DE112008000842T5

DE112008000842T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008000842T5
Application number: DE112008000842T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Toyota-shi Oshikawa; Hideo Toyota-shi Naohara; Yoshifumi Toyota-shi Hirao
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-04-02
Also published as: US8227133B2; JP2008262800A; CN101652892A; CN101652892B; US20100092835A1; WO2008132937A1; DE112008000842B4; JP5292718B2

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Einheit enthält, die durch Anordnen einer katalytischen Schicht auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran ausgebildet ist;
einem Gasströmungsweg, der mit der katalytischen Schicht verbunden ist;
einem Brennstofftank, der mit dem Gasströmungsweg verbunden ist, um der katalytischen Schicht über den Gasströmungsweg ein Brennstoffgas zuzuführen; und
einem Hydrierungskatalysator, der in einem Gasverteilungsweg angeordnet ist, der von dem Brennstofftank aus über den Gasströmungsweg zur katalytischen Schicht verläuft, und der dazu verwendet wird, ein schwefelloses Odoriermittel zu hydrieren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und insbesondere auf ein System mit einer Brennstoffzelle, deren Brennstoff Wasserstoffgas ist, dem ein Odoriermittel beigemengt ist.
Stand der Technik
Das Brennstoffgas, das bei einem herkömmlich bekannten Brennstoffzellensystem verwendet wird, wie es beispielsweise in der JP 2004-134272 A offenbart ist, ist ein Wasserstoffgas, dem ein Odoriermittel beigemengt ist. Der in dem obigen herkömmlichen System enthaltene Brennstofftank speichert ein Gemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel, sodass der Wasserstoff sicher gehandhabt werden kann. Der Geruch des Odoriermittels kann erfasst werden, um zu beurteilen, ob eine Wasserstoffleitung hermetisch abgedichtet ist.
In einer Brennstoffzelle ist eine katalytische Schicht vorgesehen, um eine Stromerzeugungsreaktion herbeizuführen. Wenn der Brennstoffzelle ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel zugeführt wird, kann die katalytische Schicht aufgrund der Vergiftung durch das Odoriermittel an Reaktionsfreudigkeit verlieren. Daher enthält das obige herkömmliche System einen Adsorptionsmechanismus, der sich zwischen dem Kraftstofftank und der Brennstoffzelle befindet, um das Odoriermittel zu adsorbieren. Dies gewährleistet, dass das Odoriermittel aus dem Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel entfernt wird, damit die Brennstoffzelle ungehindert elektrischen Strom erzeugen kann.
Das Adsorptionsvermögen eines Adsorptionsmittels nimmt mit zunehmender Odoriermittel-Adsorptionsmenge ab. Um dieses Problem anzugehen, stellt das herkömmliche System das Adsorptionsvermögen des Adsorptionsmittels bei Bedarf wieder her, indem es von einer reduzierenden Zerlegung durch Wasserstoff Verwendung macht. Auf diese Weise ermöglicht die oben beschriebene herkömmliche Technologie es, ein Brennstoffzellensystem zu bilden, das für erhöhte Wasserstoffsicherheit sorgt, während kontinuierlich verhindert wird, dass die Stromerzeugung der Brennstoffzelle durch eine Katalysatorvergiftung behindert wird.

Patentdokument 1: JP 2004-134272 A
Patentdokument 2: JP 2005-203108 A
Patentdokument 3: JP 2004-111167 A

Kurzdarstellung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Allerdings enthält der Adsorptionsmechanismus für das obige herkömmliche System ein Adsorptionsmittel und einen Mechanismus zum Wiederherstellen des Adsorptionsvermögens des Adsorptionsmittels. Der Mechanismus zum Wiederherstellen des Adsorptionsvermögens umfasst einen Katalysator zur Einleitung der Zerlegung des Odoriermittels, ein Gebläse und verschiedene andere Mechanismen. Wie gerade beschrieben wurde, enthält das oben beschriebene herkömmliche System viele Elemente, die den Adsorptionsmechanismus bilden. Folglich kann das System komplex und groß werden.
Die Erfindung erfolgte, um das obige Problem zu lösen. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das ein Odoriermittel mit Hilfe einer einfachen Gestaltung beseitigen kann und erhöhte Wasserstoffsicherheit gewährleistet.
Mittel zur Lösung des Problems
Um den oben genannten Zweck zu erfüllen, sieht die erste Ausgestaltung der Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, mit:
einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Einheit enthält, die durch Anordnen einer katalytischen Schicht auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran ausgebildet ist;
einem Gasströmungsweg, der mit der katalytischen Schicht verbunden ist;
einem Brennstofftank, der mit dem Gasströmungsweg verbunden ist, um der katalytischen Schicht über den Gasströmungsweg ein Brennstoffgas zuzuführen; und
einem Hydrierungskatalysator, der in einem Gasverteilungsweg angeordnet ist, der von dem Brennstofftank aus über den Gasströmungsweg zur katalytischen Schicht verläuft, und der dazu verwendet wird, ein schwefelloses Odoriermittel zu hydrieren.
Die zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausgestaltung vor, mit außerdem:
einer Wärmezufuhreinrichtung zum Zuführen von durch die Brennstoffzelle erzeugter Wärme zu dem Hydrierungskatalysator.
Die dritte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausgestaltung oder der zweiten Ausgestaltung vor, wobei die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel ist, der durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit mit einem dazwischen eingefügten Separator ausgebildet ist, und wobei der Gasströmungsweg einen Verteiler, der innerhalb des Brennstoffzellenstapels verläuft und mit den katalytischen Schichten der Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit verbunden ist, und eine Leitung enthält, die außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist und den Verteiler mit den Brennstofftank verbindet, wobei das Brennstoffzellensystem Folgendes umfasst:
eine Hydrierungszelle, die den Hydrierungskatalysator enthält, ist in den Brennstoffzellenstapel integriert und ist zwischen dem Verteiler und der Leitung positioniert.
Die vierte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem gemäß einer der ersten bis dritten Ausgestaltungen vor, wobei die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel ist, der durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit mit einem dazwischen eingefügten Separator ausgebildet ist, wobei der Gasströmungsweg einen Verteiler enthält, der innerhalb des Brennstoffzellenstapels verläuft und mit den katalytischen Schichten der Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit verbunden ist, und wobei der Hydrierungskatalysator in dem Verteiler angeordnet ist.
Die fünfte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem gemäß einer der ersten bis vierten Ausgestaltungen vor, mit außerdem:
einem Gasverteilungselement, das eine Gasdiffusionsschicht und ein Plattenmaterial umfasst, das auf der Gasdiffusionsschicht aufgestapelt ist und in der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche mit einer Nut versehen ist, und das die katalytische Schicht so überlagert, dass die Gasdiffusionsschicht der katalytischen Schicht zugewandt ist, wobei
die Nut mit dem Gasströmungsweg verbunden ist und zwischen dem Gasströmungsweg und der katalytischen Schicht positioniert ist; und
der Hydrierungskatalysator auf der Innenfläche der Nut angeordnet ist.
Um den oben genannten Zweck zu erfüllen, sieht die sechste Ausgestaltung der Erfindung eine Brennstoffzelle vor, mit:
einer Membran-Elektroden-Einheit, in der auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran eine katalytische Schicht, die einen Katalysator und einen Träger enthält, angeordnet ist; und
einem Gasverteilungselement, das die katalytische Schicht überlagert und einen Gaseinlass und einen Gasströmungsweg umfasst, der von dem Gaseinlass aus innen verläuft und mit der katalytischen Schicht verbunden ist, wobei
sich ein erster Teilbereich der katalytischen Schicht, der nahe am Gaseinlass positioniert ist, beim Katalysatormaterial von einem zweiten Teilbereich unterscheidet, der der übrige Teilbereich der katalytischen Schicht ist; und
das Katalysatormaterial für den ersten Teilbereich beim Erzeugen von Protonen aus Wasserstoffatomen weniger aktiv als das Katalysatormaterial für den zweiten Teilbereich ist und beim Hydrieren eines schwefellosen Odoriermittels gleich aktiv wie oder aktiver als das Katalysatormaterial für den zweiten Teilbereich ist.
Die siebte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Brennstoffzelle gemäß der sechsten Ausgestaltung vor, wobei der Katalysator für den ersten Teilbereich der katalytischen Schicht entweder einen Nickel-Molybdän-(NiMo-)Katalysator oder einen Cobalt-Molybdän-(CoMo-)Katalysator beinhaltet.
