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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolytmembran für
eine Brennstoffzelle und eine dieselbe enthaltende Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Eine
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) ist als eine Art Brennstoffzelle
bekannt. Verglichen mit anderen Brennstoffzellen besitzt eine PEFC
eine niedrigere Betriebstemperatur (ungefähr –30
bis 120°C) und ein Potential zum Reduzieren von Kosten
und Größe und eine Nutzung als Energiequelle für
Kraftfahrzeuge und andere Zwecke wird daher erwartet.
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Wie
in 5 dargestellt ist eine PEFC so aufgebaut, dass
eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 2, die eine wesentliche
Komponente ist, von einem anodenseitigen Separator 20,
welcher einen Brenn-(Wasserstoff-)Gaskanal 21 einschließt, und
einen kathodenseitigen Separator 30, der einen Luft-(Sauerstoff-)Kanal 31 einschließt,
um eine als Einzelzelle bezeichnete Brennstoffzelle 1 zu
bilden. Die Membran-Elektroden-Anordnung 2 besitzt eine Struktur,
in der eine anodenseitige Elektrode 15a, die aus einer
Katalysatorschicht 13a und einer Gasdiffusionsschicht 14a auf
der Anodenseite aufgebaut ist, auf eine Seite der Polymerelektrolytmembran 10, welche
eine Ionenaustauschmembran ist, laminiert ist. Auf die andere Seite
derselben ist die kathodenseitige Elektrode 15b, die aus
der Katalysatorschicht 13b und der Gasdiffusionsschicht 14b aufgebaut
ist, laminiert.
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In
einer PEFC wird eine dünne Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymer
(Nafion®-Membran, DuPont, USA),
welches ein Elektrolytharz auf Fluorbasis ist (Ionenaustauschharz),
hauptsächlich als Elektrolytmembran verwendet (siehe Patentdokument
1 etc.). Außerdem wird, da eine dünne, aus einem Elektrolytharz
allein aufgebaute Membran keine ausreichende Festigkeit aufweist,
eine Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten Membran
verwendet, bei der eine expandierte poröse, verstärkte
Membran (zum Beispiel eine dünne, von expandiertem PTFE oder
Polyolefinharz etc. gebildete Membran) mit einem in einem Lösungsmittel
gelösten Elektrolytharz imprägniert und getrocknet
(Patentdokument 2 und Patentdokument 3 etc.).
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Außerdem
zeigt ein in einer PEFC verwendetes Elektrolytharz auf Fluorbasis
Protonenleitfähigkeit, wenn es Wasser enthält.
Die Protonenleitfähigkeit variiert in Abhängigkeit
vom Wassergehalt, so dass je niedriger der Wassergehalt ist, desto
niedriger die Protonenleitfähigkeit ist. Andererseits besteht bei
den Brennstoffzellen der vergangenen Jahre zum Zweck der Systemvereinfachung
und der Kostenreduktion ein wachsender Bedarf für den Betrieb
bei einem niedrigen Befeuchtungsniveau; ein Betrieb bei einem niedrigen
Befeuchtungsniveau resultiert jedoch zu einer Abnahme der Protonenleitfähigkeit, was
in einer signifikanten Herabsetzung der Energieerzeugungsleistung,
verglichen mit einem Betrieb bei einem hohen Befeuchtungsniveau,
resultiert.
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Das
bedeutet, dass bei einem Betrieb bei niedrigem Befeuchtungsniveau
eine Elektroendosmose eintritt, bei der sich Wasser zusammen mit
der Bewegung der Protonen zur Kathodenseite bewegt und die Anodenseite
trockener wird. Wenn die Anodenseite trocknet, nimmt die Protonenleitfähigkeit des
Elektrolyts auf der Anodenseite ab, wobei sich auch der Widerstand
der gesamten Zelle erhöht, was zu einem signifikanten Abfall
in der Leistung der Zelle führt. Um ein solches Trocknen
der Anodenseite zu vermeiden wurden Versuche unternommen den Effekt
der Wasser-Rückdiffusion nutzbar zu machen, wobei das durch
die Protonenoxidationsreaktion an der Kathodenseite erzeugt Produktwasser
wirksam zur Anodenseite bewegt wird, wodurch eine Leistungsabnahme
bei niedrigem Befeuchtungsniveau vermieden wird.
