DE112008002146B4

DE112008002146B4 - Zelle für Brennstoffzelle, und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112008002146B4
Application number: DE112008002146.5T
Authority: DE
Inventors: Chisato Kato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: US8795922B2; JP2009064769A; CN101779318B; DE112008002146T5; CN101779318A; CA2702015C; DE112008002146B8; JP5012469B2; CA2702015A1; US20110311897A1

Abstract

Zelle für eine Brennstoffzelle, eine Anordnung (12) mit einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, die an einer Elektrolytmembran vorgesehen sind, ein erstes Gasdiffusionselement (14), das ein Brenngas zur Brennstoffelektrode liefert, ein zweites Gasdiffusionselement (14), das ein Oxidierungsgas zur Luftelektrode liefert, und ein Paar Separatoren (28), zwischen denen das erste Gasdiffusionselement (14), die Anordnung (12) und das zweite Gasdiffusionselement (14) angeordnet sind, aufweisend, wobei die Zelle für eine Brennstoffzelle eine Region (14a), in der elektrische Leistung erzeugt wird und in der die Anordnung (12) angeordnet ist, und eine Verteilerregion aufweist, die an einem Umfang der Region (14a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, angeordnet ist und in der Verteileröffnungen (18) ausgebildet sind, um den Durchtritt des Brenngases, des Oxidierungsgases und eines Kühlmittels zu ermöglichen, wobei wenigstens eines des ersten Gasdiffusionselements (14) und des zweiten Gasdiffusionselements (14) in die Verteilerregion hinein reicht und durch Imprägnieren mit einem Flüssigharz hermetisch abgedichtet ist, und wobei eine Porosität eines Grenzabschnitts (14b) zwischen der Region (14a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion im ersten Gasdiffusionselement (14) und im zweiten Gasdiffusionselement (14) geringer ist als eine Porosität der Verteilerregion innerhalb des ersten Gasdiffusionselements (14) und des zweiten Gasdiffusionselements (14).

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zelle für eine Brennstoffzelle, sowie eine Brennstoffzelle, und betrifft genauer eine Zelle für eine Brennstoffzelle, sowie eine Brennstoffzelle, in der eine Verteileröffnung hermetisch abgedichtet ist, während ein Eintränken von Flüssigharz in die Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, verhindert wird, und wobei Durchlässigkeiten und Kurzschlüsse zwischen ersten und zweiten Gasdiffusionselementen an der Anode und an der Kathode verhindert werden können, während trotzdem eine sehr geringe Laminierungsdicke möglich ist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Wie in 19 dargestellt, wird in einer Festpolymer-Brennstoffzelle eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer aus einem festen Polymerfilm gebildeten Elektrolytmembran 92, die zwischen zwei Elektroden, d. h. zwischen einer Brennstoffelektrode 96 und einer Luftelektrode 94 angeordnet ist, ihrerseits zwischen zwei Separatoren 90 angeordnet, um eine Zelle zu erzeugen, die als kleinste Einheit fungiert, und dann wird üblicherweise eine Vielzahl dieser Einheitszellen übereinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel (BZ-Stapel) zu bilden, wodurch eine hohe Spannung erhalten werden kann.
Der Mechanismus für die Erzeugung elektrischer Leistung durch eine Festpolymer-Brennstoffzelle beinhaltet im Allgemeinen die Zufuhr eines Brenngases, wie eines Wasserstoff enthaltenden Gases, zur Brennstoffelektrode (zur anodenseitigen Elektrode) 96 und die Zufuhr eines Oxidierungsgases, wie eines Gases, das hauptsächlich Sauerstoff (O₂) enthält, oder von Luft, zur Luftelektrode (zur kathodenseitigen Elektrode) 94. Das Wasserstoff enthaltende Gas wird durch Brenngasleitungen zur Brennstoffelektrode 96 geliefert, und durch die Wirkung des Elektrodenkatalysators dissoziiert der Wasserstoff in Elektroden und Wasserstoffionen (H⁺). Die Elektroden strömen durch einen externen Kreislauf von der Brennstoffelektrode 96 zur Luftelektrode 94, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Dagegen passieren die Wasserstoffionen (H⁺) die Elektrolytmembran 92 hin zur Luftelektrode 93 und binden sich an Sauerstoff und die Elektronen, die den externen Kreislauf durchströmt haben, wodurch Reaktionswasser (H₂O) erzeugt wird. Die Wärme, die gleichzeitig mit der Bindungsreaktion zwischen Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂) und den Elektronen erzeugt wird, wird unter Verwendung von Kühlwasser gewonnen.
In den letzten Jahren wurden Bauelemente für Brennstoffzellen vorgeschlagen, bei denen die Membran/Elektroden-Anordnung und die Gasdiffusionsschichten als eine integrale bzw. einstückige Einheit geformt bzw. gegossen werden, um den Aufbau von Einheitszellen aus einer minimalen Anzahl von Komponenten zu ermöglichen (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Wie in 20 dargestellt, weist diese Art von Brennstoffzellen-Bauelement eine MEA mit einer Elektrolytmembran 1 und Gasdiffusionsschichten 2 und 3, die integral an die beiden Seiten der Elektrolytmembran angeformt sind, auf, wobei dazwischen Katalysatorträgerschichten 2a und 3a angeordnet sind, welche die Elektroden bilden, und es weist ferner imprägnierte Streifenabschnitte 2b und 3b auf, die aus einem flüssigen Kautschuk oder synthetischen Harz gebildet sind und die über eine vorgegebene Breite von den Umfangsrändern der Gasdiffusionsschichten 2 und 3 aus nach innen reichen, und ein Dichtungselement 4, das aus einem elastischen Material gebildet ist, ist einstückig daran angeformt, so dass die Außenflächen der imprägnierten Streifenabschnitte 2b und 3b vollkommen bedeckt sind.
Wie in 21 dargestellt, weist eine Membran/Elektroden-Anordnung, die im Patentdokument 2 offenbart ist, ferner Verstärkungsschichten 5 auf, die an beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran 1 vorgesehen sind, wobei Katalysatorschichten 2a und 3a jeweils an einen Abschnitt der entsprechenden Verstärkungsschicht 5 laminiert sind und daran dann Gasdiffusionsschichten 2 und 3 laminiert sind. Dagegen sind in einer Verteileröffnung 11 der Membran/Elektroden-Anordnung die Verstärkungsschichten 5 auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 1 vorgesehen, eine Klebstoffschicht 8, eine Abstandhalterschicht 6 und ein imprägnierter Abschnitt 7 sind an jede der Verstärkungsschichten 5 laminiert, und ein Abdichtungsabschnitt 9 ist auf der Oberfläche jedes imprägnierten Abschnitts 7 sowohl innerhalb als auch außerhalb der Verteileröffnung 11 in der Ebenenrichtung laminiert. Wie in 21 dargestellt, kann somit durch Ausbilden der Klebstoffschichten 8 und der Abstandhalterschichten 6 um den Außenumfang der Membran/Elektroden-Anordnung, Verlängern der Außenumfangsabschnitte der Gasdiffusionsschichten 2 und 3 der Anode bzw. der Kathode in die Verteilerregion und anschließendes Ausbilden der imprägnierten Abschnitte 7 durch Imprägnieren dieser Außenumfangsabschnitte der Gasdiffusionsschichten mit einem Dichtmaterial eine Membran/Elektroden-Anordnung geschaffen werden, in der verhindert werden kann, dass die Gasdiffusionsschichten unter der Druckbelastung, die während des Formens entsteht, in die Anordnung schneiden, wodurch eine Beschädigung der Elektrolytmembran verhindert werden kann.
