 bereitgestellt wird.
Das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 ist auf dem Verstärkungssubstrat 3 laminiert, um die in dem Verstärkungssubstrat 3 gebildeten Durchgangslöcher zu bedecken. Das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 dient als eine Anode, an welcher das Brennstoffgas bereitgestellt wird, und verstärkt die Elektrolytschicht 6. Das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 weist Wasserstoffpermeabilität auf und besteht aus einem Metall, das eine Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als eine bestimmte Temperatur ist. Eine detaillierte Beschreibung des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 wird später beschrieben. Die Dicke des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 beträgt zum Beispiel 5 μm bis 100 μm.
Die Zwischenschicht 5 ist auf dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 laminiert. Die Zwischenschicht 5 absorbiert die Grenzflächentrennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6. Das heißt, die Zwischenschicht 5 besteht aus einem Material, das ein höheres Adhäsionsvermögen zu dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 als die Elektrolytschicht 6 und ein höheres Adhäsionsvermögen zu der Elektrolytschicht 6 als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Zwischenschicht 5 Wasserstoff dissoziiert, weil eine Umwandlung von Wasserstoff zu Protonen begünstigt wird. Zum Beispiel ist es möglich, reines Palladium als die Wasserstoff dissoziiernde Zwischenschicht 5 zu verwenden. Die Zwischenschicht 5 kann aus einem Material bestehen, das keine Wasserstoffpermeabilität aufweist. Es gibt einen geringen Einfluss auf die Wasserstoffpermeabilität, wenn die Dicke der Zwischenschicht 5 verringert ist. Die Dicke der Zwischenschicht 5 beträgt zum Beispiel 10 nm bis 500 nm.
Die Elektrolytschicht 6 ist auf der Zwischenschicht 5 gebildet. Die Elektrolytschicht 6 besteht aus einem Material mit Protonenleitfähigkeit. Ein Fest-Oxid-Elektrolyt wie Perowskit kann als die Elektrolytschicht 6 verwendet werden. Die Dicke der Elektrolytschicht beträgt zum Beispiel 0,2 μm bis 5 μm. Ein Beschichtungsverfahren der Elektrolytschicht 6 ist nicht beschränkt. Das Verfahren kann ein PLD Verfahren sein. Die Kathode 7 besteht zum Beispiel aus einem leitfähigen Material wie Lanthancobaltit, Lanthanmanganat, Silber, Platin, oder Platin-geträgertem Kohlenstoff, und ist auf der Elektrolytschicht 6 laminiert. Die Kathode 7 kann mit einem Siebdruckverfahren gebildet werden.
Der Stromabnehmer 8 besteht aus einem gleichen Material wie der Stromabnehmer 2, und ist auf der Kathode 7 laminiert. Der Separator 9 besteht aus einem gleichen Material wie der Separator 1, und ist auf dem Stromabnehmer 8 laminiert. Und ein konvexer Abschnitt ist an einem Randbereich einer unteren Fläche des Separators 9 gebildet. Der Separator 9 wird durch den konvexen Abschnitt des Seperators 9 an das Verstärkungssubstrat 3 gefügt. Eine Isolierung wird zwischen dem Verstärkungssubstrat 3 und dem Separator 9 durchgeführt. Dies führt dazu, dass ein elektrischer Kurzschluss zwischen dem Separator 1 und dem Separator 9 gehemmt ist.
Als nächstes wird eine Beschreibung eines Betriebs der Brennstoffzelle 100 gegeben. Ein Wasserstoff beinhaltendes Brennstoffgas wird an dem Stromabnehmer 2 bereitgestellt. Dieses Brennstoffgas wird an dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 mittels des Stromabnehmers 2 und dem Durchgangsloch des Verstärkungssubstrats 3 bereitgestellt. Einiger Wasserstoff in der Brennstoffzelle wird an dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 in Protonen umgewandelt. Die Protonen werden in das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 und die Elektrolytschicht 6 geleitet und gelangen zur Kathode 7.
Andererseits wird ein Sauerstoff beinhaltendes Oxidationsmittel-Gas an dem Stromabnehmer 8 bereitgestellt. Dieses Oxidationsmittel-Gas wird an der Kathode 7 bereitgestellt. Die Protonen reagieren mit Sauerstoff in dem Oxidationsmittel-Gas, das an der Kathode 7 bereitgestellt ist. Dadurch werden Wasser und elektrischer Strom erzeugt. Der erzeugte elektrische Strom wird mittels der Stromabnehmer 2 und 8 und der Separatoren 1 und 9 gesammelt.