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Im
Allgemeinen setzt ein Verringern der Film-Dicke der Elektrolytmembran
die durch Bewegung zu überwindende Entfernung der Wasser-Rückdiffusion
herab und erhöht ebenso den Konzentrationsgradienten des
Wassers zwischen der trockenen Anodenseite und der nassen Kathodenseite
und ermöglicht somit ein Erhöhen der Mobilität
des Wassers, so dass sich das Produktwasser an der Kathodenseite
als Wasser-Rückdiffusion zu der Anodenseite bewegt.
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- Patent Dokument 1: JP Patentveröffentlichung (Kokai) No. 2001-35510A
- Patent Dokument 2: JP
Patentveröffentlichung (Kokai) No. 2005-302526A
- Patent Dokument 3: JP
Patentveröffentlichung (Kokai) No. 2006-202532A
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Offenbarung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösende
Probleme
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Wie
bisher beschrieben, haben Versuche das Produktwasser der Kathodenseite
durch Wasser-Rückdiffusion zu der Anodenseite zu bewegen, um
dadurch eine Abnahme der Energieerzeugungsleistung zu vermeiden,
hauptsächlich durch Verringern der Dicke der Elektrolytmembran
stattgefunden.
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Hinsichtlich
der Aspekte der Membranfestigkeit und der Haltbarkeit der Zelle
kann die Dicke der Elektrolytmembran jedoch nicht signifikant reduziert werden
und es existiert eine Grenze hinsichtlich der Größe
der Reduktion. Als Elektrolytmembran zum Verbessern der Membranfestigkeit
wird, wie oben beschrieben, eine Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten
Membran verwendet; aufgrund der Gegenwart der verstärkten
Membran besteht jedoch immer noch eine Beschränkung beim
Reduzieren der Membran-Dicke und eine ausreichende Wirkung der Wasser-Rückdiffusion
kann nicht erwartet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben beschriebenen Umstände
getätigt und es ist ihre Aufgabe eine Elektrolytmembran
vom Typ einer verstärkten Membran bereitzustellen, die
eine höhere Wirkung der Wasser-Rückdiffusion zeigt,
wobei sie eine verstärkte Membran einschließt,
und das Bereitstellen einer Brennstoffzelle mit einer solchen verstärkten
Membran ist ebenfalls ihre Aufgabe.
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Lösung der Probleme
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Die
Erfinder haben vielfältige Untersuchungen zum Lösen
der oben beschriebenen Probleme durchgeführt und gefunden,
dass in herkömmlichen Elektrolytmembranen vom Typ der verstärkten
Membran die Dicken der auf beiden Seiten der Elektrolytmembran gebildeten
Elektrolytharz-Schichten dieselben sind, da die verstärkte
Membran, welche eine expandierte poröse Membran ist, in
der Mitte in Dickenrichtung der Elektrolytmembran angeordnet ist,
und die theoretische Menge der Wasserabsorption von beiden Elektrolytharz-Schichten
dieselbe ist, so dass die Wirkung einer Wasser-Rückdiffusion
größer als der ausschließlich der Dicke
der Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten Membran
zuzuschreibenden nicht erzielt werden kann; durch aktives Ausbilden
eines Wasserabsorptionsgradienten in der Dickenrichtung der Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran jedoch wird es möglich
der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran eine
größere Wirkung der Wasser-Rückdiffusion zu
verleihen als die des herkömmlichen Niveaus, die ausschließlich
der Dicke zuzuschreiben ist, wodurch schließlich der Erfindung
abgeschlossen wurde.
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Das
bedeutet, die Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung
eine Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran,
in welcher eine expandierte poröse Membran als verstärkende
Membran in einem Elektrolytharz eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dicke der auf einer Seite der eingebetteten verstärkenden
Membran gebildeten Elektrolytharzschicht größer
als die einer auf der anderen Seite gebildeten Elektrolytharzschicht
ist.
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Ferner
ist die Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran
gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung eine
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, bei
der eine expandierte poröse Membran als verstärkende
Membran in einem Elektrolytharz eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die eingebettete verstärkende Membran aus mehreren
Lagen expandierter poröser Membranen mit unterschiedlichen
Porositäten aufgebaut ist und mehreren Lagen expandierter
poröser Membranen in Dickenrichtung der Elektrolytmembran
in abnehmender Reihenfolge der Porosität angeordnet sind.
