DE112008002218T5 - Brennstoffeinzelzelle - Google Patents

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Fumishige Toyota-shi Shizuku
Hiroshi Toyota-shi Nishiyama
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Abstract

Brennstoffeinzelzelle, die einen Membranelektrodenaufbau und ein Paar von Separatoren umfasst, wobei in dem Aufbau eine Anodenelektrode, die eine Anodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer ersten Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine Kathodenelektrode, die eine Kathodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer zweiten Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist,
wobei die Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran eine Größe und Gestalt aufweist, die geringfügig kleiner ist als jene der Festpolymerelektrolytmembran und jene der Gasdiffusionsschicht, und ein äußerer peripherer Randabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran und der der Gasdiffusionsschicht aus der Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht hervorstehen und zueinander ausgerichtet sind;
wobei eine rahmenförmige Schutzschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, die einen ersten Teil aufweist, der zwischen dem äußeren peripheren Randabschnitt der Elektrolytmembran und dem der Gasdiffusionsschicht vorhanden ist, welche zueinander ausgerichtet sind, und einen zweiten Teil, der die...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffeinzelzelle.
  • Hintergrund des Stands der Technik
  • Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um, indem ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel zwei elektrisch verbundenen Elektroden zugeführt werden und eine elektrochemische Oxidation des Brennstoffs bewirkt wird. Im Gegensatz zur thermischen Energiegewinnung sind Brennstoffzellen nicht durch den Carnot-Kreisprozess eingeschränkt, so dass sie einen hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung aufweisen können. Im Allgemeinen wird eine Brennstoffzelle durch Stapeln einer Vielzahl an Brennstoffeinzelzellen gebildet, von denen jede einen Membranelektrodenaufbau als Grundstruktur aufweist, bei dem eine Elektrolytmembran sandwichartig zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet ist. Insbesondere eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle, bei der als Elektrolytmembran eine Festpolymerelektrolytmembran verwendet wird, hat sich als transportable und mobile Energiequelle als attraktiv erwiesen, da sie Vorteile hat, indem sie einfach verkleinert werden kann, bei niedrigen Temperaturen betrieben werden kann, usw.
  • In einer Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle läuft im Fall der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff die Reaktion an der Anode (Brennstoffelektrode) entsprechend der folgenden Formel (1) ab: H2 → 2H+ + 2e– Formel (1)
  • Die durch die Reaktion gemäß Formel (1) erzeugten Elektronen wandern durch einen äußeren Stromkreis, verrichten durch eine äußere Last Arbeit und erreichen dann eine Kathode (Oxidationsmittelelektrode). Die durch die Reaktion gemäß Formel (1) erzeugten Protonen werden im hydratisierten Zustand und durch Elektroosmose von der Anodenseite durch die Festpolymerelektrolytmembran zur Kathodenseite transportiert.
  • Im Fall der Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel läuft die Reaktion an der Kathode entsprechend der folgenden Formel (2) ab: 2H+ + (1/2)O2 + 2e– → H2O Formel (2)
  • An der Kathode erzeugtes Wasser wandert durch eine Gasdiffusionsschicht und wird nach Außen abgegeben. Demgemäß sind Brennstoffzellen eine saubere Energiequelle, die außer Wasser keinerlei Emissionen erzeugt.
  • In einer Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle werden der Brennstoffzelle normalerweise ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel kontinuierlich im gasförmigen Zustand (im Zustand von Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas) zugeführt. Diese Gase werden einer Dreiphasengrenzfläche zugeführt, bei welcher Katalysatorteilchen, die auf Träger aufgebracht sind, welche Leiter sind, in Kontakt mit einem Polymerelektrolyten stehen, was Ionenleiterbahnen gewährleistet, wodurch die obige Reaktion gefördert wird. Es ist folglich bekannt, dass im Allgemeinen eine Elektrode, die eine aus einer gleichförmigen Mischung von Katalysatorteilchen gebildete poröse Katalysatorschicht mit einem Polymerelektrolyten umfasst, als Elektrode für Brennstoffzellen verwendet wird.