Vorteile der Erfindung
Gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung speichert der Kraftstofftank ein Gasgemisch aus Wasserstoff und schwefellosem Odoriermittel, sodass das Odoriermittel in dem Gasgemisch hydriert und der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, wenn sie elektrischen Strom erzeugt. Gemäß dem Verfahren zum Hydrieren des Odoriermittels und Zuführen des hydrierten Odoriermittels zur Brennstoffzelle kann mit Hilfe einer einfachen Gestaltung die Vergiftungswirkung des Odoriermittels auf den Brennstoffzellen-Anodenkatalysator verringert werden. Dies ermöglicht es, ein Brennstoffzellensystem zu bilden, das mit Hilfe einer einfachen Gestaltung für erhöhte Wasserstoffsicherheit sorgt.
Gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann die Wärme, die während einer Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle erzeugt wird, als die Reaktionswärme für einen Hydrierungskatalysator verwendet werden.
Gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Hydrierungszelle, die einen Hydrierungskatalysator enthält, mit einem Brennstoffzellenstapel kombiniert werden, um den Platzbedarf zu verringern. Daher kann mit Hilfe einer einfachen Gestaltung ein Brennstoffzellensystem gebildet werden, das für erhöhte Wasserstoffsicherheit sorgt, ohne dass eine dedizierte eigenständige Hydrierungsvorrichtung erforderlich ist.
Gemäß der vierten Ausgestaltung der Erfindung kann das Odoriermittel, das in einem Gas enthalten ist, das in dem Brennstoffzellenstapel zu jeder Elektrolytmembran strömt, wirksam hydriert werden.
Gemäß der fünften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Nut, die als Gasströmungsweg eines Gasverteilungselements dient, mit einem Hydrierungskatalysator überzogen. Das bedeutet, dass der Hydrierungskatalysator direkt innerhalb der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Folglich ist es mit Hilfe eines einfachen Systems möglich, das Odoriermittel zu hydrieren, ohne dass eine dedizierte eigenständige Hydrierungsvorrichtung erforderlich ist.
Gemäß der sechsten Ausgestaltung der Erfindung ist das Brennstoffzellensystem, das als Brennstoff ein Gemisch aus Wasserstoff und schwefellosem Odoriermittel verwendet, so gestaltet, dass der erste Teilbereich nahe am Gaseinlass, in den das Odoriermittel strömt, zur Odoriermittelhydrierung verwendet wird. Daher kann die katalytische Schicht des zweiten Teilbereichs, die zur Stromerzeugungsreaktion beitragen sollte, vor einer Vergiftung geschützt werden. Dies stellt sicher, dass die Brennstoffzelle ungehindert elektrischen Strom erzeugt. Da das Odoriermittel innerhalb der Brennstoffzelle hydriert werden kann, kann außerdem mit Hilfe einer einfachen Gestaltung ein Brennstoffzellensystem mit Odoriermittel-Hydrierungsfunktion gebildet werden.
Gemäß der siebten Ausgestaltung der Erfindung kann die Odoriermittel-Hydrierungsfunktion des Katalysators im ersten Teilbereich verwirklicht werden, indem ein Material verwendet wird, das weniger teuer als ein Edelmetall ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
2A und 2B sind Diagramme, die eine Hydrierungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulichen.
3A und 3B veranschaulichen Versuchsergebnisse, die die Grundidee und die Wirkungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschreiben sollen.
4 veranschaulicht Versuchsergebnisse, die die Grundidee und Wirkungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschreiben sollen.
5 ist ein Diagramm, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt.
6 ist ein Diagramm, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel darstellt.
7 ist ein Diagramm, das die Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
8 ist ein Diagramm, das die Gestaltung einer Brennstoffzelle gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel darstellt.
9 zeigt die Gestaltung einer Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels.

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstofftank
14: Hydrierungsvorrichtung
16: Brennstoffzelle
18: Anodengaseinlass
20: Anodengasauslass
22: Spülventil
24: Träger
26: Katalysatorwirkstelle
28: Hydrierungskatalysator
112: Brennstofftank
116: Brennstoffzellenstapel
130: Hydrierungszelle
132, 232, 332, 432, 532: Einheitsbrennstoffzelle
134: anodenseitiger Gasströmungsweg
140: Verteiler
240: Elektrolytmembran
242, 442: katalytische Elektrodenschicht
244: Gasdiffusionsschicht
246: Separator
248, 448: Gasströmungsweg
250, 350, 450: atalytische Hydrierungsschicht

Beste Ausführungsart für die Erfindung
Erstes Ausführungsbeispiel
– Gestaltung erstes Ausführungsbeispiel –
1 ist ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 10 enthält einen Brennstofftank 12. der Brennstofftank 12 speichert ein Gasgemisch aus Wasserstoff und schwefellosem Odoriermittel. Ein Verfahren zum Erfassen einer Wasserstoffleckage mit Hilfe eines Odoriermittels hat zum Beispiel den Vorteil, dass kein besonderer Wasserstoffleckagesensor verwendet werden muss. Das erste Ausführungsbeispiel geht davon aus, dass als Odoriermittel Ethylacrylat verwendet wird.
Das stromabwärtige Ende des Brennstofftanks 12 ist mit einer Leitung 13 verbunden. Die Leitung 13 ist mit verschiedenen Brennstoffzufuhrmechanismen (nicht gezeigt) wie einem Absperrventil und einem Regler versehen. Die Leitung 13 ist mit einer Hydrierungsvorrichtung 14 verbunden. Die Hydrierungsvorrichtung 14 hydriert das Odoriermittel in dem Brennstofftank 12, wie später unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird. Das stromabwärtige Ende der Hydrierungsvorrichtung 14 ist über eine Leitung 15 mit einem Anodengaseinlass 18 einer Brennstoffzelle 16 verbunden.
Die Brennstoffzelle 16 ist ein Brennstoffzellenstapel, der durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen erzielt wird. Die Einheitsbrennstoffzellen, die nicht gezeigt sind, sind jeweils so gestaltet, dass eine Membran-Elektroden-Einheit zwischen einem Paar Stromsammelplatten eingefügt ist. Die Membran-Elektroden-Einheit wird erzielt, indem ein Katalysator mit beiden Seiten einer Festpolymer-Elektrolytmembran als Einheit verbunden wird. Außerdem wird mit jeder Seite der Membran-Elektroden-Einheit eine Gasdiffusionsschicht als Einheit verbunden, die beispielsweise aus einer Kohlenstofflage besteht. Die Stromsammelplatten sind als Separator doppelt zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten vorhanden.
Die Einheitsbrennstoffzelle ist derart gestaltet, dass eine Seite von ihr als eine Anode fungiert, während die andere Seite als eine Kathode fungiert. Wenn die Einheitsbrennstoffzelle elektrischen Strom erzeugt, nimmt die Anode zugeführten Wasserstoff auf, während die Kathode zugeführte Luft aufnimmt. Die Stromerzeugung findet während einer elektrochemischen Reaktion statt, die durch die Membran-Elektroden-Einheit herbeigeführt wird.
Die Vielzahl der Einheitsbrennstoffzellen enthält jeweils einen anodenseitigen Gasströmungsweg. Das erste Ausführungsbeispiel schneidet eine Nut (nicht gezeigt) in die Oberfläche der Stromsammelplatte (Separator) und verwendet die Nut als anodenseitigen Gasströmungsweg. Wasserstoff wird entlang der Nut verteilt und über die Gasdiffusionsschicht zu einer katalytischen Elektrodenschicht der Anode transportiert.
Innerhalb der Brennstoffzelle 16 sind die Einheitsbrennstoffzellen so aufeinander gestapelt, dass ihre anodenseitigen Gasströmungswege so zusammenlaufen, dass sie einen anodenseitigen Verteiler (nicht gezeigt) bilden. Die Gestaltung einer Brennstoffzelle, die wie im Fall der Brennstoffzelle 16 eine Membran-Elektroden-Einheit, eine Gasdiffusionsschicht, einen Separator und einen Verteiler enthält, ist öffentlich bekannt und wird nicht ausführlich beschrieben.
Die Brennstoffzelle 16 hat einen Anodengasauslass 20, der mit dem stromabwärtigen Ende des oben genannten anodenseitigen Verteilers in Verbindung steht. Das stromabwärtige Ende des Anodengasauslasses 20 ist mit einem Spülventil 22 verbunden. Das stromabwärtige Ende des Spülventils 22 ist mit einem Auslasssystem (nicht gezeigt) verbunden.