Ferner offenbart Patentdokument 3 eine Brennstoffzelle mit einem Membran-Elektrode-Komplex, in dem Katalysatorschichten jeweils auf beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran angeordnet sind, ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten, die auf beiden Oberflächen des Membran-Elektrode-Komplexes angeordnet sind, Separatoren zum jeweiligen Zuführen von Reaktionsgasen zu den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten, und einer Dichtung zum Abdichten des Reaktionsgases, wobei die Dichtung auf einer Oberfläche der Gasdiffusionsschicht ausgebildet ist, so dass sie dem Separator gegenüberliegt, und zumindest ein Dichtungsbildungsabschnitt jeder Gasdiffusionsschicht einen geringeren Porengehalt als ein Abschnitt aufweist, der sich mit der Katalysatorschicht in Kontakt befindet, wobei durch die erste wie auch die zweite Gasdiffusionsschicht ein Durchgangsloch führt und die Dichtung über das Durchgangsloch, das in jeder der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten vorgesehen ist, in den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten angeordnet ist.
Patentdokument 4 zeigt eine katalysatorbeschichtete Membran mit einer Ionomermembran, wobei die Ionomermembran zwei Oberflächen aufweist und jede der beiden Oberflächen eine mit einer Katalysatorschicht beschichtete aktive Fläche und eine passive Fläche aufweist, und mindestens einer Schutzfilmschicht, die an jeder der beiden Oberflächen der katalysatorbeschichteten Membran angebracht ist, wobei die mindestens eine Schutzfilmschicht die passive Fläche und die aktive Fläche überlappt.
Patentdokument 1: JP 2006-236957 A
Patentdokument 2: JP 2007-42348 A
Patentdokument 3: EP 1 391 956 A1
Patentdokument 4: EP 1 403 949 A1
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
PROBLEM, DAS DER ERFINDUNG ZUGRUNDE LIEGT
Wenn die Gasdiffusionsschichten einfach in die Verteilerregion hinein verlängert werden und die Umfangsränder der verlängerten Gasdiffusionsschichten dann mit einem Harz oder Dichtungsmaterial imprägniert bzw. getränkt werden, kann es jedoch trotzdem passieren, dass die Gasabdichtungseigenschaften schlechter werden, wenn keine zuverlässige Imprägnierung mit dem Harz oder Dichtungsmaterial erreicht wird. Falls dagegen das Harz oder Dichtungsmaterial durch die Region der Gasdiffusionsschichten, in der elektrische Leistung erzeugt wird, dringen, kann es passieren, dass die Gasabgabe-Oberfläche, die Gas an die Anordnung abgibt, innerhalb der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, kleiner wird, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrads, mit dem die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt, führt. Da der Aufbau der Einheitszelle, der im Patentdokument 2 vorgeschlagen wird, die Klebstoffschichten und die Abstandhalterschichten beinhaltet, nimmt die Zahl der Bauteile pro Einheitszelle zu, und da die Einheitszelle eine mehrschichtige Laminatstruktur ist, wird die Dicke der Zelle ebenfalls zunehmen, wodurch es wahrscheinlicher wird, dass eine Brennstoffzelle, die durch Stapeln einer Vielzahl von Zellen gebildet wird, größer wird.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
Die vorliegende Erfindung soll die oben geschilderten Probleme lösen und hat zur Aufgabe, eine Zelle für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle zu schaffen, in der die Anzahl der Komponenten innerhalb einer Einheitszelle verringert werden kann, die Gasabdichtungseigenschaften verbessert werden können und die Größe der Zelle verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Zellen für eine Brennstoffzelle gemäß den Ansprüchen 1 und 3 bzw. die Brennstoffzellen gemäß den Ansprüchen 8 und 9.
Um die vorstehend genannten Wirkungen zu erzielen, weisen eine Zelle für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung die nachstehend beschriebenen Merkmale auf.
Eine Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß den Ansprüchen 1 und 3 hat eine Anordnung mit einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, die auf einer Elektrolytmembran vorgesehen sind, ein erstes Gasdiffusionselement, das ein Brenngas zur Brennstoffelektrode liefert, ein zweites Gasdiffusionselement, das ein Oxidierungsgas zur Luftelektrode liefert, und ein Paar Separatoren, zwischen denen das erste Gasdiffusionselement, die Anordnung und das zweite Gasdiffusionselement angeordnet sind, wobei die Zelle für eine Brennstoffzelle eine Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird und in der die Anordnung angeordnet ist, und eine Verteilerregion aufweist, die am Umfang der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, angeordnet ist und in der Verteileröffnungen ausgebildet sind, durch die ein Brenngas, ein Oxidierungsgas und ein Kühlmittel strömen können, wobei das erste und/oder das zweite Gasdiffusionselement bis in die Verteilerregion reicht bzw. reichen und durch Imprägnierung bzw. Tränken mit einem flüssigen Harz hermetisch abgedichtet ist bzw. sind, und wobei die Porosität eines Grenzabschnitts zwischen der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion im ersten Gasdiffusionselement und im zweiten Gasdiffusionselement kleiner ist als die Porosität der Verteilerregion im ersten Gasdiffusionselement und im zweiten Gasdiffusionselement.
Da die Grenzabschnitte im ersten Gasdiffusionselement und im zweiten Gasdiffusionselement eine Porosität aufweisen, mit der nicht nur verhindert werden kann, dass das flüssige Imprägnierungsharz in die Region eindringt, in der elektrische Leistung erzeugt wird, sondern auch der Durchtritt von Gasen gehemmt wird, können innerhalb der Verteilerregion gute Gasabdichtungseigenschaften sichergestellt werden, die Gasdiffusions-Oberfläche innerhalb der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, kann aufrechterhalten werden, und die Gasdiffusionseigenschaften innerhalb der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, können verbessert werden. Zudem kann verhindert werden, dass das flüssige Harz bis in die Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, in den ersten und zweiten Gasdiffusionselementen dringt.
Dadurch, dass das erste Gasdiffusionselement oder das zweite Gasdiffusionselement bis in die Verteilerregion reicht, können Gaslecks und Kurzschlüsse zwischen der Anode und der Kathode in der Verteilerregion verhindert werden. Da das flüssige Harz in das verlängerte Gasdiffusionselement eingetränkt wird, können eine mechanische Bindung und verbesserte Gasabdichtungseigenschaften auch ohne die Art von Klebstoffschicht erreicht werden, die in Entgegenhaltung (2) verwendet wird.
Bei der Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 kann die Anordnung bis in die Verteilerregion reichen und an ein flüssiges Harz gebunden sein, das eine hermetische Abdichtung bildet.
Da die Anordnung im Allgemeinen einen hohen Grad an Affinität mit dem flüssigen Harz zeigt, das verwendet wird, um die Verteilerregion hermetisch abzudichten, kann durch Binden der Anordnung, die in die Verteilerregion hineinreicht, an das flüssige Harz, das die Verteilerregion hermetisch abdichtet, die Bindungszuverlässigkeit der Zelle für eine Brennstoffzelle weiter verbessert werden. Somit kann die Zelle für eine Brennstoffzelle auf mehr mechanische Weise verstärkt werden, und die Gasabdichtungseigenschaften können auch ohne die Art von Klebstoffschicht, die im Patendokument 2 verwendet wird, verbessert werden.
Ferner können das erste Gasdiffusionselement und das zweite Gasdiffusionselement Gasdiffusionsschichten sein, die an der Brennstoffelektrode bzw. an der Luftelektrode vorgesehen sind.
Die Zahl der Komponenten innerhalb der Brennstoffzelle kann verringert werden, und die Gasabdichtungseigenschaften innerhalb der Verteilerregion können verbessert werden.
Gemäß Anspruch 3 sind die Separatoren flache Separatoren, in denen die Oberfläche, die auf die Anordnung gerichtet ist, eine flache Oberfläche ist und das erste Gasdiffusionselement und das zweite Gasdiffusionselement poröse Durchlassschichten sind, die zwischen den flachen Separatoren und Gasdiffusionsschichten, die an der Brennstoffelektrode bzw. der Luftelektrode vorgesehen sind, angeordnet sind.
Die porösen Durchlassschichten bestehen aus Metall und lassen sich daher in der Verteilerregion leichter mit dem flüssigen Harz imprägnieren als die Gasdiffusionsschichten, wodurch die Festigkeit der Verteilerregion verbessert wird, insbesondere während einer Erwärmung. Infolgedessen wird eine Verformung der Verteilerregion aufgrund eines angelegten Drucks oder Gasdrucks, der während des Formens erzeugt wird, verhindert, wodurch eine weitere Verbesserung der Gasabdichtungseigenschaften erreicht wird.