  • Die 21 sind Ansichten, die eine übliche Festpolymerelektrolyt-Brennstoffeinzelzelle 100 zeigen, und es sind ferner Ansichten, die schematisch einen Querschnitt derselben in Richtung ihrer Schichtstapelung zeigen. Die Brennstoffeinzelzelle 100 umfasst einen Membranelektrodenaufbau 8, der eine Wasserstoffionen leitende Festpolymerelektrolytmembran (nachfolgend der Einfachheit halber als Elektrolytmembran bezeichnet) 1 und ein Paar aus einer Kathodenelektrode 6 und einer Anodenelektrode 7, zwischen welchen die Elektrolytmembran sandwichartig angeordnet ist, umfasst; darüber hinaus umfasst die Brennstoffeinzelzelle 100 ein Paar von Separatoren 9 und 10, zwischen welchen der Membranelektrodenaufbau 8 sandwichartig so angeordnet ist, dass die Elektroden von außen sandwichartig umschlossen sind. An der Grenzfläche von Separator und Elektrode sind jeweils Gaskanäle 11 und 12 vorgesehen. An der Anodenseite wird kontinuierlich Wasserstoffgas zugeführt und an der Kathodenseite wird kontinuierlich sauerstoffhaltiges Gas (normalerweise Luft) zugeführt. Im Allgemeinen wird als Elektrode eine Elektrode verwendet, die ausgehend von der Elektrolytmembran gesehen eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge umfasst. Das heißt, dass die Kathodenelektrode 6 eine Elektrode umfasst, die eine Kathodenkatalysatorschicht 2 und eine Gasdiffusionsschicht 4 umfasst, und die Anodenelektrode 7 umfasst eine Elektrode, die eine Anodenkatalysatorschicht 3 und eine Gasdiffusionsschicht 5 umfasst.
  • Wie in 21(a) gezeigt, ist an einer Oberfläche der Gasdiffusionsschicht; die zur Katalysatorschicht zeigt, normalerweise eine wasserabweisende Schicht vorgesehen. Im Speziellen sind eine wasserabweisende Schicht 13 und eine wasserabweisende Schicht 14 zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 2 und der Gasdiffusionsschicht 4 bzw. zwischen der Anodenkatalysatorschicht 3 und der Gasdiffusionsschicht 5 vorgesehen. Im Allgemeinen weist die wasserabweisende Schicht eine poröse Struktur auf, die beispielsweise elektrisch leitende Teilchen wie Kohlenstoffteilchen und Karbonfasern und ein wasserabweisendes Harz wie Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst. Die wasserabweisende Schicht kann die Drainageeigenschaften der Gasdiffusionsschicht erhöhen, wobei sie den Wassergehalt in der Katalysatorschicht und der Elektrolytmembran auf einem geeigneten Niveau halten kann; darüber hinaus ist sie von Vorteil, indem sie den elektrischen Kontakt zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht verbessert.
  • Wie in 21(b) gezeigt, ist eine Brennstoffeinzelzelle bekannt, die die oben erwähnte wasserabweisende Schicht nicht umfasst.
  • Die sandwichartig zwischen einem Paar von Elektroden angeordnete Elektrolytmembran 1 ist normalerweise so ausgebildet, dass sie größer ist als eine Elektrodenfläche, die tatsächlich zur Stromerzeugung verwendet wird, im Speziellen die Fläche der Katalysatorschichten 2 und 3. In diesem Fall ist der Randabschnitt der Elektrolytmembran, auf dem keine Katalysatorschicht aufgebracht ist, nachgiebig bzw. weich. Wie in 22(a) gezeigt, durchdringen insbesondere Fragmente und Vorsprünge 15, die aus einem porösen Kohlenstoff- oder Metallkörper, der die Gasdiffusionsschichten 4 und 5 bildet, hervorstehen, die wasserabweisenden Schichten 13 und 14 und stechen dadurch in die Elektrolytmembran 1. Wie in 22(b) gezeigt, stechen die Fragmente und Vorsprünge 15 auch direkt in die Elektrolytmembran 1. Die Elektrolytmembran 1 wird dadurch aufgebrochen und verursacht einen Kurzschluss und dergleichen, was beispielsweise zu dem Problem einer verringerten Anfangsspannung führt.
  • Zur Lösung eines derartigen Problems ist, wie beispielsweise in der Patentliteratur 1 offenbart, eine Technik bekannt, bei der ein Membrankatalysatorschichtaufbau verstärkt wird, indem am Randabschnitt des Membrankatalysatorschichtaufbaus eine Verstärkungsschicht vorgesehen wird.
    • Patentliteratur 1: Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung ( JP-A) Nr. 2004-47230
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die 23 sind Ansichten, die eine Brennstoffeinzelzelle 200 des Stands der Technik zeigen, welche eine Verstärkungsschicht umfasst, und sie zeigen ferner Ansichten, die schematisch einen Querschnitt derselben in Richtung ihrer Schichtstapelung zeigen. 23(a) zeigt eine Brennstoffeinzelzelle, die wasserabweisende Schichten 13 und 14 umfasst, und die 23(b) zeigt eine Brennstoffeinzelzelle, die keine wasserabweisenden Schichten umfasst.