Dieses Ausführungsbeispiel führt der Brennstoffzelle 16 ein Brennstoffgas zu und erzeugt elektrischen Strom, während es das Brennstoffgas in dem anodenseitigen Gasströmungsweg speichert. Außerdem öffnet dieses Ausführungsbeispiel bei Bedarf das Spülventil 22, um das Innere des anodenseitigen Gasströmungswegs auszuspülen. Diese Art von System kann als System mit totem Anodenende bezeichnet werden.
Die 2A und 2B stellen die Gestaltung der Hydrierungsvorrichtung 14 dar. Innerhalb der Hydrierungsvorrichtung 14 befindet sich ein Hydrierungskatalysator 28, der in 2A gezeigt ist. Der Hydrierungskatalysator 28 ist so aufgebaut, dass ein Träger 24, der Katalysatorwirkstellen 26 trägt, in Falten ausgebildet ist. 2A ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Hydrierungskatalysators 28. 2B zeigt die äußere Form der Hydrierungsvorrichtung 14. Wie in 2B gezeigt ist, ist die äußere Form der Hydrierungsvorrichtung zylinderförmig, und die Hydrierungsvorrichtung 14 enthält den Hydrierungskatalysator 28.
Dieses Ausführungsbeispiel verwendet als Träger 24 einen keramischen Träger und bildet den Hydrierungskatalysator aus, indem es den Träger mit Platin überzieht, das als Katalysatorwirkstelle 26 dient. Die Materialien und das Verfahren, um zum Beispiel die Hydrierungsvorrichtung 14 zu bilden, können beispielsweise auf denen der JP 2004-134272 A basieren.
Wie in 1 gezeigt ist, ist das Brennstoffzellensystem 10 außerdem so gestaltet, dass die von der Brennstoffzelle 16 erzeugte Wärme der Hydrierungsvorrichtung 14 zugeführt wird. Genauer gesagt enthält das erste Ausführungsbeispiel einen Kühlfluidströmungsweg 19, der innerhalb der Brennstoffzelle 16 verläuft und die Hydrierungsvorrichtung 14 erreicht. Ein Kühlfluid, das in dem Kühlfluidströmungsweg 19 strömt, zieht Wärme von der Brennstoffzelle 16 ab und führt die Wärme der Hydrierungsvorrichtung 14 zu. Auf diese Weise wird die Wärme der Brennstoffzelle 16 zum Hydrierungskatalysator 28 übertragen. Eine Alternative ist, als Begrenzungsflächen sowohl der Hydrierungsvorrichtung 14 als auch der Brennstoffzelle 16 ein thermisch leitendes Material zu verwenden und diese beiden Vorrichtungen nebeneinander anzuordnen, sodass sie einander berühren, damit zwischen ihnen ein Wärmeaustausch möglich ist.
– Betriebsweise und Wirkung erstes Ausführungsbeispiel –
Es werden nun die Betriebsweise und Wirkung des Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie zuvor beschrieben wurde, speichert der Brennstofftank 12 im Interesse von beispielsweise der Sicherheit ein Gasgemisch aus Wasserstoff und schwefellosem Odoriermittel. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 elektrischen Strom erzeugt, führt der Brennstofftank 12 das Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel stromabwärts zu.
Wenn das Odoriermittel der Brennstoffzelle direkt zugeführt wird, kann der Katalysator in der Brennstoffzelle durch das Odoriermittel vergiftet werden, sodass die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle behindert wird. Obwohl bestimmte bekannte Systeme einen Adsorptionsmechanismus zum Durchführen eines Adsorptionsvorgangs für das Odoriermittel aufweisen, um das obige Problem zu vermeiden, setzt sich der Adsorptionsmechanismus aus vielen Elementen zusammen. Folglich kann das System komplex und groß werden. Es ist daher vorzuziehen, dass die miteinander in Konflikt stehenden Bedürfnisse, und zwar das Bedürfnis, mit Hilfe des Odoriermittels für erhöhte Wasserstoffsicherheit zu sorgen, und das Bedürfnis, eine hervorragende Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle aufrecht zu erhalten, gleichzeitig erfüllt werden, während verhindert wird, dass das System komplex und groß wird.
Angesichts dessen verwendet dieses Ausführungsbeispiel das folgende Verfahren, um die obigen Bedürfnisse zu erfüllen. Die 3A und 3B veranschaulichen ein Odoriermittelverarbeitungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel oder genauer gesagt die Hydrierungswirkung auf das Odoriermittel. Hydrierung ist eine Reduktionsreaktion, während der Wasserstoff als Reduktionsmittel verwendet wird, um einer chemischen Verbindung Wasserstoffatome beizumengen (auch als Wasserstoffbeimengung oder Wasserstoffreduktion bezeichnet).
Genauer gesagt zeigen die 3A und 3B die Ergebnisse von experimentellen Messungen, die durch ein CV-Verfahren (zyklische Voltammetrie) erfolgten, während eine Platinelektrode verwendet wurde. Die Figuren zeigen Messungen, die vor und nach einer Beimengung von Ethylacrylat zu einer Lösung erfolgten, in der die Platinelektrode eingetaucht war. Die linke Seite von 3A (nahe bei 0,2 auf der horizontalen Achse) zeigt, dass die elektrische Stromdichte (vertikale Achse), die nach der Beimengung herrschte (dicke Linie), geringer als die elektrische Stromdichte ist, die vor der Beimengung herrschte (dünne Linie). Es kann daher darauf geschlossen werden, dass die Platinelektrode durch die Beimengung von Ethylacrylat vergiftet wurde.
3B zeigt die Ergebnisse von experimentellen Messungen, die auf die gleiche Weise erfolgten, wie unter Bezugnahme auf 3A beschrieben wurde, ausgenommen dass das Ethylacrylat durch Ethylproprionat ersetzt wurde, das hydriertes Ethylacrylat ist. Ein Vergleich zwischen der dünnen Linie, die die elektrische Stromdichte angibt, die vor der Beimengung herrschte, und der dicken Linie, die die elektrische Stromdichte angibt, die nach der Beimengung herrschte, ergibt, dass die elektrische Stromdichte in einem Bereich nahe bei 0,2 auf der horizontalen Achse durch die Beimengung von Ethylproprionat im Wesentlichen nicht abnahm. Aus den in den 3A und 3B gezeigten Ergebnissen ergibt sich, dass Ethylproprionat für Platin weniger giftig als Ethylacrylat ist.
Eine ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindung mit Doppelbindung wie Ethylacrylat enthält π-Elektronen. Die π-Elektronen werden leicht an der Oberfläche eines Katalysators adsorbiert. Diese Eigenschaft von π-Elektronen führt dazu, dass das Odoriermittel den Katalysator vergiftet. Allerdings nimmt diese Adsorptionseigenschaft ab, wenn das Odoriermittel hydriert wird. Und zwar ist Ethylproprionat, das hydriertes Ethylacrylat ist, weniger giftig als Ethylacrylat, wie in den 3A und 3B gezeigt ist. Mit anderen Worten kann eine Hydrierungsreaktion verwendet werden, um die Adsorptionsfähigkeit des Odoriermittels am Katalysator zu verringern.
4 zeigt das Beimengungsverhältnis für eine Ethylacrylat-Hydrierungsreaktion, die stattfindet, wenn ein Platinkatalysator unter Brennstoffzellen-Reaktions bedingungen verwendet wird. Und zwar zeigt 4, wie sich die Konzentration von Ethylacrylat aufgrund der Hydrierungsreaktion ändert, die durch einen Platinkatalysator bei einer Temperatur von 80°C hervorgerufen wird. Wie in 4 gezeigt ist, wandelten sich 100% Ethylacrylat zu einem Gemisch aus 20% Ethylacrylat und 80% Ethylproprionat um. Wie oben beschrieben wurde, kann Ethylacrylat hydriert werden, um Ethylproprionat zu erzielen, wenn der Katalysator in einer Temperaturatmosphäre verwendet wird, die den Brennstoffzellen-Reaktionsbedingungen entspricht.
Angesichts der obigen Umstände haben die Erfinder ein wirksames Verfahren erarbeitet, das mit Hilfe des Odoriermittels für erhöhte Wasserstoffsicherheit sorgt, während das Odoriermittel im Brennstoffgas hydriert wird, um zu verhindern, dass das Brennstoffgas den Katalysator vergiftet. Und zwar positioniert das erste Ausführungsbeispiel die Hydrierungsvorrichtung 14 stromabwärts vom Brennstofftank 12 und stromaufwärts von der Brennstoffzelle 16. Die Hydrierungsvorrichtung 14 enthält wie zuvor beschrieben den Hydrierungskatalysator 28.