Wärme wird erzeugt, wenn der elektrische Strom erzeugt wird. Und eine Temperatur der Brennstoffzelle 100 ist während der Erzeugung des elektrischen Stroms erhöht. Bei der Ausführungsform ist eine Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 gehemmt, selbst wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 100 erhöht ist, weil das Metall, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, eine Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als eine bestimmte Temperatur ist. Die Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6 ist daher gehemmt. Beziehungsweise ist ein Riss in der Elektrolytschicht gehemmt.
Es ist bevorzugt, dass die Rekristallisationstemperatur des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, höher als die von reinem Palladium ist, weil die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 stärker gehemmt ist, als in einem Fall, bei dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 aus reinem Palladium besteht. Es ist bevorzugt, dass die Rekristallisationstemperatur des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, höher ist als ein Maximum einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 100, weil die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 während des Betriebs der Brennstoffzelle 100 gehemmt ist. Das Maximum der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 100 beträgt zum Beispiel 400°C bis 600°C.
Es ist bevorzugt, dass die Rekristallisationstemperatur des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, höher ist als eine Bildungstemperatur der Elektrolytschicht 6, weil die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 während der Bildung der Elektrolytschicht 6 gehemmt ist. Die Bildungstemperatur der Elektrolytschicht 6 hängt von dem Material ab, aus dem die Elektrolytschicht besteht. Die Bildungstemperatur beträgt zum Beispiel 600°C. Die Bildungstemperatur ist eine Temperatur der Elektrolytschicht 6 während ihrer Bildung.
Es ist bevorzugt, dass die Rekristallisationstemperatur des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, höher ist als eine Schmelztemperatur eines Lötmaterials, während eines Verbindungsverfahrens zwischen dem Verstärkungssubstrat 3 und den Separatoren 1 und 9. Die Schmelztemperatur des Lötmaterials hängt von einer Art des Lötmaterials ab, und beträgt zum Beispiel 500°C bis 600°C.
Es ist bevorzugt, dass die Rekristallisationstemperatur des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, höher ist als eine Maximaltemperatur, welcher das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 unterworfen ist, mit der auf dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 gebildeten Elektrolytschicht 6, bei dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle 100 und dem Betriebsverfahren der Brennstoffzelle 100. In diesem Fall ist die Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6 bei dem Herstellungsverfahren und dem Betriebsverfahren der Brennstoffzelle 100 gehemmt. Es ist bevorzugt, dass die Rekristallisationstemperatur des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, höher als die Bildungstemperatur der Zwischenschicht 5 ist, falls die Bildungstemperatur der Zwischenschicht 5 die höchste ist.
Dabei zeigt Tabelle 1 Materialien, die als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 Anwendung finden. Die Rekristallisationstemperatur in Tabelle 1 ist eine Temperatur, wenn die Härte einer Zielmetallschicht mit einer Dicke von 0,1 mm vor und nach Enthärten mittig ist in einem Fall, bei dem die Metallschicht einer Wärmebehandlung unterworfen wird, und die Veränderung der Härte der Metallschicht gemessen wird. Die Wärmebehandlung wird 2 Stunden in einer Vakuumatmosphäre und in einem bestimmten Temperaturbereich durchgeführt. Es ist besonders bevorzugt, dass bei den in Tabelle 1 gezeigten Metallen eine PdPt-basierte Legierung oder eine PdAuRh-basierte Legierung verwendet wird. Es ist möglich, eine durch eine Oxidation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 bedingte Trennung zu hemmen, falls die in Tabelle 1 gezeigten Edelmetalllegierungen als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 verwendet werden. [Tabelle 1]