Ferner kann bei der Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 3 die Porengröße innerhalb der Grenzabschnitte des ersten Gasdiffusionselements und des zweiten Gasdiffusionselements nicht mehr als 20 μm betragen.
In einer Zelle für eine Brennstoffzelle gelten im allgemeinen 20 μm oder weniger als Porengröße, bei der das Fließen eines flüssigen Harzes unmöglich wird, und daher kann dadurch, dass man sichergestellt, dass die Porengröße innerhalb der Grenzabschnitte des ersten Gasdiffusionselements und des zweiten Gasdiffusionselements nicht mehr als 20 μm beträgt, eine Durchtränkung der Grenzabschnitte mit dem flüssigen Harz gehemmt werden, wodurch eine günstigere Formbearbeitungsfähigkeit erhalten wird.
Ferner können bei der Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 3 die porösen Durchlassschichten aus einem streifenartig geschnittenen Metall oder Streckmetall bestehen, das innerhalb der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, der Verteilerregion und dem Grenzabschnitt zwischen der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion unterschiedliche Porositäten aufweist.
Das streifenartig geschnittene Metall oder Streckmetall kann so bearbeitet werden, dass die Porosität nach Wunsch variiert, und das Metall kann auch mit der gewünschten Dicke ausgebildet werden. Ferner kann das streifenartig geschnittene Metall oder Streckmetall, da es eben ein Metall ist, auch als Stromsammler fungieren.
Ferner können bei der Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 3 innerhalb der Verteilerregion das erste Gasdiffusionselement, die Anordnung und das zweite Gasdiffusionselement zu einer Einheit integriert sein, eine Dichtung vorgesehen sein, die den Umfangsrand der Verteileröffnung hermetisch abdichtet, und der Umfangsrandabschnitt des ersten Gasdiffusionselements oder des zweiten Gasdiffusionselements, das bis in die Verteilerregion hinein verlängert wurde, kann in Dickenrichtung des Dichtungselements mittig angeordnet sein.
Dadurch, dass der Umfangsrandabschnitt des ersten Gasdiffusionselements oder des zweiten Gasdiffusionselements in Dickenrichtung der Dichtung mittig angeordnet ist, kann die Reaktionskraft, die von dem Harz erzeugt wird, das die Dichtung bildet, gleichmäßig gegen den Druck wirken, der von oberhalb und unterhalb des Dichtungselements angelegt wird, wenn eine Vielzahl der Einheitszellen aneinander gestapelt werden, das heißt, eine Deformierung der Dichtung aufgrund des angelegten Drucks kann verhindert werden. Infolgedessen können die Gasabdichtungseigenschaften einer Brennstoffzelle, die durch Stapeln der Einheitszellen hergestellt wird, weiter verbessert werden.
Gemäß Anspruch 8 ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die durch Stapeln von Zellen für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 hergestellt wird.
Gemäß Anspruch 9 ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die durch Stapeln von Zellen für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 3 hergestellt wird.
Da Zellen mit einer verringerten Anzahl von Komponenten aneinander gestapelt werden, kann die Brennstoffzelle verkleinert werden. Darüber hinaus können die Gasabdichtungseigenschaften verbessert werden, und der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, kann für jede einzelne Zelle der Brennstoffzelle verbessert werden.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Zahl der Bauteile innerhalb einer Brennstoffzelle verringert werden, die Gasabdichtungseigenschaften können verbessert werden, und der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, kann für jede einzelne Zelle der Brennstoffzelle verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
2 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein anderes Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
3 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
4 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
5 ist eine Skizze, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
6 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
7 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
8 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
9 ist eine Draufsicht, die ein Herstellungsbeispiel für eine weitere Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
10 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung in einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
11 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Beispiel für ein Gasdiffusionselement zeigt, das in einer porösen Durchlassschicht verwendet wird.
12 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Streifenschneideinrichtung zeigt, die zur Erzeugung eines Gasdiffusionselements verwendet wird, das in einer porösen Durchlassschicht verwendet wird.
13 ist eine Skizze, die ein Beispiel für die Schritte in einem Verfahren zur Herstellung einer Membran/Elektroden-Anordnung mit integrierter Dichtung zeigt.
14 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein Beispiel für den Aufbau einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
15 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein anderes Beispiel für den Aufbau einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
16 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
17 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
18A ist eine Skizze, die ein Beispiel für die Ausbildung eines Dichtungsabschnitts beschreibt.
18B ist eine Skizze, die ein anderes Beispiel für die Ausbildung eines Dichtungsabschnitts beschreibt.
19 ist eine Skizze, die den Aufbau einer Zelle innerhalb einer Brennstoffzelle und den Mechanismus während der Erzeugung elektrischer Leistung beschreibt.
20 ist eine Teil-Querschnittsansicht, die ein Beispiel für den Aufbau von Bauteilen einer herkömmlichen Brennstoffzelle beschreibt.
21 ist eine Teil-Querschnittsansicht, die ein Beispiel für den Aufbau einer herkömmlichen Membran/Elektroden-Anordnung beschreibt.
Bezugszeichenliste

10A, 10B, 10C, 10D, 20A, 20B, 20C, 20D, 30 und 40: Membran/Elektroden-Anordnung
12: Anordnung
14: Gasdiffusionsschicht
14a, 24a: Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird
14b, 24b: Grenzabschnitt
16: Dichtungselement
18: Verteileröffnung
24, 24A, 24B: poröse Durchlassschicht

BESTE WEISE FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Wie in 1 dargestellt, weist eine Zelle für eine Brennstoffzelle (nachstehend auch als „Einheitszelle” bezeichnet) gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Membran/Elektroden-Anordnung 10A, die aus einer Anordnung 12 mit einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode an einer Elektrolytmembran besteht, und erste und zweite Gasdiffusionsschichten 14 auf, die ein Brenngas und ein Oxidierungsgas zu der Brennstoffelektrode bzw. der Luftelektrode der Anordnung 12 liefern, wobei die Membran/Elektroden-Anordnung 12A zwischen einem Paar Separatoren (in der Figur nicht dargestellt), die nachstehend beschrieben werden, angeordnet ist. In dieser Ausführungsform stellen die Gasdiffusionsschichten die ersten und zweiten Gasdiffusionselemente der vorliegenden Erfindung dar.
Darüber hinaus weist die Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Region auf, in der elektrische Leistung erzeugt wird, die in der Lage ist, elektrische Leistung zu erzeugen und in der die Anordnung 12 und die ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 aneinander laminiert sind, sowie eine Verteilerregion, die am Umfang der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, vorgesehen ist und in der Verteileröffnungen 18 vorgesehen sind, die eine Zirkulation des Brenngases, des Oxidierungsgases und eines Kühlmittels ermöglichen, wobei eine von den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 in die Verteilerregion hinein reicht, und wobei Umfangsrandabschnitte 14c der verlängerten Gasdiffusionsschicht 14 durch Imprägnierung mit einem Flüssigharz hermetisch abgedichtet sind. Außerdem ist ein Dichtungselement 16, das Elastizität besitzt und das durch Härten eines Flüssigharzes ausgebildet wird, um den Umfangsrand jeder Verteileröffnung 18 herum ausgebildet, und der Umfangsrandabschnitt 14c dient auch als Kernmaterial des Dichtungselements 16.