Die Verwendung der obigen Gestaltung stellt sicher, dass das in dem Gasgemisch enthaltene Odoriermittel aufgrund einer Reaktion an der Katalysatorwirkstelle 26 hydriert wird, wenn es durch die Hydrierungsvorrichtung 14 hindurchgeht. Das hydrierte Odoriermittel strömt dann stromabwärts von der Hydrierungsvorrichtung 14, sodass es der Brennstoffzelle 16 zusammen mit Wasserstoff zugeführt wird. Wie vorher erwähnt wurde, ist die Giftigkeit des hydrierten Odoriermittels geringer. Dadurch ist es möglich, dass verhindert wird, dass die katalytische Schicht der Brennstoffzelle 16 vergiftet wird, und dass die Brennstoffzelle ungehindert elektrischen Strom erzeugt.
Des Weiteren führt dieses Ausführungsbeispiel eine katalytische Reaktion herbei, die die Hydrierung erleichtert, sodass das hydrierte Odoriermittel stromabwärts von der Hydrierungsvorrichtung 14 strömt. Im deutlichen Gegensatz zu der Verwendung eines Adsorptionsmechanismus fängt dieses Ausführungsbeispiel das Odoriermittel daher nicht für Odoriermittel-Verarbeitungszwecke ein oder speichert es. Durch die Verwendung dieses Verfahrens kann verhindert werden, dass die Gesamtgestaltung des Brennstoffzellensystems komplex wird, ohne dass die Hydrierungsvorrichtung 14 regelmäßig ausgetauscht werden muss oder ein spezieller Mechanismus (z. B. ein Odoriermittel-Ablassrohrsystem) zum Verarbeiten des gespeicherten Odoriermittels installiert werden muss.
Wenn die Konzentration des hydrierten Odoriermittels innerhalb der Brennstoffzelle 16 zunimmt, öffnet dieses Ausführungsbeispiel zu einem geeigneten Zeitpunkt das Spülventil 22. Dies stellt sicher, dass das hydrierte Odoriermittel zusammen mit anderen Verunreinigungen wie Stickstoff ausgespült wird. Außerdem ist das Odoriermittel in dem Brennstoffzellensystem 10, das in dem Abgas enthalten ist, das stromabwärts von der Brennstoffzelle 16 strömt, bereits hydriert. Wenn das Odoriermittel hydriert ist, ändert sich die Qualität seines Geruchs, sodass es süß riecht, was bedeutet, dass der gefährliche Geruch aus dem Odoriermittel beseitigt ist. Folglich hat das System gemäß diesem Ausführungsbeispiel den Vorteil, dass stromabwärts von der Brennstoffzelle 16 kein Deodorierungsmechanismus installiert werden muss.
Darüber hinaus ist dieses Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass die Wärme, die von der Hydrierungsvorrichtung 14 und der Brennstoffzelle 16 erzeugt wird, der Hydrierungs vorrichtung 14 zugeführt werden kann. Eine Doppelbindung-Hydrierungsreaktion erfordert bei einer Kohlenwasserstoffverbindung Wärme. Daher stellt dieses Ausführungsbeispiel sicher, dass die Wärme, die während der Stromerzeugungsreaktion in der Brennstoffzelle 16 erzeugt wird, für Hydrierungszwecke verwendet werden kann. Die oben genannte Hydrierungsreaktion schreitet voran, solange die Temperatur ungefähr 50°C beträgt. Die Temperatur der Brennstoffzelle 16 kann während der Stromerzeugungsreaktion bei ungefähr 80 und 100°C liegen. Wenn dem Hydrierungskatalysator die während der Stromerzeugungsreaktion erzeugte Wärme zugeführt wird, kann daher die Wärme für die Hydrierungsreaktion ausreichend zugeführt werden. Dieser Vorteil wird auch aus der Hydrierungswirkung deutlich, zu der es kommt, wenn wie zuvor unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ein Platinkatalysator unter Brennstoffzellen-Stromerzeugungsbedingungen verwendet wird. Dies ermöglicht die Verwendung einer einfachen, kompakten, dedizierten Heizvorrichtung, wodurch die Systemgestaltung weiter vereinfacht wird.
Wenn der Hydrierungskatalysator eingebunden wird, wie in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, können CO, H₂S und andere Verunreinigungen, die in dem Brennstoffgas vorkommen, adsorbiert werden. Wenn Moleküle mit einer Carboxylgruppe oder einer Estergruppe zunehmend hydrogecracked werden, wird als giftiges Nebenprodukt CO erzeugt. Es ist thermodynamisch schwierig, diese Nebenreaktion zu vermeiden. Ein übliches Adsorptionsmittel (z. B. Aktivkohle) adsorbiert kein CO und lässt zu, dass CO in die Brennstoffzelle strömt. Dieses Ausführungsbeispiel kann die Giftigkeit des Odoriermittels, wie vorher beschrieben wurde, verringern und die oben genannten Nebenprodukte daran hindern, in die Brennstoffzelle 16 zu strömen, wodurch eine Abnahme der Haltbarkeit der Brennstoffzelle 16 verhindert wird.
Wenn der Träger 24, wie in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, zudem in Falten ausgebildet ist, kann der Druckverlust verringert werden, wenn der Brennstoffzelle 16 über die Hydrierungsvorrichtung 14 ein Brennstoffgas zugeführt wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist so gestaltet, dass sich die Hydrierungsvorrichtung 14 stromaufwärts von und nahe an der Brennstoffzelle 16 befindet. Es gibt den Gesichtspunkt, dass die Funktion des Odoriermittels außerhalb der Brennstoffzelle 16 voll genutzt werden sollte, um mit höherer Gewissheit eine Wasserstoffleckage zu erfassen. Angesichts dieses Gesichtspunkts kann eine gesteigerte Wirkung erzielt werden, wenn die Odoriermittel-Hydrierungsposition (die Position der Hydrierungsvorrichtung 14) nahe an die Brennstoffzelle 16 gesetzt wird oder wenn zwischen der Brennstoffzelle 16 und der Hydrierungsvorrichtung 14 keine andere Steuerungsvorrichtung (kein anderes Rohrleitungssystem, Ventil usw.) platziert wird, wie in Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispielentspricht die Brennstoffzelle 16 der „Brennstoffzelle” gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung; der Brennstofftank 12 entspricht dem „Brennstofftank” gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung; und die Leitungen 13, 15, der Verteiler und die separate Nut in der Brennstoffzelle 16 wie auch andere Gaskanäle, die den Brennstofftank 12 mit der katalytischen Elektrodenschicht in der Brennstoffzelle 16 verbinden, entsprechen dem „Gasströmungsweg” gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung. Des Weiteren entspricht der Hydrierungskatalysator 28 in der Hydrierungsvorrichtung 14 dem „Hydrierungskatalysator” gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung.
Darüber hinaus entspricht der Wärmeaustausch durch das in dem Kühlfluidströmungsweg 19 strömende Kühlfluid in dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Tätigkeit, die durch die „Wärmezufuhreinrichtung” gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ausgeübt wird.
– Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels –
– Erste Abwandlung –
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird als schwefelloses Odoriermittel Ethylacrylat verwendet, um dem Wasserstoff beigemengt zu werden. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Wie vorher beschrieben wurde, vergiftet das Odoriermittel den Katalysator, da die π-Elektronen in dem Odoriermittel leicht an der Katalysatoroberfläche anhaften. Die Adsorptionsfähigkeit des Odoriermittels an dem Katalysator kann verringert werden, indem das Odoriermittel hydriert wird. In dieser Hinsicht ist das bei der Erfindung einsetzbare Odoriermittel nicht auf Ethylacrylat beschränkt.
Zum Beispiel kann bei der Erfindung ein Odoriermittel verwendet werden, das verschiedene ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen enthält, etwa das in der JP 2004-134272 A offenbarte Odoriermittel. Ein schwefelloses Odoriermittel ist dadurch gekennzeichnet, dass es weniger adsorptiv als ein Schwefelodoriermittel ist. In dem erfindungsgemäßen System oder einem vergleichbaren System, in dem ein hydriertes Odoriermittel in eine Brennstoffzelle strömt, ist es daher vorzuziehen, dass ein schwefelloses Odoriermittel verwendet wird.