Metall Rekristallisationstemperatur (°C)

Reines Pd 250

PdAg23 450

PdPt8,8 450

PdPt16,9 550

PdAu25Rh5 650

PdAu31,6 550

PdRu5 800
Es ist bevorzugt, dass ein Wasserstoffquellkoeffizient des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, geringer als ein bestimmter Wert ist, weil die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 gehemmt ist, selbst wenn das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt ist. Es ist bevorzugt, dass der Wasserstoffswellkoeffizient des Metalls, aus dem das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 besteht, geringer als der von reinem Palladium ist, weil die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 stärker gehemmt ist, als in einem Fall, bei dem das reine Palladium als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 verwendet wird. Der Effekt der vorliegenden Erfindung wird erhalten, wenn das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist (hiernach bezeichnet als Rekristallisations-beständiges Metall), in dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 beinhaltet ist. Das Rekristallisations-beständige Metall kann gebildet sein, um eine Schicht in dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 zu sein. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Rekristallisations-beständige Metall die dickste Schicht in dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 bildet, weil die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 vollständig gehemmt ist. Es ist bevorzugt, dass das Rekristallisations-beständige Metall wenigstens auf einer Fläche des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 an der Seite der Elektrolytschicht 6 gebildet ist. In diesem Fall ist es möglich, die Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6 wirksam zu hemmen, weil die Deformation des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 an der Seite der Elektrolytschicht 6 gehemmt ist.
(Beispiele)
Die Brennstoffzelle 100 wurde gemäß der Ausführungsform hergestellt, und die Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6 sind untersucht worden.
(Beispiel 1)
In Beispiel 1 wurde eine PdAu25Rh5 Legierung mit einer Dicke von 80 μm als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 verwendet. Reines Palladium mit einer Dicke von 50 nm wurde als die Zwischenschicht 5 verwendet. SrZr_0,8In_0,2O₃ mit einer Dicke von 2 μm wurde als die Elektrolytschicht 6 verwendet. Die Bildungstemperatur der Zwischenschicht 5 betrug 600°C. Die Bildungstemperatur der Elektrolytschicht 6 betrug 600°C. Eine Verbindungstemperatur zwischen den Separatoren 1 und 9 und dem Verstärkungssubstrat 3 betrug 600°C.
(Beispiel 2)
In Beispiel 2 wurde PdPt16,9 Legierung mit einer Dicke von 80 μm als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 verwendet. Die andere Struktur der Brennstoffzelle 100 in Übereinstimmung mit Beispiel 2 ist die gleiche wie die in Übereinstimmung mit Beispiel 1.
(Vergleichendes Beispiel)
Bei dem vergleichenden Beispiel wurde reines Pd mit einer Dicke von 80 μm als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 verwendet. Die Zwischenschicht 5 wurde nicht bereitgestellt. Die andere Struktur der Brennstoffzelle 100 in Übereinstimmung dem vergleichenden Beispiel ist die gleiche wie die in Übereinstimmung mit Beispiel 1.
(Analyse)
Wasserstoffgas wurde an der Anode bereitgestellt und Luft wurde an der Kathode bereitgestellt, und jede der Brennstoffzellen erzeugte elektrischen Strom für 25 Stunden. Die Spannung während der Erzeugung des elektrischen Stroms von jeder Brennstoffzelle wurde auf 0,7 V eingestellt. Die Betriebstemperatur während der Erzeugung des elektrischen Stroms wurde auf 400°C eingestellt. Dann wurde an der Anode Wasserstoffgas bereitgestellt, der an Kathode wurde Stickstoffgas bereitgestellt, und die Wasserstoffkonzentration in dem Gas an der Kathodenseite wurde mit einem Gaschromatographen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde eine Grenzflächentrennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6 in der Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit dem vergleichenden Beispiel beobachtet.