In der Zelle für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform ist die Porosität von Grenzregionen 14b zwischen der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 relativ gering, zumindest im Vergleich zu der Porosität der innerhalb der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 liegenden Region 14a und der Porosität des Umfangsrandabschnitts 14c in der Verteilerregion. Darüber hinaus ist die Porosität der Grenzabschnitte 14b innerhalb der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 vorzugsweise kleiner als die Porosität des Umfangsrandabschnitts 14c in der Verteilerregion der ersten oder zweiten Gasdiffusionsschicht 14. In einer stärker bevorzugten Konfiguration ist die Porengröße innerhalb der Grenzabschnitte 14b zwischen der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion in den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 eine Porengröße, bei der ein Fließen eines Flüssigharzes unmöglich wird, und beträgt in der Regel nicht mehr als 20 μm. Dadurch können die Grenzabschnitte 14b verhindern, dass das Flüssigharz, das die Gasdiffusionsschicht, welche die Verteilerregion bilden soll, durchtränkt, in die Region eindringt, in der elektrische Leistung erzeugt werden soll.
Was die Porengröße in der Region 14a, in der elektrische Leistung erzeugt wird, in den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 betrifft, so wird eine Porengröße gewählt, die 20 μm übertrifft und die in der Lage ist, für eine gute Gaszirkulation zu sorgen. Als Porengröße der Umfangsrandabschnitte 14c der ersten oder zweiten Gasdiffusionsschicht 14 wird ebenfalls eine Porengröße von über 20 μm gewählt, um eine Imprägnierung mit dem Flüssigharz zu ermöglichen, das zur Ausbildung des Verteilers verwendet wird.
Zu Beispielen für Materialien, die als Elektrolytmembran in der oben genannten Anordnung verwendet werden können, gehören Membranen auf Fluor-Basis, wie Nafion (eingetragene Marke, Hersteller DuPont Corporation) und Membranen auf Kohlenwasserstoff-Basis (HC-Membranen). Ferner werden die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode durch Aufbringen eines Elektrodenkatalysators auf einem Träger auf Kohlenstoff-Basis hergestellt. Zu Bespielen für den Elektrodenkatalysator gehören Katalysatoren, die aus Platin oder einer platinhaltigen Legierung gebildet sind, und zu Beispielen für das andere Metall in der platinhaltigen Legierung oder für Metalle, die zusammen mit Platin in dem Katalysator enthalten sein können, gehören Eisen, Cobalt, Nickel, Chrom, Kupfer und Vanadium. Dieser Elektrodenkatalysator liegt auf einem Träger auf Kohlenstoff-Basis.
Zu Beispielen für Materialien, die als erste und zweite Gasdiffusionsschichten 14 verwendet werden können, gehören Papiere, Tuche, Papiere mit hoher Polsterwirkung und poröse Metalle. Ferner können auch Kohlepartikelschichten, die aus Kohlepartikelaggregaten bestehen, die wasserabstoßend wirken, verwendet werden. Zu Beispielen für diese Kohlepartikel gehören Ruß, Graphit und expandierter Graphit, jedoch können Rußmaterialien, wie Ofenruß, Kanalruß, Lampenruß, Thermalruß und Acetylenruß, die eine überlegene Elektronenleitfähigkeit und eine große spezifische Oberfläche aufweisen, mit besonderem Vorteil verwendet werden. Um zu verhindern, dass es zu einer Auswaschung und dergleichen innerhalb der Brennstoffzelle kommt, wird ferner in der Regel ein Wasserabstoßungsmittel zu den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 hinzugefügt, und zu Beispielen für dieses Wasserabstoßungsmittel gehören Polymermaterialien auf Fluor-Basis, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyhexafluorpropylen und Copolymere von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (FEP), ebenso wie Polypropylen und Polyethylen.
Zu Beispielen für das Flüssigharz, das für die Ausbildung der oben genannten Dichtungselemente 16 verwendet wird, gehören duroplastische Harze auf Silicium-Basis und thermoplastische Harze.
In der vorliegenden Ausführungsform muss in den Umfangsrandabschnitten 14c der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht 14, die in die Verteilerregion hinein reicht, kein Wasserabstoßungsmittel zugegeben werden, das heißt, die Porengröße kann beibehalten werden und die Affinität mit dem eingetränkten Flüssigharz kann verbessert werden.
Zweite Ausführungsform
2 zeigt den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung 10B einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Aufbau dieser Membran/Elektroden-Anordnung 10B der zweiten Ausführungsform ist der gleiche wie derjenige der Membran/Elektroden-Anordnung 10A der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass in der Membran/Elektroden-Anordnung 10A der ersten Ausführungsform nur die Endabschnitte einer der Gasdiffusionsschichten 14 bis in die Verteilerregion hinein reichten, aber in der Membran/Elektroden-Anordnung 10B der zweiten Ausführungsform ein Endabschnitt von sowohl der ersten als auch der zweiten Gasdiffusionsschicht 14 bis in die Verteilerregion hinein reicht, und die Umfangsrandabschnitte 14c der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 so ausgebildet sind, dass sie einander nicht überschneiden.
In den ersten und zweiten Ausführungsformen sind die verlängerten Umfangsrandabschnitte 14c der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 so ausgebildet, dass sie einander nicht überschneiden, aber in den Fällen, wo die Elektrolytmembran auf ähnliche Weise ebenfalls verlängert ist, oder eine Folie (in der Figur nicht dargestellt) zwischen den beiden Gasdiffusionsschichten angeordnet ist, um eine zuverlässige elektrische Isolierung sicherzustellen, können die beiden Umfangsrandabschnitte 14c der beiden Gasdiffusionsschichten 14 in einer überlappenden Anordnung ausgebildet werden.
Dritte Ausführungsform
3 zeigt den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung 10C einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Aufbau dieser Membran/Elektroden-Anordnung 10C der dritten Ausführungsform ist der gleiche wie derjenige der Membran/Elektroden-Anordnung 10A der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass in der Membran/Elektroden-Anordnung 10A der ersten Ausführungsform die Endabschnitte der Anordnung 12 nur so weit über die Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, hinaus reichen, wie die Grenzabschnitte gehen, aber in der Membran/Elektroden-Anordnung 10C der dritten Ausführungsform beide Endabschnitte der Anordnung 12 über den entsprechenden Grenzabschnitt hinaus und bis in die Verteilerregion hinein reichen.
Vierte Ausführungsform
4 zeigt den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung 10D einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform. Der Aufbau dieser Membran/Elektroden-Anordnung 10D der vierten Ausführungsform ist der gleiche wie derjenige der Membran/Elektroden-Anordnung 10B der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass in der Membran/Elektroden-Anordnung 10B der zweiten Ausführungsform die Endabschnitte der Anordnung 12 nur so weit über die Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, hinaus reichen, wie die Grenzabschnitte gehen, aber in der Membran/Elektroden-Anordnung 10D der vierten Ausführungsform beide Endabschnitte der Anordnung 12 über den entsprechenden Grenzabschnitt hinaus und in die Verteilerregion hinein reichen.
In den oben beschriebenen dritten und vierten Ausführungsformen zeigt die Anordnung 12 im Allgemeinen einen hohen Grad an Affinität mit dem Flüssigharz, das verwendet wird, um die Verteilerregion hermetisch abzudichten, und daher kann der Abschnitt der Anordnung, der in die Verteilerregion hinein reicht, an das Flüssigharz gebunden werden, wodurch die Bindungszuverlässigkeit der Zelle für eine Brennstoffzelle verbessert wird.
Fünfte Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform mit Bezug auf 5. Diejenigen Bauteile, die den Komponenten der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsformen gleich sind, werden anhand der gleichen Symbole bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird hier verzichtet.
Wie in 5 dargestellt, weist die Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform eine Membran/Elektroden-Anordnung 20A, die aus einer Anordnung 12 mit einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode auf einer Elektrolytmembran besteht, erste und zweite Gasdiffusionsschichten 14, die ein Brenngas und ein Oxidierungsgas zur Brennstoffelektrode bzw. zur Luftelektrode in der Anordnung 12 liefern, und erste und zweite poröse Durchlassschichten 24, die an die ersten bzw. zweiten Gasdiffusionsschichten 14 laminiert sind, auf, wobei die Membran/Elektroden-Anordnung 20A zwischen einem Paar Separatoren (in der Figur nicht dargestellt), die nachstehend beschrieben sind, angeordnet ist. In dieser Ausführungsform stellen die porösen Durchlassschichten die ersten und zweiten Gasdiffusionselemente der vorliegenden Erfindung dar.