– Zweite Abwandlung –
Das System, von dem die zweite Abwandlung ausgeht, ist ein Brennstoffzellensystem mit totem Anodenende, das der Brennstoffzelle 16 ein Brennstoffgas zuführt und elektrischen Strom erzeugt, während es das Brennstoffgas im Inneren speichert. Allerdings ist die Erfindung nicht auf ein solches Brennstoffzellensystem beschränkt. Die Erfindung kann auch bei einem System Anwendung finden, das eine Umwälzleitung mit einem Gasströmungsweg für die Anodenseite der Brennstoffzelle aufweist und in der Umwälzleitung Wasserstoff umwälzt.
– Dritte Abwandlung –
Das erste Ausführungsbeispiel ist so gestaltet, dass die Hydrierungsvorrichtung 14 den Träger 24 aufnimmt, der die Katalysatorwirkstellen 26 trägt und in Falten ausgebildet ist. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein wabenförmiges Grundmaterial verwendet werden, um die Katalysatorwirkstellen zu tragen. Das wabenförmige Grundmaterial kann aus verschiedenen Materialien wie Metall, Keramik oder anderen nicht leitenden Materialien bestehen.
– Vierte Abwandlung –
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Wärme, die während eines Stromerzeugungsvorgangs der Brennstoffzelle 16 erzeugt wird, der Hydrierungsvorrichtung 14 zugeführt. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Alternativ kann auch eine Heizung oder ein vergleichbarer Heizmechanismus verwendet werden. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 beispielsweise in einem Fahrzeug eingebaut wird, ist eine andere Alternative, die von einer Bremse erzeugte Reibungswärme, rückgewonnene Bremsenergie oder während der Fahrt erzeugte Wärme zu nutzen. Dieses alternative Verfahren ist insofern vorteilhaft, als es den Heizmechanismus vereinfachen kann oder auf ihn verzichten kann, wie es beim ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, und die Größe eines Kühlers verringern kann.
– Fünfte Abwandlung –
Dieses Ausführungsbeispiel verwendet als den Träger 24 einen keramischen Träger und bildet den Hydrierungskatalysator aus, indem der Träger mit Platin überzogen wird, das als die Katalysatorwirkstellen 26 dient. Allerdings kann als die Katalysatorwirkstellen in Anbetracht der geringeren Kosten und anderer Vorteile alternativ ein anderes Material als ein Edelmetall verwendet werden.
Die Katalysatorwirkstellen 26 können beispielsweise aus einem Nickel-Molybdän-(NiMo-)Katalysator, einem Cobalt-Molybdän-(CoMo-)Katalysator, einem Platinlegierungskatalysator, einem Metalloxidkatalysator (WO₃, MO₃ oder V₂O₅), einem Pd-Katalysator oder einem Au-Nanocluster-Katalysator bestehen. Der Träger 24 kann beispielsweise aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid oder verschiedenen anderen metallischen Materialien bestehen. Des Weiteren kann beispielsweise Platin, eine Platinlegierung, Metalloxid oder sein Carbid, Nitrid oder Sulfid verwendet werden. Darüber hinaus können Palladium, eine Palladiumlegierung oder Gold-Nanopartikel verwendet werden. Diese Materialien können beispielsweise von einem Aluminiumoxid- oder Titanoxidträger getragen werden.
Die Form und Gestaltung der Gasströmungswege in den Einheitsbrennstoffzellen unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Eine Alternative ist, eine poröse Schicht auszubilden, die aus einem leitenden Material besteht und zwischen der Stromsammelplatte und der Membran-Elektroden-Einheit gelegen ist, und zusammenhängende Poren in der porösen Schicht zu nutzen, um die Gasströmungswege auszubilden.
Zweites Ausführungsbeispiel
5 ist ein Diagramm, das die Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Wie im Fall des Systems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel enthält das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Brennstofftank 112, der ein Gemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel speichert. Der Brennstofftank 112 ist über eine Leitung 114 mit einem Brennstoffzellenstapel 116 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 116 enthält eine Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen 132 und eine Hydrierungszelle 130. Das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrierungszelle 130 das Odoriermittel hydriert.
Der Brennstoffzellenstapel 116 wird durch Aufeinanderstapeln der Vielzahl der Einheitsbrennstoffzellen 132 erzielt. Die Einheitsbrennstoffzellen 132 enthalten eine Membran-Elektroden-Einheit, eine Gasdiffusionsschicht und einen Separator, wie es bei den Einheitsbrennstoffzellen der Fall ist, die in der Brennstoffzelle 16 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel enthalten sind. Daher ist der Aufbau dieser Bestandteile nicht in 5 gezeigt.
Die Einheitsbrennstoffzellen 132 enthalten jeweils einen anodenseitigen Gasströmungsweg 134. Der anodenseitige Gasströmungsweg 134 ist eine Nut, die in dem Separator einer Einheitsbrennstoffzelle 132 ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel 116 enthält einen Verteiler 140, der die anodenseitigen Gasströmungswege 134 der Einheitsbrennstoffzellen 132 zusammenbringt. Der Verteiler 140 durchdringt die Einheitsbrennstoffzellen 132 und verläuft in ihrer Aufschichtungsrichtung.
Die Hydrierungszelle 130 ist an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 116 angeordnet. Die Hydrierungszelle 130 enthält einen Hydrierungskatalysator. Das Innere der Hydrierungszelle 130 kann so gestaltet sein, dass sie nur den anodenseitigen Gasströmungsweg und eine katalytische Schicht einer Einheitsbrennstoffzelle 132 enthält. Die Katalysatorwirkstelle und der Träger der katalytischen Schicht können aus verschiedenen Materialien bestehen, wie es im ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Wenn das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel elektrischen Strom erzeugt, strömt ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel, das von dem in 5 Brennstofftank 112 zugeführt wird, in die Hydrierungszelle 130. Das Odoriermittel wird hydriert, wenn es durch die Hydrierungszelle 130 geht. Dadurch strömen der Wasserstoff und das hydrierte Odoriermittel in den Verteiler 140 und werden den Anoden der Einheitsbrennstoffzellen 132 zugeführt.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in dem Brennstoffzellenstapel 116 die Hydrierungszelle 130 eingebaut. Deswegen kann die Systemgestaltung kompakt sein, und der Platzbedarf kann verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel, in dem eine separate Hydrierungsvorrichtung verwendet wird, verringert werden. Darüber hinaus kann der Brennstoffzellenstapel mit dem Hydrierungskatalysator effizient Wärme austauschen, da die Hydrierungszelle in dem Brennstoffzellenstapel eingebaut ist.
Das oben beschriebene zweite Ausführungsbeispiel ist so gestaltet, dass die Hydrierungszelle 130 nur den anodenseitigen Gasströmungsweg und die katalytische Schicht einer Einheitsbrennstoffzelle 132 enthält. Wenn die Gestaltung der Hydrierungszelle 130 mit der der Einheitsbrennstoffzelle 132 vergleichbar (gemeinsam) ist, können gemeinsame Bauteile verwendet werden, um für Fertigungsvorteile und Vorteile wie beispielsweise die Kompaktheit des gesamten Brennstoffzellenstapels zu sorgen. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Der Hydrierungskatalysator kann auch innerhalb der Hydrierungszelle 130 positioniert sein, sofern der Hydrierungskatalysator das Odoriermittel während des Vorgangs, in dem innerhalb der Hydrierungszelle 130 ein Gas verteilt wird, hydriert. Zum Beispiel können die Formen, Positionen, Materialien und andere Gestaltungselemente der Gasströmungswege und der katalytischen Schicht bei Bedarf geändert werden.
Unter dem Gesichtspunkt, mit höherer Gewissheit eine Wasserstoffleckage erfassen zu können, kann eine deutliche Wirkung erzielt werden, indem die Odoriermittel-Hydrierungsposition nahe an einen Teilbereich gesetzt wird, wo eine Wasserstoffreaktion auftritt, d. h. nahe an die katalytische Elektrodenschicht in der Brennstoffzelle. In dieser Hinsicht kann das zweite Ausführungsbeispiel, bei dem die Hydrierungszelle 130 im Brennstoffzellenstapel 116 integriert ist, verhindern, dass der Katalysator in der Brennstoffzelle vergiftet wird, während es mit Hilfe des Odoriermittels für erhöhte Wasserstoffsicherheit sorgt.
In dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel entspricht der Brennstoffzellenstapel 116 dem „Brennstoffzellenstapel” gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung; der Verteiler 140 entspricht dem „Verteiler” gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung; und die Hydrierungszelle 130 entspricht der „Hydrierungszelle” gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung.