Allerdings wurde eine Grenzflächentrennung in den Brennstoffzellen in Übereinstimmung mit den Beispielen 1 und 2 nicht beobachtet. [Tabelle 2]

	Legierung	Rekristallisationstemperatur (°C)	Wasserstoffquellung (Pd = 100)	Trennung	H₂ entweichend (ppm)	Trennungswiederstand
Bsp. 1	PdAu25Rh5	650	75	nicht	Einige Dutzend	•
Bsp. 2	PdPt16,9	550	50	getrennt	Einige Hundert	O
vgl. Bsp.	Reines Pd	250	100	ein wenig	Einige Tausend	Δ

2 veranschaulicht ein Verhältnis zwischen der Rekristallisationstemperatur des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 und einer Menge an entweichendem Wasserstoff (Wasserstoffkonzentration). Eine horizontale Achse von 2 zeigt die Rekristallisationstemperatur des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 an. Eine vertikale Achse von 2 zeigt die Menge des entweichenden Wasserstoffs an. Wie in 2 gezeigt, wird die Menge an entweichendem Wasserstoff reduziert, wenn die Rekristallisationstemperatur erhöht ist. Es ist daher bestätigt, dass die Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6 wirksam gehemmt ist, wenn ein Metall mit einer hohen Rekristallisationstemperatur als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 verwendet wird.
3 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Wasserstoffquellkoeffizienten des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 und der Menge an entweichendem Wasserstoff (Wasserstoffkonzentration). Eine horizontale Achse von 3 zeigt den Wasserstoffquellkoeffizienten des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats 4 an. Eine vertikale Achse von 3 zeigt die Menge des entweichenden Wasserstoffs an. Wie in 3 gezeigt, wird die Menge an entweichendem Wasserstoff reduziert, wenn der Wasserstoffquellkoeffizient verringert ist. Es ist daher bestätigt, dass die Trennung zwischen dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat 4 und der Elektrolytschicht 6 noch wirksamer gehemmt ist, wenn ein Metall mit einer hohen Rekristallisationstemperatur und mit einem geringen Wasserstoffquellkoeffizienten als das wasserstoffpermeable Metallsubstrat 4 verwendet wird.
Zusammenfassung
Eine Brennstoffzelle beinhaltet ein wasserstoffpermeables Metallsubstrat und eine Elektrolytschicht. Das wasserstoffpermeable Metallsubstrat dient als eine Anode. Die Elektrolytschicht ist auf dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat bereitgestellt und weist Protonenleitfähigkeit auf. Wenigstens ein Teil des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats besteht aus einem Metall, das eine Rekristallisationstemperatur aufweist, die höhere als eine bestimmte Temperatur ist.
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 2004-146337 [0003]

Claims

Brennstoffzelle, umfassend: ein wasserstoffpermeables Metallsubstrat, das als eine Anode dient; und eine Elektrolytschicht, die auf dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat bereitgestellt ist und Protonenleitfähigkeit aufweist, wobei wenigstens ein Teil des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats aus einem Metall besteht, das eine Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als eine bestimmte Temperatur ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die bestimmte Temperatur eine Rekristallisationstemperatur von reinem Palladium ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die bestimmte Temperatur ein Maximum einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die bestimmte Temperatur die höchste Temperatur ist, welcher das wasserstoffpermeable Metallsubstrat unterworfen ist, mit dem wasserstoffpermeablen Metallsubstrat in Kontakt mit der Elektrolytschicht, bei einem Herstellungsverfahren und einem Betriebsverfahren der Brennstoffzelle.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei: die Elektrolytschicht mit einem Beschichtungsverfahren gebildet ist; und die bestimmte Temperatur eine Bildungstemperatur der Elektrolytschicht ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, ein Edelmetall ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die bestimmte Temperatur 550°C beträgt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Wasserstoffquellkoeffizient des Metalls, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, geringer als ein bestimmter Wert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei: das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, eine Pd Legierung ist; und der bestimmte Wert ein Wasserstoffquellkoeffizient von reinem Pd ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, eine PdPt-basierte Legierung oder eine PdAuRh-basierte Legierung ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Metall, das die Rekristallisationstemperatur aufweist, die höher als die bestimmte Temperatur ist, wenigstens auf einer Fläche des wasserstoffpermeablen Metallsubstrats an der Elektrolytschichtseite bereitgestellt ist.