Darüber hinaus weist die Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf: eine Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, die in der Lage ist, elektrische Leistung zu erzeugen, und in der die Anordnung 12 und die ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 14 aneinander laminiert sind, und eine Verteilerregion, die am Umfang der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, vorgesehen ist und in der Verteileröffnungen 18 vorgesehen sind, die eine Zirkulation des Brenngases, des Oxidierungsgases und eines Kühlmittels ermöglichen, wobei eine der ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24 in die Verteilerregion hinein reicht und Umfangsrandabschnitte 24c der verlängerten porösen Durchlassschicht 24 durch Imprägnieren mit einem Flüssigharz hermetisch abgeschlossen sind. Außerdem ist ein Dichtungselement 16, das Elastizität besitzt und das durch Härten eines Flüssigharzes ausgebildet wird, um den Umfang jeder Verteileröffnung 18 herum ausgebildet, und der Umfangsrandabschnitt 24 fungiert auch als Kernmaterial für das Dichtungselement 16.
In der Zelle für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform ist die Porosität von Grenzabschnitten 24b zwischen der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion in den ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24 relativ gering, zumindest im Vergleich mit den Porositäten der Region 24a, in der elektrische Leistung erzeugt wird, innerhalb der ersten und zweiten porösen Gadurchlassschichten 24 und der Porosität des Umfangsrandabschnitts 24c in der Verteilerregion. Darüber hinaus ist die Porosität der Grenzabschnitte 24b innerhalb der ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24 vorzugsweise kleiner als die Porosität des Umfangsrandabschnitts 24c in der Verteilerregion der ersten oder zweiten porösen Durchlassschichten 24. In einer stärker bevorzugten Gestaltung ist die Porengröße innerhalb der Grenzabschnitte 24b zwischen der Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion in den ersten und zweiten Durchlassschichten 24 eine Porengröße, bei der das Fließen eines flüssigen Harzes unmöglich wird, und liegt im allgemeinen bei nicht über 20 μm. Dadurch können vorteilhafte Gasabdichtungseigenschaften von den Grenzabschnitten 24b erreicht werden, und es wird auch verhindert, dass das Flüssigharz, das in die Gasdiffusionsschicht, welche die Verteilerregion bilden soll, eingetränkt wird, in die Region eindringt, in der elektrische Leistung erzeugt wird.
Was die Porengröße in der Region 24a, in der elektrische Leistung erzeugt wird, in den ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24 betrifft, so wird eine Porengröße ausgewählt, die mehr als 20 μm beträgt und die in der Lage ist, günstige Gaszirkulations- und Wasserabfuhreigenschaften zu schaffen. Als Porengröße der Umfangsrandabschnitte 24c der ersten oder zweiten porösen Durchlassschichten 24 wird ebenfalls eine Porengröße gewählt, die 20 μm übertrifft, um eine Imprägnierung mit dem Flüssigharz, das zur Ausbildung des Verteilers verwendet wird, zu ermöglichen.
Die porösen Durchlassschichten 24 können beispielsweise unter Verwendung des in 11 dargestellten streifenartig geschnittenen Metalls oder Streckmetalls gebildet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet der Ausdruck „streifenartig geschnittenes Metall” ein flaches, dünnes Metallblech, in dem aufeinander folgende Zickzackschnitte in dem Blech ausgebildet wurden, und diese Schnitte so gedrückt und gebogen wurden, dass sie ein Netzwerk aus Durchgangsbohrungen von engem Durchmesser in dem Metall bilden. Der Ausdruck „Streckmetall” beschreibt ein flaches, dünnes Metallblech, in dem aufeinander folgende Zickzackschnitte in dem Blech ausgebildet wurden, diese Schnitte dann so gedrückt und gebogen wurden, dass ein Netzwerk aus Durchgangsbohrungen von engem Durchmesser in dem Metall gebildet wurden, und das Metallblech dann gewalzt wurde, um ein im Wesentliches flaches Blech zu bilden. Da ein Streckmetallblech als im Wesentlichen flaches Blech geformt wird, müssen keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte zur Entfernung unerwünschter Biegungen oder Unregelmäßigkeiten in dem fertigen geformten Produkt durchgeführt werden, was bedeutet, dass die Produktionskosten gesenkt werden können.
Ferner kann in den Fällen, wo die porösen Durchlassschichten 24 der vorliegenden Ausführungsform auch als Stromsammler fungieren, jedes Metall verwendet werden, vorausgesetzt, es ist der metallische Werkstoff, der für die nachstehend beschriebenen Metallseparatoren verwendet wird, obwohl ein Material mit einem bestimmten Grad an Starrheit bevorzugt ist, das in der Lage ist, dem Druck standzuhalten, der angelegt wird, wenn eine Vielzahl der oben beschriebenen Zellen gestapelt und während der Herstellung einer Brennstoffzelle zusammengepresst wird, wodurch sichergestellt wird, dass ein vorgegebener Grad an Gaszirkulation möglich bleibt. Beispielsweise ist Titan, Edelstahl oder Aluminium bevorzugt. In den Fällen, wo ein Edelstahl- oder Aluminiumwerkstoff verwendet wird, wird vorzugsweise eine Oberflächenbehandlung im Anschluss an die nachstehend beschriebene Kanalausbildungs- oder Streifenschneidebearbeitung durchgeführt, wodurch der Metalloberfläche eine überlegene Korrosionsfestigkeit und Leitfähigkeit mitgeteilt wird.
Sechste Ausführungsform
6 zeigt den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung 20B einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform. Der Aufbau dieser Membran/Elektroden-Anordnung 20B der sechsten Ausführungsform ist der gleiche wie derjenige der Membran/Elektroden-Anordnung 20A der in 5 dargestellten fünften Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass in der Membran/Elektroden-Anordnung 20A der fünften Ausführungsform nur die Endabschnitte einer der porösen Duchlassschichten 24 in die Verteilerregion hinein reichten, aber in der Membran/Elektroden-Anordnung 20B der sechsten Ausführungsform ein Endabschnitt sowohl der ersten als auch der zweiten porösen Durchlassschichten 24 in die Verteilerregion hineinreicht, und die Umfangsrandabschnitte 24c der ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24 so ausgebildet sind, dass sie einander nicht überschneiden.
In den fünften und sechsten Ausführungsformen sind die verlängerten Umfangsrandabschnitte 24c der ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24 so ausgebildet, dass sie einander nicht überschneiden, aber in den Fällen, wo die Imprägnierungseigenschaften des Flüssigharzes innerhalb der Umfangsrandabschnitte 24c günstig sind und zufriedenstellende Gasabdichtungseigenschaften sichergestellt werden können, können die Umfangsrandabschnitte 24 der beiden porösen Durchlassschichten 24 in einer überschneidenden Anordnung ausgebildet werden. In solchen Überschneidungsstrukturen stellt die Dicke der MEA-Anordnung 12 einen zufriedenstellenden Abstand zwischen den beiden porösen Durchlassschichten sicher, und daher muss nicht unbedingt eine Membran oder eine Folie zwischen den beiden porösen Durchlassschichten vorgesehen werden, vorausgesetzt, dass entweder das Formen so durchgeführt wird, dass die beiden Schichten einander nicht berühren, oder vorab eine Isolierbehandlung innerhalb der Verteilerregion einer der Schichten durchgeführt wird.
Siebte Ausführungsform
7 zeigt den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung 20C einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform. Der Aufbau dieser Membran/Elektroden-Anordnung 20C der siebten Ausführungsform ist der gleiche wie derjenige der Membran/Elektroden-Anordnung 20A der in 5 dargestellten fünften Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass in der Membran/Elektroden-Anordnung 20A der fünften Ausführungsform die Endabschnitte der Anordnung 12 nur so weit über die Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, hinaus reichen, wie die Grenzabschnitte gehen, aber in der Membran/Elektroden-Anordnung 20C der siebten Ausführungsform beide Endabschnitte der Anordnung 12 über den entsprechenden Grenzabschnitt hinaus und bis in die Verteilerregion hinein reichen.