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Die
Brennstoffzelle gemäß einem dritten Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, in der eine Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig
von anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren umgeben ist,
wobei die Membran-Elektroden-Anordnung so aufgebaut ist, dass eine
Elektrode auf jede Seite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
laminiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung
sandwichartig von beiden Separatoren umgeben ist, so dass sich eine
Elektrolytharzschicht größerer Dicke in der Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran auf der Seite des kathodenseitigen
Separators befindet.
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Die
Brennstoffzelle gemäß einem vierten Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, in der eine Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig
von anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren umgeben ist,
wobei die Membran-Elektroden-Anordnung so aufgebaut ist, dass eine
Elektrode auf jede Seite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung
laminiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung
sandwichartig so von beiden Separatoren umgeben ist, dass sich eine
expandierte poröse Membran mit größter
Porosität in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran auf der Seite des kathodenseitigen Separators befindet.
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In
der vorliegenden Erfindung können als das die Elektrolytmembran
bildende Elektrolytharz ein Polymerelektrolyt auf Perfluorbasis
oder ein Polymerelektrolyt auf Carbohydratbasis geeigneter Weise
zur Verwendung ausgewählt werden.
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In
der vorliegenden Erfindung ist die verstärkende Membran
als eine expandierte poröse Membran, obwohl nicht darauf
beschränkt, bevorzugt durch Polytetrafluorethylen (PTFE)
exemplifiziert. Durch Steuern der Größe der Expansion
derselben ist es möglich eine expandierte poröse
Membran mit einer gewünschten Zugfestigkeit und Porosität
zu erhalten. Eine Porosität von 50% bis 95% ist für
das Imprägnieren einer Elektrolytharzlösung geeignet.
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In
der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrode aus einer Katalysatorschicht
und einer Diffusionsschicht aufgebaut. Die Katalysatorschicht ist
eine aus einer aus einem Elektrolytharz und einem leitfähigen
Material (exemplifiziert durch Kohlenstoff, aber nicht darauf beschränkt)
aufgebauten Mischung, die einen Katalysator trägt (exemplifiziert
durch Platin, aber nicht darauf beschränkt), und kann eine
allgemein in Brennstoffzellen verwendete Katalysatorschicht sein.
Die Diffusionsschicht kann auch eine allgemein in Brennstoffzellen
verwendete sein und Beispiele können Kohlepapier und Kohlenstofflagen
einschließen.
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In
der vorliegenden Erfindung sind die Separatoren mit Nuten ausgebildet,
die einen Brennstoffkanal und einen Oxidationsmittelkanal bilden
und als Stromkollektoren fungieren, wobei ein mit einem Brennstoffkanal
versehener Separator der anodenseitige Separator ist und ein mit
einem Oxidationsmittelkanal versehener Separator der kathodenseitige Separator
ist. Jeder der Separatoren kann ein allgemein in Brennstoffzellen
verwendeter sein.
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Gemäß der
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran der vorliegenden
Erfindung und der Brennstoffzelle, die selbige verwendet, ist es, verglichen
mit einer herkömmlichen Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran, die dieselbe Dicke besitzt und eine verstärkende
Membran im mittleren Teil in der Dickenrichtung einschließt,
oder mit einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran,
in der eine Mehrzahl von verstärkenden Membranen mit derselben
Dicke und Porosität in einer Membran angeordnet sind, möglich
den Konzentrationsgradienten von Wasser durch aktives Bilden eines
Wasser-Gradienten in der Membran zu erhöhen, worin der
Wassergehalt während der Energieerzeugung auf der Anodenseite
niedrig und auf der Kathodenseite hoch ist. Dadurch kann die Wirkung
der Wasser-Rückdiffusion, die bewirkt, dass Wasser sich von
der Kathodenseite zu der Anodenseite bewegt, verstärkt
werden, so dass ein Austrocknen wirksam vermieden werden kann, was
tendenziell bei einem Betrieb mit niedriger Befeuchtung eintreten
kann. Außerdem kann ein Fluten auf der kathodenseitigen Elektrode,
welches tendenziell bei einem Betrieb mit hoher Befeuchtung auftreten
kann, vermieden werden, da die Fähigkeit zur Absorption
des an der kathodenseitigen Katalysatorschicht erzeugten Produktwassers
zunimmt.