Als Alternative, um die Hydrierungszelle 130 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel anzuordnen, kann an einem Einlass des Verteilers 140 ein Hydrierungskatalysator angeordnet werden. Die obige Gestaltung ermöglicht es, das Odoriermittel innerhalb der Brennstoffzelle zu hydrieren, und verhindert, dass der Katalysator in der Brennstoffzelle vergiftet wird, während durch die Verwendung des Odoriermittels für maximale Wasserstoffsicherheit gesorgt wird. Die obige Gestaltung wird beispielsweise erreicht, wenn innerhalb des Verteilers 140 die gleiche Gestaltung wie die des Hydrierungskatalysators 28 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel positioniert wird.
In dem obigen Fall entspricht der Brennstoffzellenstapel 116 dem „Brennstoffzellenstapel” gemäß der vierten Ausgestaltung der Erfindung; der Verteiler 140 entspricht dem „Verteiler” gemäß der vierten Ausgestaltung der Erfindung; und der im Verteiler 140 angeordnete Hydrierungskatalysator entspricht dem Aufbau, bei dem „der Hydrierungskatalysator in dem Verteiler angeordnet ist”.
Drittes Ausführungsbeispiel
6 ist ein Diagramm, das die Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Dieses Diagramm zeigt die Innengestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Wie es bei dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, enthält das System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beispielsweise einen Brennstofftank, der Wasserstoff und schwefelloses Odorier mittel enthält, eine Brennstoffzelle, die durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen erzielt wird, und ein Spülventil.
Das dritte Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Odoriermittel nicht durch die Hydrierungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hydriert wird, sondern durch einen später beschriebenen Hydrierungskatalysator, der in der Brennstoffzelle angeordnet ist. Die folgende Beschreibung befasst sich nur mit der Innengestaltung der Brennstoffzelle, die das charakteristische Merkmal des dritten Ausführungsbeispiels ist, und lässt die Merkmale weg, die die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel sind.
6 zeigt die Anodengestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 232 des Brennstoffzellensystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Die Einheitsbrennstoffzelle 232 enthält eine Elektrolytmembran 240. Auf einer Seite der Elektrolytmembran 240 sind eine katalytische Elektrodenschicht 242, eine Gasdiffusionsschicht 244 und ein Separator 246 aufgestapelt. Der Separator 246 ist mit einem Gasströmungsweg 248 versehen.
Wie dies beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Fall ist, ist der Gasströmungsweg 248 in dem Separator 246 als eine Nut vorgesehen. Wie sich aus 6 ergibt, wird Wasserstoff entlang des Gasströmungswegs 248 in der Richtung der Papierdicke verteilt und über die Gasdiffusionsschicht 244 zur katalytischen Elektrodenschicht 242 transportiert (siehe hierzu die Pfeile in 6). Wie in Verbindung mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist ein Ende des Gasströmungswegs 248 über den Verteiler, die Leitung, den Regler, das Absperrventil und dergleichen mit dem Brennstofftank verbunden.
Der Gasströmungsweg 248 in dem Separator 246 ist mit einer katalytischen Hydrierungsschicht 250 überzogen. Die katalytische Hydrierungsschicht 250 kann ausgebildet werden, indem man einen leitenden Träger (z. B. Kohlenstoff) Platin tragen lässt, die sich ergebende Kombination in eine Paste umwandelt und die Oberfläche des Separators 246 mit der Paste überzieht.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kommt mit der katalytischen Hydrierungsschicht 250 ein von dem Brennstofftank zugeführtes Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel in Kontakt, wenn es in den Gasströmungsweg 248 strömt. Die katalytische Hydrierungsschicht 250 hydriert das Odoriermittel, sodass seine Giftigkeit abnimmt. Dadurch wird verhindert, dass die katalytische Elektrodenschicht 242 vergiftet wird, und die Brennstoffzelle kann ungehindert elektrischen Strom erzeugen.
Als eine Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels kann nur die Innenfläche des Gasströmungswegs 248 mit der katalytischen Hydrierungsschicht 250 überzogen werden. Dies erzeugt eine Gestaltung, bei der der Kontakt zwischen dem Separator 246 in der Gasdiffusionsschicht 244 nicht mit der katalytischen Hydrierungsschicht 250 versehen werden kann. Bei diesem Aufbau muss die katalytische Hydrierungsschicht 250 nicht elektrisch leitend sein, da der Separator 246 und die Gasdiffusionsschicht 244 für direktes elektrisches Leitvermögen sorgen können.
Folglich kann das Material für den Träger aus einer großen Anzahl von Optionen gewählt werden, was Metalloxide und Keramiken wie Titanoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid einschließt, ohne dass beispielsweise ein Kohlenstoffträger verwendet werden muss, wie er in Verbindung mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Somit kann der Hydrierungskatalysator ausgebildet werden, indem die Materialien für die Katalysatorwirkstelle je nach Bedarf unter Berücksichtigung beispielsweise geringer Kosten, einer hohen Festigkeit und einer hohen Haltbarkeit aus verschiedenen Optionen, die Materialien mit geringer Leitfähigkeit und nicht leitende Materialien einschließen, ausgewählt werden.
Wie zuvor beschrieben wurde, kann unter dem Gesichtspunkt, mit höherer Gewissheit eine Wasserstoffleckage zu erfassen, eine deutliche Wirkung erzielt werden, indem die Odoriermittel-Hydrierungsposition nahe an einen Teilbereich gesetzt wird, an dem eine Wasserstoffreaktion stattfindet, d. h. nahe an die katalytische Elektrodenschicht in der Brennstoffzelle. In dieser Hinsicht kann das dritte Ausführungsbeispiel, bei dem das Odoriermittel innerhalb der Brennstoffzelle hydriert wird, verhindern, dass der Katalysator in der Brennstoffzelle vergiftet wird, während es durch die Verwendung des Odoriermittels für Wasserstoffsicherheit sorgt.
In dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht die Gasdiffusionsschicht 244 der „Gasdiffusionsschicht” gemäß der fünften Ausgestaltung der Erfindung; der Separator 246 entspricht dem „Plattenmaterial” gemäß der fünften Ausgestaltung der Erfindung; und der Gasströmungsweg 248 entspricht der „Nut” gemäß der fünften Ausgestaltung der Erfindung.
Des Weiteren wird in dem dritten Ausführungsbeispiel der Aufbau, bei dem „die Innenfläche der Nut mit einer Schicht des Hydrierungskatalysators überzogen ist” durch die katalytische Hydrierungsschicht 250 realisiert.
Viertes Ausführungsbeispiel
7 ist ein Diagramm, das die Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 332 des Brennstoffzellensystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Wie dies bei dem System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Fall ist, enthält das System gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel beispielsweise einen Brennstofftank, der Wasserstoff und schwefelloses Odoriermittel enthält, eine Brennstoffzelle, die durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen erzielt wird, und ein Spülventil. Die folgende Beschreibung befasst sich nur mit der anodenseitigen Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 332, die das charakteristische Merkmal des vierten Ausführungsbeispiels ist, und lässt die Merkmale weg, die die gleichen wie beim dritten Ausführungsbeispiel sind.
Die in 7 gezeigte Gestaltung entspricht einem Teilbereich der Gestaltung einer Einheitsbrennstoffzelle 232 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, die in 6 gezeigt ist. Die in 7 gezeigte Einheitsbrennstoffzelle 332 enthält nicht die katalytische Hydrierungsschicht 250, sondern eine katalytische Hydrierungsschicht 350, die zwischen dem Separator 246 und einer Gasdiffusionsschicht 244 eingefügt ist. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich in dieser Hinsicht vom dritten Ausführungsbeispiel. Die katalytische Hydrierungsschicht 350 kann ausgebildet werden, indem man einen leitenden Träger (z. B. Kohlenstoff) Platin tragen lässt, die sich ergebende Kombination in eine Paste umwandelt und die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 244 mit der Paste überzieht.
Wenn die obige Gestaltung eingesetzt wird, wird der Wasserstoff über die katalytische Hydrierungsschicht 350 und die Gasdiffusionsschicht 244 zur katalytischen Elektrodenschicht 242 transportiert, während das Odoriermittel durch die katalytische Hydrierungsschicht 350 hydriert wird, bevor es zur katalytischen Elektrodenschicht 242 transportiert wird. Sie stellt sicher, dass ein unhydriertes Odoriermittel, das den Katalysator vergiften würde, die katalytische Elektrodenschicht 242 nicht erreicht.