Achte Ausführungsform
8 zeigt den Aufbau einer Membran/Elektroden-Anordnung 20D einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform. Der Aufbau dieser Membran/Elektroden-Anordnung 20D der achten Ausführungsform ist der gleiche wie derjenige der Membran/Elektroden-Anordnung 20B der in 6 dargestellten sechsten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass in der Membran/Elektroden-Anordnung 20B der sechsten Ausführungsform die Endabschnitte der Anordnung 12 nur so weit über die Region, in der elektrische Leistung erzeugt wird, hinaus reichen, wie die Grenzabschnitte gehen, aber in der Membran/Elektroden-Anordnung 20D der achten Ausführungsform beide Endabschnitte der Anordnung 12 über den entsprechenden Grenzabschnitt hinaus und in die Verteilerregion hinein reichen.
In den oben beschriebenen siebten und achten Ausführungsformen zeigt die Anordnung 12 im Allgemeinen einen hohen Grad an Affinität mit dem Flüssigharz, das verwendet wird, um die Verteilerregion hermetisch abzudichten, und daher kann der Abschnitt der Anordnung, der in die Verteilerregion hinein reicht, an das Flüssigharz gebunden werden, wodurch die Bindungszuverlässigkeit der Zelle für eine Brennstoffzelle verbessert wird.
Neunte Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung einer Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer neunten Ausführungsform mit Bezug auf 9. Diejenigen Bauteile, die den Komponenten der ersten bis achten Ausführungsformen gleich sind, werden anhand der gleichen Symbole bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird hier verzichtet.
Wie in 9 dargestellt, sind Umfangsrandabschnitte 24c von ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24A und 24B so geformt, dass sie sich in voneinander verschiedenen Richtungen erstrecken, ohne einander innerhalb der Verteilerregion zu überschneiden. Wie in 9 dargestellt, ist darüber hinaus eine vorläufige Membran/Elektroden-Anordnung, die an beiden Oberflächen einer Anordnung 12 ausgebildete Gasdiffusionsschichten 14 aufweist, innerhalb einer Region 24a, in der elektrische Leistung erzeugt wird, in jeder der ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24A und 24B angeordnet, und eine Membran/Elektroden-Anordnung 30 ist durch Anordnen dieser vorläufigen Membran/Elektroden-Anordnung zwischen den ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24A und 24B ausgebildet. Der Querschnittsaufbau der Membran/Elektroden-Anordnung 30 dieser Ausführungsform ist der gleiche wie der Aufbau der Membran/Elektroden-Anordnung 20A, die in 5 dargestellt ist.
Da die ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24A und 24B der Anodenseite und der Kathodenseite auf die oben beschriebene Weise ausgebildet werden, können gemäß der vorliegenden Ausführungsform Kurzschlüsse oder ein Gasaustritt zwischen der Anode und der Kathode verhindert werden, und die Produktivität kann ebenfalls verbessert werden. Die ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24A und 24b können außerdem die Kathodenseite bzw. die Anodenseite in einer Anordnung, die der oben beschriebenen entgegengesetzt ist, darstellen.
In den Fällen, wo ein streifenartig geschnittenes Metall oder dergleichen als die oben beschriebenen ersten und zweiten porösen Durchlassschichten 24A und 24B verwendet wird, können die Schichten unter Verwendung der Art von Streifenschneideinrichtung 50, die in 12 dargestellt ist, gebildet werden.
In der in 12 dargestellten Streifenschneideinrichtung 50 sind Streifenschneidklingen 52, die eine auf- und abwärts bewegte Streifenschneidklinge 52a zur Erzeugung kerbenartiger Einschnitte sowie eine feststehende Klinge 52b umfassen, an der in Zufuhrrichtung einer Metallplatte 26, die einer Streifentrennung unterzogen werden soll, führenden Kante vorgesehen. Die feststehende Klinge 52b ist an der in Zufuhrrichtung der Metallplatte 26 führenden Kante an der Streifenschneideinrichtung 50 befestigt, und das streifenartig geschnittene Metall 54, in dem Kerben ausgebildet sind, wird an der Außenfläche der feststehenden Klinge 52b gebildet. Somit kann in der Streifenschneideinrichtung 50 durch Steuern der Zufuhrrate der Metallplatte 26 und des Fallwegs, über den die Kerben erzeugende Streifenschneidklinge 52a gesenkt wird, die Porosität jeder Region des streifenartig geschnittenen Metalls geändert werden. Anders ausgedrückt werden, wenn der Umfangsrandabschnitt 24c gebildet wird, zuerst die Zufuhrrate der Metallplatte 26 und der Fallweg für die Kerben erzeugende Streifenschneidklinge 52a beispielsweise so angepasst, dass die Porengröße mehr als 20 μm beträgt und der Öffnungsgrad ausreicht, um eine Imprägnierung durch ein Flüssigharz zu ermöglichen. Wenn dann der Grenzabschnitt 24b ausgebildet wird, werden die Zufuhrrate für die Metallplatte 26 und der Fallweg für die Kerben erzeugende Streifenschneidklinge 52a beispielsweise so angepasst, dass die Porengröße nicht mehr als 20 μm beträgt, und wenn anschließend die Region 24a gebildet wird, in der elektrische Leistung erzeugt wird, werden die Zufuhrrate für die Metallplatte 26 und der Fallweg für die Kerben erzeugende Streifenschneidklinge 52a beispielsweise so angepasst, dass die Porengröße mehr als 20 μm beträgt und der Öffnungsgrad ausreicht, um zufriedenstellende Gaszirkulations- und Wasserabfuhreigenschaften sicherzustellen. Dadurch, dass anschließend der andere Grenzabschnitt 24b und der Umfangsrandabschnitt 24c durch Anpassen des Öffnungsgrads in der oben beschriebenen Art und Weise ausgebildet werden, kann eine poröse Durchlassschicht 24A gebildet werden, die Regionen mit unterschiedlichen Porositäten aufweist. Die Grenzabschnitte 24b können auch als Strukturen ausgebildet werden, in denen im Wesentlichen keine Poren vorhanden sind, indem die Metallplatte 26 vorgeschoben wird, während der Streifenschneidevorgang vorübergehend angehalten wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine einzige Streifenschneidrichtung in den porösen, Regionen mit unterschiedlichen Porositäten aufweisenden Durchlassschichten 24A und 24B verwendet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Gestaltung beschränkt, und die porösen Durchlassschichten 24A und 24B können beispielsweise anhand der Streifenschneideinrichtung 50 erzeugt werden, um ein streifenartig geschnittenes Metall, in dem die Region 24a, in der elektrische Leistung erzeugt wird, und die Grenzabschnitte 24b an deren beiden Enden sowie ein streifenartig geschnittenes Metall, in dem die beiden Umfangsrandabschnitte 24c ausgebildet sind, getrennt voneinander zu erzeugen und dann diese beiden separaten streifenartig geschnittenen Metalle miteinander zu verbinden (beispielsweise durch Verschweißen), so dass sie unterschiedliche Streifenschneidrichtungen zeigen.
Zehnte Ausführungsform
Nun wird eine Zelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer zehnten Ausführungsform mit Bezug auf 10 beschrieben. Diejenigen Bauteile, die den Bauteilen der ersten bis neunten Ausführungsformen gleich sind, werden anhand der gleichen Symbole bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird hier verzichtet.
Wenn die Enden der Umfangsrandabschnitte 24c einer der porösen Durchlassschichten 24 mit einem Flüssigharz imprägniert werden und anschließend die Dichtungselemente 16 ausgebildet werden, wird in dieser in 10 dargestellten Ausführungsform jeder Umfangsrandabschnitt 24c vorab derart verformt, dass das Ende des Umfangsrandabschnitts 24c in Dickenrichtung des Dichtungselements 16 mittig angeordnet wird. Der mittig angeordnete Umfangsrandabschnitt 24c der porösen Durchlassschicht 24 fungiert als Verstärkungsschicht, und wenn die Einheitszellen zur Bildung eines Stapels verwendet werden, macht er es möglich, dass die Reaktionskraft, die von dem Harz erzeugt wird, welches das Dichtungselement 16 bildet, gleichmäßig gegen den Druck wirkt, der von oberhalb und unterhalb des Dichtungselements 16 angelegt wird, das heißt, dass eine Deformierung des Dichtungselements 16 aufgrund des angelegten Drucks verhindert werden kann. Infolgedessen können die Gasabdichtungseigenschaften einer Brennstoffzelle, die durch Stapeln der Einheitszellen hergestellt wird, weiter verbessert werden.