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Ferner
wird es als Ergebnis des Erhöhen der Fähigkeit
zur Absorption von Wasser in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran möglich das Produktwasser an der kathodenseitigen
Katalysatorschicht während der Energieerzeugung zu absorbieren,
und ein Einfrieren von Wasser, welches tendenziell in einer Katalysatorschicht
bei niedrigen Temperaturen eintritt, kann vermieden werden. Als Ergebnis
hiervon wird die Niedrigtemperatur-Inbetriebnahme-Leistung der Brennstoffzelle
ebenfalls verbessert.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1(a) ist eine schematische Darstellung einer Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und 1(b) ist
eine schematische Darstellung zum Erläutern einer herkömmlichen Elektrolytmembran
vom Typ einer verstärkten Membran im Gegensatz zu der aus 1(a).
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2(a) ist eine schematische Darstellung einer Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung und 2(b) ist eine schematische Darstellung zum Erläutern
einer herkömmlichen Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran im Gegensatz zu der aus 2(a).
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Beispiels der erfindungsgemäßen
Brennstoffzelle.
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4 ist
eine Darstellung eines Diagramms zum Zeigen der Energieerzeugungsleistung
von Brennstoffzellen der Beispiele und der Vergleichsbeispiele.
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5 ist
eine schematische Darstellung zum Erläutern einer PEFC.
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- 1
- PEFC
- 2
- Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
- 10A,
10B
- Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran
- 11
- Elektrolytharz
- 12,
12a, 12b
- verstärkende
Membran, welches eine expandierte poröse Membran ist
- 13
- Katalysatorschicht
- 14
- Diffusionsschicht
- 15a
- anodenseitige
Elektrode
- 15b
- kathodenseitige
Elektrode
- 20
- anodenseitiger
Separator
- 30
- kathodenseitiger
Separator
-
Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Eine
in 1(a) dargestellte erfindungsgemäße
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A ist
aus dem Elektrolytharz 11 und der Lage einer verstärkenden
Membran 12, welches eine expandierte poröse Membran
ist, aufgebaut und die verstärkende Membran 12 ist
in dem Elektrolytharz 11 so eingebettet, dass sie in Dickenrichtung
der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A zu
einer Seite versetzt ist. Als Ergebnis davon ist die Dicke der Elektrolytharzschicht 11b,
die auf einer Seite (in der Figur als „Kathodenseite” dargestellt)
der verstärkenden Membran 12 gebildet ist, größer
als die der Elektrolytharzschicht 11a, die auf der anderen
Seite gebildet ist (in der Figur als „Anodenseite” dargestellt).
Aus diesem Grund ist der Wassergehalt in Dickenrichtung der Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran 10A auf der Anodenseite
niedriger und auf der Kathodenseite höher.
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In
diesem Zusammenhang ist bei der in 1(b) dargestellten
herkömmlichen Elektrolytmembran 10 die verstärkende
Membran 12, welches eine expandierte poröse Membran
ist, in Dickenrichtung in der Mitte positioniert. Aus diesem Grund
weisen die auf beiden Seiten derselben gebildeten Elektrolytharzschichten 11c und 11c die
gleiche Dicke ebenso wie die gleichen Wassergehalte auf.
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Die
in 2(a) dargestellte erfindungsgemäße
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10B ist
aus dem Elektrolytharz 11 und verstärkenden Membranen 12a und 12b aufgebaut,
welches zwei Lagen expandierter poröser Membranen mit unterschiedlichen
Porositäten sind, wobei die zwei Lagen von verstärkenden
Membranen 12a und 12b im Elektrolytharz 11 in
angenähert gleichen Abständen in der Dickenrichtung
der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10B eingebettet sind.
Ferner besitzt die verstärkende Membran 12b, die
in der Figur auf der Kathodenseite angeordnet ist, eine größere
Porosität als die in der Figur auf der Anodenseite der
verstärkenden Membran 12a angeordnete. Im Vergleich
mit der verstärkenden Membran 12a mit relativ
geringer Porosität wird mehr Elektrolytharz 11 durch
Imprägnieren in die verstärkende Membran 12b mit
größerer Porosität eingebracht. Aus diesem
Grund ist auch in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran der Wassergehalt in Dickenrichtung auf der Anodenseite niedriger
und auf der Kathodenseite höher.