Wenn die katalytische Hydrierungsschicht auf der Gasdiffusionsschicht ausgebildet wird, ist die sich ergebende Oberfläche glatter als die Oberfläche einer frei liegenden Gasdiffusionsschicht. Dies ergibt den Vorteil, dass der Kontaktwiderstand zum Separator abnimmt, sodass der elektrische Widerstand verringert wird. Die katalytische Hydrierungsschicht kann auch in der Gasdiffusionsschicht positioniert werden. Und zwar ist es, wenn die Gasdiffusionsschicht unter Verwendung von Kohlenstofflagen ausgebildet werden soll, möglich, eine Membran-Elektroden-Einheit, eine Kohlenstofflage, eine katalytische Hydrierungsschicht, eine zweite Kohlenstofflage und einen Separator in dieser Reihenfolge aufeinander zu stapeln.
In dem vierten Ausführungsbeispiel entspricht ein Gasverteilungsweg, der die Gasdiffusionsschicht 244 und den Gasströmungsweg 248 umfasst und zum (nicht gezeigten) Brennstofftank verläuft, dem „Gasströmungsweg” gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung; und die katalytische Hydrierungsschicht 350 entspricht dem „Hydrierungskatalysator” gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung.
Auch dann, wenn die eingesetzte Brennstoffzelle einen anderen Aufbau als die Brennstoffzelle gemäß dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel hat, können die Wirkungen und Vorteile der Erfindung erzielt werden, wenn der Hydrierungskatalysator innerhalb des Gasverteilungswegs zwischen dem Brennstofftank und der katalytischen Schicht in der Brennstoffzelle angeordnet wird.
Und zwar kann die Gestaltung, bei der der Hydrierungskatalysator innerhalb des Gasverteilungswegs positioniert ist, erreicht werden, indem ein Verfahren verwendet wird, bei dem der Hydrierungskatalysator als Teil des Gasströmungswegs angeordnet wird oder bei dem die Innenfläche des Gasströmungswegs mit dem Hydrierungskatalysator überzogen wird. Daher kann auch dann, wenn der Gasströmungsweg des eingesetzten Brennstoffzellensystems beispielsweise Leitungen, Verteiler, Separatoren oder Gasdiffusionsschichten enthält, die eine andere Form haben, als in den vorstehenden Ausführungsbeispielen verwendet wurde, die Gestaltung zum Erzielen der Wirkungen und Vorteile der Erfindung erreicht werden, wenn der Hydrierungskatalysator in dem Gasströmungsweg angeordnet wird.
Fünftes Ausführungsbeispiel
8 ist ein Diagramm, das die Gestaltung einer Brennstoffzelle 432 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Brennstoffzelle 432 ist so gestaltet, dass wie in dem Fall der Einheitsbrennstoffzellen gemäß den zuvor beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsbeispielen eine Membran-Elektroden-Einheit, eine Gasdiffusionsschicht und eine mit Nut versehene Stromsammelplatte aufeinander gestapelt sind. Die folgende Beschreibung befasst sich nur mit der anodenseitigen Gestaltung der Brennstoffzelle 432, die ein charakteristisches Merkmal des fünften Ausführungsbeispiels ist.
Des Weiteren wird die Brennstoffzelle gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel in dem gleichen Brennstoffzellensystem wie dem des dritten Ausführungsbeispiels verwendet. Und zwar kann ein Brennstoffzellenstapel ausgebildet werden, indem eine Vielzahl von Brennstoffzellen 432 aufeinander gestapelt wird, um ein System zu bilden, das wie im Fall des dritten Ausführungsbeispiels beispielsweise einen Brennstofftank, der ein schwefelloses Odoriermittel und Wasserstoff enthält, und ein Spülventil enthält.
8 zeigt eine katalytische Elektrodenschicht 442 für die Anode einer Brennstoffzelle 432. In Wirklichkeit befindet sich jedoch auf der Papierrückseite der in 8 gezeigten katalytischen Elektrodenschicht 442 eine (nicht gezeigte) Elektrolytmembran. Darüber hinaus ist auf der Papiervorderseite in 8 eine (nicht gezeigte) Gasdiffusionsschicht positioniert und überlagert die katalytische Elektrodenschicht 442. Des Weiteren ist auf der Papiervorderseite der Gasdiffusionsschicht ein Separator mit einer Nut angeordnet, die als Gasströmungsweg dient.
Aus Erläuterungsgründen zeigt 8 eine den Gasströmungsweg des Separators darstellende Linie, die mit der Bezugszahl 448 bezeichnet ist. In der Realität ist in dem Separator entlang dieser Linie eine Nut mit vorbestimmter Breite und Tiefe ausgebildet. Zu Beschreibungszwecken wird die mit der Bezugszahl 448 bezeichnete Linie als Gasströmungsweg 448 beschrieben. Wie in 8 gezeigt ist, schlängelt sich der Gasströmungsweg 448 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel in der Ebene der Brennstoffzelle 432.
Die Bezugszahl 440 bezeichnet einen Teil des Verteilers, der in der Brennstoffzelle gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel angeordnet ist. Der Verteiler 440 ist mit einer Vielzahl von Einheitsbrennstoffzellen verbunden, die die Brennstoffzelle 432 einschließt. 8 zeigt nur einen Teilbereich, der mit der Einheitsbrennstoffzelle 432 verbunden ist. Das stromaufwärtige Ende des Verteilers 440 ist über eine (nicht gezeigte) Leitung mit dem (nicht gezeigten) Brennstofftank verbunden. Wenn das System elektrischen Strom erzeugt, führt es dem Gasströmungsweg 448 über den Verteiler 440 Wasserstoff von dem (nicht gezeigten) Brennstofftank zu. Der Wasserstoff wird dann in Richtung der Pfeile auf der den Gasströmungsweg 448 darstellenden Linie verteilt und in Richtung der katalytischen Elektrodenschicht zugeführt.
In dem fünften Ausführungsbeispiel ist nahe an der Verbindung zwischen dem Gasströmungsweg 448 und dem Verteiler 440 eine katalytische Hydrierungsschicht 450 positioniert. Das fünfte Ausführungsbeispiel verwendet die katalytische Hydrierungsschicht 450 anstelle der verschiedenen Hydrierungsmechanismen gemäß dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel als Odoriermittel-Hydrierungsmechanismus. Und zwar ist die katalytische Elektrodenschicht 442, wie in 8 gezeigt ist, über der gesamten Fläche der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran ausgebildet, die auf der Papierrückseite positioniert ist, um die katalytische Hydrierungsschicht 450 lokal am Einlass des Gasströmungswegs 448 auszubilden. Wenn der Gasverteilungsweg entlang des Gasströmungswegs 448 betrachtet wird, ist die katalytische Elektrodenschicht 442 stromabwärts von der katalytischen Hydrierungsschicht 450 positioniert.
Die katalytische Hydrierungsschicht 450 kann ausgebildet werden, indem als Katalysatorwirkstellenmaterial ein NiMo-Katalysator eingesetzt wird, Aluminiumoxid als Träger verwendet wird, die Kombination dieser Substanzen in eine Paste umgewandelt wird und die Oberfläche der Elektrolytmembran mit der Paste überzogen wird. Dieses Verfahren kann auf die gleiche Weise wie bei einem herkömmlichen Verfahren Anwendung finden, bei dem eine katalytische Elektrodenschicht für eine Brennstoffzelle angefertigt wird, d. h. wie bei einem Verfahren, bei dem die katalytische Elektrodenschicht 442 durch Aufbringen von Platin auf Kohlenstoff angefertigt wird.
Die katalytische Hydrierungsschicht 450 ist so angeordnet, dass sie das Odoriermittel hydriert, um zu verhindern, dass die katalytische Elektrodenschicht 442 vergiftet wird. Die katalytische Hydrierungsschicht 450 unterscheidet sich daher von der katalytischen Elektrodenschicht 442 insofern, als dass sie keine elektrische Leitfähigkeit haben muss. Folglich verwendet dieses Ausführungsbeispiel Aluminiumoxid als Träger. Die katalytische Hydrierungsschicht 450 kann sich auch von der katalytischen Elektrodenschicht 442 dadurch unterscheiden, dass sie während einer Reaktion, bei der Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen getrennt werden, keine hohe Reaktionsfreudigkeit zeigen muss. Deswegen verwendet dieses Ausführungsbeispiel einen NiMo-Katalysator als Katalysatorwirkstellenmaterial.