In 10 wurden die Umfangsrandabschnitte 24c der porösen Durchlassschichten 24 verformt, um Verstärkungsschichten innerhalb der Dichtungselemente 16 auszubilden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Gestaltung beschränkt, und beispielsweise können die Umfangsrandabschnitte 14c von Gasdiffusionsschichten 14, wie diejenigen, die in 1 dargestellt sind, deformiert werden, um die Verstärkungsschichten zu bilden. Die Dicke der porösen Durchlassschicht 24, die anhand eines streifenartig geschnittenen Metalls oder dergleichen ausgebildet wird, liegt in der Regel bei 0,2 bis 0,3 mm, und da diese Dicke erheblich größer ist als die Dicke der in 1 dargestellten Gasdiffusionsschicht 14 von 100 bis 280 μm, ist die poröse Durchlassschicht 24 eine ideale Verstärkungsschicht. Darüber hinaus können in den Fällen, wo die poröse Durchlassschicht 24 unter Verwendung eines streifenartig geschnittenen Metalls gebildet wird, die oben genannten verformten Umfangsrandabschnitte 24c durch Durchführen einer zusätzlichen Biegeverformung zu Beginn und am Ende des Streifenschneidverfahrens anhand der oben beschriebenen Streifenschneideinrichtung 50 (12) ausgebildet werden.
Ein Beispiel für ein Verfahren zur Durchführung der Flüssigharzimprägnierung und einstückigen Formung der Membran/Elektroden-Anordnung der ersten bis zehnten Ausführungsformen wird nachstehend mit Bezug auf 13 beschrieben. 13 zeigt ein Beispiel, in dem ein Spritzgießen unter Verwendung einer Gießform, wie ein Flüssigkeits-Spritzgießen (LIM) verwendet wird. Ein duroplastisches Harz auf Silicium-Basis oder ein thermoplastisches Harz kann als ein nachstehend beschriebenes LIM-Material 60 verwendet werden. Um die folgende Beschreibung zu vereinfachen, werden ferner die Membran/Elektroden-Anordnungen 10A bis 10D, 20A bis 20D, 30 und 40 aus den ersten bis zehnten Ausführungsformen mit der übergeordneten Bezeichnung „Membran/Elektroden-Anordnung 70'' benannt.
Zuerst wird das LIM-Material 60, das aus der Art von Material besteht, die oben für die Ausbildung der Dichtungselemente beschrieben wurde, in eine Einspritzeinheit 54 eingewogen, die Membran/Elektroden-Anordnung 70 wird durch Festlegen der Umfangsrandabschnitte der Membran/Elektroden-Anordnung 70 anhand einer Fixierungseinheit 62 innerhalb der Form angeordnet, und das Innere der Gießform wird dann unter Verwendung von Druckentlastungsrohren 58 evakuiert, um die Luft aus dem Inneren der Gießform zu entfernen (S110).
Sobald das Innere der Form den benötigten Unterdruckzustand erreicht hat, wird anschließend die Drucksenkung angehalten, ein Kolben 55 der Einspritzeinheit 54 wird aktiviert, und das LIM-Material 60 wird durch Einspritzrohre 56, 56a und 56b in Formabschnitte 80a und 80b eingespritzt, die zur Ausbildung der Dichtungselemente verwendet werden (S120). Im Anschluss an die Fertigstellung der Befüllung der Dichtelemente bildenden Formabschnitte 80a und 80b mit dem LIM-Material 60 wird das LIM-Material 60 einer Wärmehärtung unterzogen (S130). Dadurch wird die Ausbildung einer Membran/Elektroden-Anordnung mit integriertem Dichtungselement abgeschlossen.
Nun folgt eine Beschreibung eines Beispiels für die Struktur einer Einheitszelle mit Bezug auf 14. In der in 14 dargestellten Einheitszelle ist die in 5 dargestellte Membran/Elektroden-Anordnung 20A zwischen einem Paar Separatoren 22 angeordnet. In diesem Beispiel ist die Oberfläche jedes flachen Separators 22, der die Membran/Elektroden-Anordnung 20A (5) berührt, eine flache Oberfläche.
Seit einigen Jahren werden Metallseparatoren aufgrund ihrer überlegenen Haltbarkeit in großem Umfang als Brennstoffzellen-Separatoren verwendet, und diese Metallseparatoren müssen eine Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit aufweisen. Titanseparatoren sind ein Beispiel für ein Metall, das in der Lage ist, diese Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit zu erreichen. Jedoch weist Titan ein hohes Maß an Starrheit auf und kann nicht so leicht wie Edelstahl durch Druck bearbeitet werden, was bedeutet, dass die Durchlässe anhand von anderen Verfahren als Pressen ausgebildet werden müssen. Somit wurden Strukturen vorgeschlagen, in denen flache Titanseparatoren verwendet werden und Durchlässe zwischen diesen flachen Separatoren und den Gasdiffusionsschichten anhand von porösen Materialien gebildet werden. Die oben beschriebenen streifenartig geschnittenen Metalle und Streckmetalle werden als Durchlassschichten aus pseudo-porösem Material verwendet.
Die oben beschriebene Einheitszelle wurde anhand der in 5 dargestellten Membran/Elektroden-Anordnung 20A beschrieben, aber die Erfindung ist nicht auf diese Gestaltung beschränkt, und die in 6, 9 und 10 dargestellten Membran/Elektroden-Anordnungen 20B, 30 und 40 können ebenfalls verwendet werden.
Ferner ist ein anderes Beispiel für eine Einheitszellenstruktur in 15 dargestellt. In der in 15 dargestellten Einheitszelle ist die in 7 dargestellte Membran/Elektroden-Anordnung 20C zwischen einem Paar flacher Separatoren 22 angeordnet. In diesem Beispiel ist die Oberfläche jedes flachen Separators 22, die die Membran/Elektroden-Anordnung 20C (7) berührt, eine flache Oberfläche. Darüber hinaus ist die Erfindung, obwohl diese Einheitszelle anhand der in 7 dargestellten Membran/Elektroden-Anordnung 20C beschrieben wurde, nicht auf diese Gestaltung beschränkt, und die in 8 dargestellte Membran/Elektroden-Anordnung 20D kann ebenfass verwendet werden.
Ferner ist in 16 ein weiteres Beispiel für die Struktur einer Einheitszelle dargestellt. In der in 16 dargestellten Einheitszelle ist die in 1 dargestellte Membran/Elektroden-Anordnung 10A zwischen einem Paar Separatoren 28 angeordnet. Reaktionsgasleitungen 32, 34 sind in dem Paar Separatoren 28 ausgebildet, und Kühlmittelleitungen (in der Figur nicht dargestellt) sind in der Oberfläche ausgebildet, die der Oberfläche, in der die Reaktionsgasleitungen 32, 34 ausgebildet sind, gegenüber liegt.
Die Separatoren 28 werden unter Verwendung eines metallischen Werkstoffs, wie eines Edelstahl- oder Aluminiumwerkstoffs, ausgebildet.
Obwohl diese Einheitszelle anhand der in 1 dargestellten Membran/Elektroden-Anordnung 10A beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt, und die in 2 dargestellte Membran/Elektroden-Anordnung 10B kann ebenfalls verwendet werden.