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In
dieser Beziehung sind bei der in 2(b) dargestellten
herkömmlichen Elektrolytmembran 10 verstärkende
Membranen 12 und 12, welches zwei Lagen expandierter
poröser Membranen mit gleichen Porositäten sind,
mit angenähert gleichem Abstand in der Dickenrichtung der
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10 in
dem Elektrolytharz 11 eingebettet. In diesem Fall sind
die in beide verstärkenden Membranen 12 und 12 durch
Imprägnieren einzubringenden Mengen an Elektrolytharz 11 einander
gleich und der Wassergehalt in der Elektrolytmembran vom Typ der
verstärkten Membran 10 ist auf der Anodenseite
und der Kathodenseite ungefähr gleich.
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Eine
schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 1, die die
oben beschriebene erfindungsgemäße Elektrolytmembran
vom Typ der verstärktem Membran 10A (10B)
enthält, ist in 3 dargestellt. In der Brennstoffzelle 1 ist
die anodenseitige Elektrode 15a, die aus der Katalysatorschicht 13a und
der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht 14a aufgebaut ist,
auf die als Anodenseite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran 10A (10B) beschriebene Seite laminiert
und eine kathodenseitige Elektrode 15b, die aus einer Katalysatorschicht 13b und
einer kathodenseitigen Gas 14b aufgebaut ist, ist zum Bilden
einer Membran-Elektroden-Anordnung 2 auf die als Kathodenseite
beschriebene Seite laminiert. Die Membran-Elektroden-Anordnung 2 ist
zum Bilden einer Brennstoffzelle 1 als Einzelzelle in sandwichartiger
Weise umgeben von: einen anodenseitigen Separator 20, einschließlich
einem Einlass 22 und einem Auslass 23 für
Brenngas, und einem kathodenseitigen Separator 30, einschließlich
einem Einlass 32 und einem Auslass 33 für
ein Oxidationsmittel.
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In
der vorliegenden Ausführungsform der Brennstoffzelle 1 wird,
da der Wassergehalt, wie oben beschrieben, zwischen der Anodenseite
und der Kathodenseite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran 10A (10B) verschieden ist, während
der Energieerzeugung ein Gradient des Wassergehalts in der Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran 10A (10B)
ausgebildet. Dies ermöglicht ein Erhöhen der Konzentration
des Wassergradienten in der Elektrolytmembran, wodurch als Ergebnis,
wie in 1(a) und in 2(a) dargestellt, ein Verstärken des
Effekts der Wasser-Rückdiffusion möglich wird,
was ein Bewegen von Wasser von der Kathodenseite zur Anodenseite bewirkt.
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Als
Ergebnis hiervon kann ein Austrocknen der Anodenseite, was tendenziell
beim Betrieb mit niedriger Befeuchtung eintreten kann, wirksam vermieden
werden. Da an der Kathodenseite der Elektrolytmembran vom Typ der
verstärkten Membran 10A (10B) die Kapazität
zum Absorbieren des an der kathodenseitigen Katalysatorschicht 13b erzeugten Produktwassers
verbessert wird, ist es ferner möglich ein Fluten an der
kathodenseitigen Elektrode 15b zu vermeiden, was tendenziell
bei einem Betrieb mit hoher Befeuchtung auftritt. Als Ergebnis der
Verbesserung der Wasserabsorptionsfähigkeit an der Kathodenseite
der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A (10B)
ist es weiterhin möglich während der Energieerzeugung
mehr Produktwasser der kathodenseitigen Katalysatorschicht zu absorbieren
und dadurch ein Gefrieren des Wassers in der Katalysatorschicht
bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden, wodurch die Inbetriebnahme-Leistung bei
niedrigen Temperaturen auch verbessert wird.
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Beispiele
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Im
Nachfolgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf Beispiele und
Vergleichsbeispiele beschrieben.
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[Beispiel 1]
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- (1) PTFE wurde in zwei Achsrichtungen expandiert,
um die erste expandierte, poröse verstärkte Membran 12a eines
Harz-äquivalenten Zugfestigkeit von 200 MPa und einer Porosität
von 60% herzustellen und die zweite expandierte, poröse verstärkte
Membran 12b einer Harz-äquivalenten Zugfestigkeit
von 100 MPa und einer Porosität von 80%.