Wenn das System den Einheitsbrennstoffzellen 432 zu Stromerzeugungszwecken ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Odoriermittel zuführt, wird das Odoriermittel, das in dem Gas enthalten ist, das in den Gasströmungsweg 448 strömt, von der katalytischen Hydrierungsschicht 450 hydriert. Dadurch kann verhindert werden, dass die katalytische Elektrodenschicht 442 vergiftet wird, und in der katalytischen Elektrodenschicht 442 kann ungehindert eine Stromerzeugungsreaktion stattfinden.
In dem fünften Ausführungsbeispiel entspricht der (nicht gezeigte) Separator dem „Gasverteilungselement” gemäß der sechsten Ausgestaltung der Erfindung; die Verbindung zwischen dem Gasströmungsweg 448 und dem Verteiler 440 entspricht dem „Gaseinlass” gemäß der sechsten Ausgestaltung der Erfindung; der Gasströmungsweg 448 entspricht dem „Gasströmungsweg” gemäß der sechsten Ausgestaltung der Erfindung; die katalytische Hydrierungsschicht 440 entspricht dem „ersten Teilbereich” gemäß der sechsten Ausgestaltung der Erfindung; und die katalytische Elektrodenschicht 442 entspricht dem „zweiten Teilbereich” gemäß der sechsten Ausgestaltung der Erfindung.
9 zeigt eine Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels. Eine in 9 gezeigte Einheitsbrennstoffzelle 532 unterscheidet sich von der in 8 gezeigten Einheitsbrennstoffzelle 432 dadurch, dass sie eine (nicht gezeigte) poröse Schicht enthält, die aus einem leitenden Material besteht und zwischen einer Stromsammelplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit positioniert ist, und die poröse Schicht als einen Gasströmungsweg verwendet. In der porösen Schicht ist eine große Anzahl durchgängiger Poren ausgebildet, sodass das Gas über die Poren verteilt werden kann.
Wenn die poröse Schicht als Gasströmungsweg verwendet wird, strömt das Gas radial aus dem Gaseinlass, wie durch die Pfeile in 9 angegeben ist. Auch dann, wenn die eingesetzten Einheitsbrennstoffzellen die oben beschriebene poröse Schicht enthalten, wirkt die Hydrierungsfunktion der katalytischen Hydrierungsschicht 450 so, dass verhindert wird, dass der Katalysator durch das Odoriermittel vergiftet wird. Die Technologie zum Einsatz der porösen Schicht als Gasströmungsweg wird nicht ausführlich beschrieben, da sie öffentlich bekannt ist.
Wie zuvor beschrieben wurde, muss die katalytische Hydrierungsschicht 450 nicht immer elektrisch leitend sein. Darüber hinaus muss die katalytische Hydrierungsschicht 450 nicht unbedingt wie die katalytische Elektrodenschicht 442 bei der Erzeugung von Protonen aus Wasserstoff aktiv sein. Daher ist es nicht immer notwendig, als Katalysatorwirkstellenmaterial Platin oder ein anderes teures Edelmetall zu verwenden. Dadurch ist es möglich, die Materialien für den Katalysator und Träger aus einer großen Anzahl von Optionen zu wählen, zu denen Metalloxide und Keramiken wie Titanoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid gehören. Mit anderen Worten kann der Hydrierungskatalysator ausgebildet werden, indem die Materialien für die Katalysatorwirkstelle und den Träger je nach Bedarf aus verschiedenen Optionen, die Materialien mit geringer Leitfähigkeit oder nicht leitfähige Materialien einschließen, ausgewählt werden, um Kosten-, Festigkeits- und Haltbarkeitsvorgaben zu erfüllen.
Es sollte erwähnt werden, dass sämtliche der in den oben beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsbeispielen präsentierten Ideen bei einem einzigen System Anwendung finden können. Und zwar ist eine Alternative, die Hydrierungsvorrichtung 14 und die Hydrierungszelle 130 in der Mitte des Gasverteilungswegs zwischen dem Brennstofftank und der Brennstoffzelle anzuordnen und die katalytischen Hydrierungsschichten 250, 350 (oder 450) in die Brennstoffzelle einzubinden. Eine andere Alternative ist, gezielt eine oder mehrere der im ersten bis fünften Ausführungsbeispiel präsentierten Ideen zu nutzen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ziel ist es, ein Brennstoffzellensystem (10) zur Verfügung zu stellen, das mit Hilfe einer einfachen Gestaltung ein Odoriermittel beseitigen kann und erhöhte Wasserstoffsicherheit gewährleistet. Zwischen einem Brennstofftank (12) und einer Brennstoffzelle (16) ist eine Hydrierungsvorrichtung (14) positioniert. Die Hydrierungsvorrichtung (14) enthält einen Hydrierungskatalysator zum Hydrieren des Odoriermittels.
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 2004-134272 A [0002, 0004, 0039, 0058]
- JP 2005-203108 A [0004]
- JP 2004-111167 A [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Einheit enthält, die durch Anordnen einer katalytischen Schicht auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran ausgebildet ist; einem Gasströmungsweg, der mit der katalytischen Schicht verbunden ist; einem Brennstofftank, der mit dem Gasströmungsweg verbunden ist, um der katalytischen Schicht über den Gasströmungsweg ein Brennstoffgas zuzuführen; und einem Hydrierungskatalysator, der in einem Gasverteilungsweg angeordnet ist, der von dem Brennstofftank aus über den Gasströmungsweg zur katalytischen Schicht verläuft, und der dazu verwendet wird, ein schwefelloses Odoriermittel zu hydrieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, mit außerdem: einer Wärmezufuhreinrichtung zum Zuführen von durch die Brennstoffzelle erzeugter Wärme zu dem Hydrierungskatalysator.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel ist, der durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit mit einem dazwischen eingefügten Separator ausgebildet ist, und wobei der Gasströmungsweg einen Verteiler, der innerhalb des Brennstoffzellenstapels verläuft und mit den katalytischen Schichten der Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit verbunden ist, und eine Leitung enthält, die außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist und den Verteiler mit dem Brennstofftank verbindet, wobei das Brennstoffzellensystem Folgendes umfasst: eine Hydrierungszelle, die den Hydrierungskatalysator enthält, ist in den Brennstoffzellenstapel integriert und ist zwischen dem Verteiler und der Leitung positioniert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel ist, der durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit mit einem dazwischen eingefügten Separator ausgebildet ist, wobei der Gasströmungsweg einen Verteiler enthält, der innerhalb des Brennstoffzellenstapels verläuft und mit den katalytischen Schichten der Vielzahl der Membran-Elektroden-Einheit verbunden ist, und wobei der Hydrierungskatalysator in dem Verteiler angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit außerdem: einem Gasverteilungselement, das eine Gasdiffusionsschicht und ein Plattenmaterial umfasst, das auf der Gasdiffusionsschicht aufgestapelt ist und in der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche mit einer Nut versehen ist, und das die katalytische Schicht so überlagert, dass die Gasdiffusionsschicht der katalytischen Schicht zugewandt ist, wobei die Nut mit dem Gasströmungsweg verbunden ist und zwischen dem Gasströmungsweg und der katalytischen Schicht positioniert ist und der Hydrierungskatalysator auf der Innenfläche der Nut angeordnet ist.
Brennstoffzelle mit: einer Membran-Elektroden-Einheit, in der auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran eine katalytische Schicht, die einen Katalysator und einen Träger enthält, angeordnet ist; und einem Gasverteilungselement, das die katalytische Schicht überlagert und einen Gaseinlass und einen Gasströmungsweg umfasst, der vom Gaseinlass aus innen verläuft und mit der katalytischen Schicht verbunden ist, wobei sich ein erster Teilbereich der katalytischen Schicht, der nahe am Gaseinlass positioniert ist, beim Katalysatormaterial von einem zweiten Teilbereich unterscheidet, der der übrige Teilbereich der katalytischen Schicht ist; und das Katalysatormaterial für den ersten Teilbereich beim Erzeugen von Protonen aus Wasserstoffatomen weniger aktiv als das Katalysatormaterial für den zweiten Teilbereich ist und beim Hydrieren eines schwefellosen Odoriermittels gleich aktiv wie oder aktiver als das Katalysatormaterial für den zweiten Teilbereich ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei der Katalysator für den ersten Teilbereich der katalytischen Schicht entweder einen Nickel-Molybdän-(NiMo-)Katalysator oder einen Cobalt-Molybdän-(CoMo-)Katalysator beinhaltet.