Ferner ist ein weiteres Beispiel für eine Einheitszellenstruktur in 17 dargestellt. In der in 17 dargestellten Einheitszelle ist die in 3 dargestellte Membran/Elektroden-Anordnung 10C zwischen einem Paar flacher Separatoren 22 angeordnet. In diesem Beispiel weist die Oberfläche jedes Separators 28, der die Membran/Elektroden-Anordnung 10C (3) berührt, die Reaktionsgasleitungen 32, 34 auf. Darüber hinaus ist die Erfindung, obwohl diese Einheitszelle anhand der in 3 dargestellten Membran/Elektroden-Anordnung 10C beschrieben wurde, nicht auf diese Gestaltung beschränkt, und die in 4 dargestellte Membran/Elektroden-Anordnung 10D kann ebenfalls verwendet werden.
Ferner können die Grenzabschnitte 24e und 24f der porösen Durchlassschichten 24, 24A und 24B in den Membran/Elektroden-Anordnungen 20A bis 20D, 30 und 40 der oben beschriebenen fünften bis zehnten Ausführungsformen vorab abgedichtet werden, wie in 18A und 18B dargestellt. Dadurch kann die Durchtränkung der porösen Durchlassschichten 24, 24A und 24B mit übermäßigen Mengen an Flüssigharz während der Ausbildung der Dichtungselemente vermieden werden, wodurch eine wirksame Elektrodenoberfläche aufrechterhalten werden kann. Bei der Durchführung dieser Abdichtung kann ferner der Grenzabschnitt 24e durch Pressen ausgebildet werden, oder ein Verfahren wie Löten, Schweißen oder Siebdrucken kann angewendet werden, um den Grenzabschnitt 24f vorab mit einem eigenen Harz zu imprägnieren. Ferner werden vorzugsweise auf ähnliche Weise diejenigen Seiten der porösen Durchlassschicht, wo keine Verteileröffnung ausgebildet ist, vorab anhand eines Press-, Löt-, Schweiß- oder Siebdruckverfahrens abgedichtet, um den Rand der Schicht mit einem eigenen Harz zu imprägnieren, wodurch ein abgedichteter Abschnitt gebildet wird. Dadurch kann eine übermäßige Eintränkung des Flüssigharzes vermieden werden, wodurch eine wirksame Elektrodenoberfläche aufrechterhalten werden kann.
Darüber hinaus kann eine Brennstoffzelle durch Stapeln der oben beschriebenen Einheitszellen gebildet werden. Da Zellen mit einer verringerten Zahl von Bauteilen gestapelt werden, kann die Größe der Brennstoffzelle reduziert werden, und außerdem können die Gasabdichtungseigenschaften verbessert werden und der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, kann für jede einzelne Zelle der Brennstoffzelle verbessert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben ausführlich beschrieben wurde, ist der Umfang der vorliegenden Erfindung keinesfalls auf die obige Beschreibung beschränkt.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Eine Zelle für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung sind für alle Arten von Anwendungen von Vorteil, in denen Brennstoffzellen verwendet werden, und sie können besonders vorteilhaft in Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuge verwendet werden.

Claims

Zelle für eine Brennstoffzelle, eine Anordnung (12) mit einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, die an einer Elektrolytmembran vorgesehen sind, ein erstes Gasdiffusionselement (14), das ein Brenngas zur Brennstoffelektrode liefert, ein zweites Gasdiffusionselement (14), das ein Oxidierungsgas zur Luftelektrode liefert, und ein Paar Separatoren (28), zwischen denen das erste Gasdiffusionselement (14), die Anordnung (12) und das zweite Gasdiffusionselement (14) angeordnet sind, aufweisend, wobei die Zelle für eine Brennstoffzelle eine Region (14a), in der elektrische Leistung erzeugt wird und in der die Anordnung (12) angeordnet ist, und eine Verteilerregion aufweist, die an einem Umfang der Region (14a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, angeordnet ist und in der Verteileröffnungen (18) ausgebildet sind, um den Durchtritt des Brenngases, des Oxidierungsgases und eines Kühlmittels zu ermöglichen, wobei wenigstens eines des ersten Gasdiffusionselements (14) und des zweiten Gasdiffusionselements (14) in die Verteilerregion hinein reicht und durch Imprägnieren mit einem Flüssigharz hermetisch abgedichtet ist, und wobei eine Porosität eines Grenzabschnitts (14b) zwischen der Region (14a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion im ersten Gasdiffusionselement (14) und im zweiten Gasdiffusionselement (14) geringer ist als eine Porosität der Verteilerregion innerhalb des ersten Gasdiffusionselements (14) und des zweiten Gasdiffusionselements (14).
Zelle für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anordnung (12) in die Verteilerregion hinein reicht und an ein Flüssigharz gebunden ist, das eine hermetische Dichtung bildet.
Zelle für eine Brennstoffzelle, eine Anordnung (12) mit einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, die an einer Elektrolytmembran vorgesehen sind, ein erstes Gasdiffusionselement (24), das ein Brenngas zur Brennstoffelektrode liefert, ein zweites Gasdiffusionselement (24), das ein Oxidierungsgas zur Luftelektrode liefert, und ein Paar Separatoren (22), zwischen denen das erste Gasdiffusionselement (24), die Anordnung (12) und das zweite Gasdiffusionselement (24) angeordnet sind, aufweisend, wobei die Zelle für eine Brennstoffzelle eine Region (24a), in der elektrische Leistung erzeugt wird und in der die Anordnung (12) angeordnet ist, und eine Verteilerregion aufweist, die an einem Umfang der Region (24a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, angeordnet ist und in der Verteileröffnungen (18) ausgebildet sind, um den Durchtritt des Brenngases, des Oxidierungsgases und eines Kühlmittels zu ermöglichen, wobei wenigstens eines des ersten Gasdiffusionselements (24) und des zweiten Gasdiffusionselements (24) in die Verteilerregion hinein reicht und durch Imprägnieren mit einem Flüssigharz hermetisch abgedichtet ist, wobei eine Porosität eines Grenzabschnitts (24b) zwischen der Region (24a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion im ersten Gasdiffusionselement (24) und im zweiten Gasdiffusionselement (24) geringer ist als eine Porosität der Verteilerregion innerhalb des ersten Gasdiffusionselements (24) und des zweiten Gasdiffusionselements (24), wobei die Separatoren (22) flache Separatoren sind, in denen eine Oberfläche, die auf die Anordnung (12) gerichtet ist, eine flache Oberfläche ist, und wobei das erste Gasdiffusionselement (24) und das zweite Gasdiffusionselement (24) poröse Durchlassschichten sind, die zwischen den flachen Separatoren (22) und Gasdiffusionsschichten (14), die an der Brennstoffelektrode bzw. der Luftelektrode vorgesehen sind, angeordnet sind.
Zelle für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die Anordnung (12) in die Verteilerregion hinein reicht und an ein Flüssigharz gebunden ist, das eine hermetische Dichtung bildet.
Zelle für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei eine Porengröße innerhalb der Grenzabschnitte (24b) des ersten Gasdiffusionselements (24) und des zweiten Gasdiffusionselements (24) nicht mehr als 20 μm beträgt.
Zelle für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die porösen Durchlassschichten aus einem streifenartig geschnittenen Metall oder Streckmetall gebildet sind, das innerhalb der Region (24a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, der Verteilerregion und dem Grenzabschnitt (24b) zwischen der Region (24a), in der elektrische Leistung erzeugt wird, und der Verteilerregion unterschiedliche Porositäten aufweist.
Zelle für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das erste Gasdiffusionselement (14), die Anordnung (12) und das zweite Gasdiffusionselement (14) innerhalb der Verteilerregion zu einer Einheit integriert sind und ein Dichtungselement (16) vorgesehen ist, das den Umfang der Verteileröffnung hermetisch abdichtet, und wobei ein Umfangsrandabschnitt (14c) des ersten Gasdiffusionselements (14) oder des zweiten Gasdiffusionselements (14), das in bis in die Verteilerregion hinein reicht, in Dickenrichtung des Dichtungselements (16) mittig angeordnet ist.
Brennstoffzelle, die durch Stapeln der Zelle für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 erhalten wird.
Brennstoffzelle, die durch Stapeln der Zelle für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3 erhalten wird.