- (2) Eine Lösung Elektrolytharz („DE2020”,
eine von DuPont hergestellte Polymerlösung, dessen Polymerkettenenden-SO3H sind) wurde auf die erste, auf einem Glas-Substrat
platzierte verstärkende Membran 12a gegossen;
die zweite poröse, verstärkende Membran 12b wurde
darauf platziert und weiterhin wurde die vorgenannte Lösung Elektrolytharz
dazu gegossen. Die Mischung wurde für 1 Stunde bei 70°C
zum Erhalt einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran mit einem in 2(a) dargestellten
Aufbau und einer Dicke von ungefähr 30 μm getrocknet.
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[Beispiel 2]
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- (1) Expandierte poröse, verstärkende
Membranen 12a und 12b, ähnlich denen
aus Beispiel 1, wurden hergestellt.
- (2) Ein Precursor-Elektrolytharz („NE111F”,
ein von DuPont hergestelltes Polymer, dessen Polymerkettenenden-SO2F sind) wurde mittels einer Extrusionsvorrichtung
zum Erhalt einer dünnen Membran mit einer Dicke von ungefähr
8 μm extrudiert.
- (3) Drei Lagen der vorgenannten dünnen Membranen des
Precursor-Elektrolytharzes und expandierter, poröser verstärkter
Membranen 12a und 12b wurden abwechselnd laminiert,
um so eine in 2(a) dargestellte Schichtstruktur
zu erhalten, die bei einem Druck von 5 kg/m2 unter
einer Vakuumumgebung bei 230°C zum Erhalt einer transparenten
Membran einem Imprägnieren unterworfen wurden.
- (4) Die oben beschriebene, transparente Membran wurde einer
Hydrolyse mit einer gemischten Lösung aus 1 mol/l wässriger
Natriumhydroxidlösung und Alkohol unterworfen und nachfolgend wurden
die Polymerkettenenden mit 1 mol/l wässriger Schwefelsäurelösung
zu einer Säuregruppe (-SO3H) umgewandelt.
- (5) Die mit Ionenaustauschfähigkeit versehene Membran
wurde mit reinem Wasser gewaschen und nachfolgend zum Erhalt einer
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran mit einer Dicke
von ungefähr 30 μm getrocknet.
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[Vergleichsbeispiel 1]
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- (1) PTFE wurde in zwei Achsrichtungen zum Herstellen
von zwei Lagen einer expandierten, porösen verstärkenden
Membran mit einer Harz-äquivalenten Zugfestigkeit von 100
MPa und einer Porosität von 80% expandiert.
- (2) Eine Lösung Elektrolytharz („DE2020”,
eine von DuPont hergestellte Polymerlösung, dessen Polymerkettenenden-SO3H sind) wurde auf die erste, auf einem Glas-Substrat
platzierte verstärkende Membran 12a gegossen;
die zweite poröse, verstärkende Membran 12b wurde
darauf platziert und weiterhin wurde die vorgenannte Lösung Elektrolytharz
dazu gegossen. Die Mischung wurde für 1 Stunde bei 70°C
zum Erhalt einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran mit einem in 2(b) dargestellten
Aufbau und einer Dicke von ungefähr 30 μm getrocknet.
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[Vergleichsbeispiel 2]
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- (1) Es wurden zwei Lagen einer porösen,
verstärkenden Membran 12, ähnlich der
aus Vergleichsbeispiel 1, hergestellt.
- (2) Ein Precursor-Elektrolytharz („NE111F”,
ein von DuPont hergestelltes Polymer, dessen Polymerkettenenden-SO2F sind) wurde mittels einer Extrusionsvorrichtung
zum Erhalt einer dünnen Membran mit einer Dicke von ungefähr
8 μm extrudiert.
- (3) Drei Lagen der vorgenannten dünnen Membranen des
Precursor-Elektrolytharzes und zwei Lagen expandierter, poröser
verstärkter Membranen 12 wurden abwechselnd so
zu einer in 2(b) dargestellten Schichtstruktur
laminiert, die bei einem Druck von 5 kg/m2 unter
einer Vakuumumgebung bei 230°C zum Erhalt einer transparenten
Membran einem Imprägnieren unterworfen wurden.
- (4) Die oben beschriebene, transparente Membran wurde einer
Hydrolyse mit einer gemischten Lösung aus 1 mol/l wässriger
Natriumhydroxidlösung und Alkohol unterworfen und nachfolgend wurden
die Polymerkettenenden mit 1 mol/l wässriger Schwefelsäurelösung
zu einer Säuregruppe (-SO3H) umgewandelt.
- (5) Die mit Ionenaustauschfähigkeit versehene Membran
wurde mit reinem Wasser gewaschen und nachfolgend zum Erhalt einer
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran mit einer Dicke
von ungefähr 30 μm getrocknet. Dieselbe Katalysatorschicht
wurde auf jede Seite der jeweils in den Beispielen 1 und 2 und den
Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Elektrolytmembranen vom
Typ der verstärkten Membran übertragen und dasselbe
Kohlepapier wurde als Gasdiffusionsschicht auflaminiert, um Membran-Elektroden-Anordnungen
zu erhalten. Jede Membran-Elektroden-Anordnung wurde zum Erhalt
einer Brennstoffzelle sandwichartig von anodenseitigen und kathodenseitigen
Separatoren eingefasst, so dass die Seite der verstärkenden Membran 12b,
die eine größere Porosität in der Elektrolytmembran
vom Typ der verstärkten Membran besitzt, die Seite des
kathodenseitigen Separators ist.
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[Untersuchung]
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Eine
Energieerzeugungs-Untersuchung wurde unter denselben Bedingungen
für die Brennstoffzellen der Beispiele 1 und 2 und der
Vergleichsbeispiele 1 und 2 durchgeführt und die Bewertung
der elektrischen Zellen wurde bei beiden, einer Bedingung mit niedriger
Befeuchtung und einer Bedingung mit hoher Befeuchtung, durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in 4(a) (Bedingung
mit hoher Befeuchtung) und 4(b) (Bedingung
mit niedriger Befeuchtung) dargestellt.
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[Diskussion]
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Wie
in den 4(a) und 4(b) dargestellt,
gab es bei der Bedingung mit hoher Befeuchtung keine signifikanten
Unterschiede zwischen ihnen; in einem Bereich einer hohen Stromdichte
zeigten die Vergleichsbeispiele 1 und 2 im Vergleich mit den Beispielen
1 und 2 jedoch eine größere Abnahme der Zellspannung.
Aus diesem Ergebnis wird abgeleitet, dass in den Vergleichsbeispielen
1 und 2 ein Fluten auftrat. Andererseits zeigten bei der Bedingung
mit niedriger Befeuchtung die Beispiele 1 und 2 eine höhere
Leistung in dem gesamten Strombereich als die Vergleichsbeispiele
1 und 2. Dies wird als Ergebnis davon angesehen, dass in den Beispielen
1 und 2 die Bewegung des Wassers in der Elektrolytmembran, d. h.
die Menge des Produktwassers auf der Kathodenseite, die sich durch
Wasser- Rückdiffusion zur Anodenseite bewegt, im Vergleich
zu den Vergleichsbeispielen 1 und 2 größer wurde,
was das Trockenen der Anodenseite einschränkte.
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Durch
das oben beschrieben Ergebnis wird gezeigt, dass die vorliegende
Erfindung eine Brennstoffzelle mit höherer Leistung bereitstellen
kann.
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Zusammenfassung
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Elektrolytmembran und Brennstoffzelle
unter Verwendung derselben
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In
einer Brennstoffzelle 1 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 2,
die eine Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A einschließt,
wird ein Austrocknen der Anodenseite durch aktives Bilden eines
Gradienten des Wassergehalts in der Elektrolytmembran zum Verstärken des
Effekts der Wasser-Rückdiffusion von der Kathodenseite
zu der Anodenseite unterdrückt. Zu diesem Zweck sind zwei
Lagen expandierter poröser Membranen 12a und 12b mit
unterschiedlichen Porositäten als verstärkende
Membranen in einem Elektrolytharz 11, zum Erhalt einer
Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A,
eingebettet. Die Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten
Membran 10A wird zum Bilden einer Membran-Elektroden-Anordnung 2 verwendet,
die von Separatoren 20 und 30 sandwichartig so
umgeben ist, dass die Seite einer verstärkenden Membran 12b mit
einer größeren Porosität die Kathodenseite
wird, wodurch die Brennstoffzelle 1 erhalten wird. Wenn
eine Lage der verstärkenden Membran eingebettet ist, ist
die verstärkende Membran zum Einbetten in dem Elektrolytharz zu
der Anodenseite verschoben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2001-35510
A [0007]
- - JP 2005-302526 A [0007]
- - JP 2006-202532 A [0007]