  • Es ist technisch schwierig, eine Verstärkungsschicht nur an einem ersten Teil 16a bereitzustellen, der zwischen dem äußeren periphere Randabschnitt der Polymerelektrolytmembran 1 und dem der Gasdiffusionsschicht 4 oder 5 liegt, welche zueinander zeigen. Wie in den 23 dargestellt, wird daher tatsächlich eine Verstärkungsschicht auch an einem zweiten Teil 16b bereitgestellt, der die Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht überlappt. Aus diesem Grund ist die Dicke 17b der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil 16b der Verstärkungsschicht vorhanden ist, größer als die Dicke 17c der Brennstoffeinzelzelle in einem Zentralbereich derselben, wo keine Verstärkungsschicht vorhanden ist, so dass beim Aufbringen einer konstanten Last auf die Brennstoffeinzelzelle die Last pro Flächeneinheit in dem Bereich, wo sich der zweite Teil 16b der Verstärkungsschicht befindet, größer ist als im Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle.
  • Außerdem ist die Dicke 17a der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo sich der erste Teil 16a der Verstärkungsschicht befindet, größer als die Dicke 17c, wenn die Dicke der Verstärkungsschicht 16 größer ist als die der Katalysatorschicht 2 oder der Katalysatorschicht 3, so dass beim Aufbringen einer konstanten Last auf die Brennstoffeinzelzelle die Last pro Flächeneinheit in dem Bereich, wo sich der erste Teil 16a der Verstärkungsschicht befindet, größer ist als im Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle.
  • Wenn eine Vielzahl von Brennstoffeinzelzellen zur Stromerzeugung gestapelt wird, erhöht sich folglich die Last pro Flächeneinheit, die auf den äußeren peripheren Randabschnitt der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht wird, was zu dem Problem einer auf die Elektrolytmembran aufgebrachten erhöhten mechanischen Last führt. Darüber hinaus ist die Last, die pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht wird, die eine Schlüsselrolle bei der Stromerzeugung spielt, nicht ausreichend, so dass das weitere Problem auftritt, dass eine ausreichende Stromerzeugung wie vorgesehen nicht möglich ist.
  • Die vorliegende Erfindung soll eine Brennstoffeinzelzelle bereitstellen, die wie vorgesehen ausreichend Strom erzeugen kann, indem die mechanische Last, die auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, gering gehalten wird und auf den Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle eine ausreichende Last pro Flächeneinheit aufgebracht wird, und ein Verfahren zur Herstellung dieser Brennstoffeinzelzelle.
  • Lösung des Problems
  • Die Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffeinzelzelle, die einen Membranelektrodenaufbau und ein Paar von Separatoren umfasst, wobei in dem Aufbau eine Anodenelektrode, die eine Anodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer ersten Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine Kathodenelektrode, die eine Kathodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer zweiten Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, wobei die Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran eine Größe und Gestalt aufweist, die geringfügig kleiner ist als jene der Festpolymerelektrolytmembran und jene der Gasdiffusionsschicht, und ein äußerer peripherer Randabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran und der der Gasdiffusionsschicht aus einer Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht hervorstehen und zueinander ausgerichtet sind; wobei eine rahmenförmige Schutzschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, die einen ersten Teil aufweist, der zwischen dem äußeren peripheren Randabschnitt der Elektrolytmembran und dem der Gasdiffusionsschicht vorhanden ist, welche zueinander ausgerichtet sind, und einen zweiten Teil, der die Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht überlappt; und wobei die Brennstoffeinzelzelle eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht umfasst, die in einem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als in einem Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist.
  • Um in der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, welcher wegen des Vorhandenseins der Schutzschicht so dick ist, gleich oder geringer als die Dicke derselben im Zentralbereich zu machen, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, ist die Dicke der Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, dünner als die Dicke derselben im Zentralbereich oder wird die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, nicht vorgesehen. Wenn eine Vielzahl von Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann aus diesem Grund die mechanische Last, die auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In einer Ausführungsform der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht, die zwischen der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht vorhanden ist.
  • Um in der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, welcher wegen des Vorhandenseins der Schutzschicht so dick ist, gleich oder geringer als die Dicke derselben im Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, zu machen, ist die Dicke der wasserabweisenden Schicht, die in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, im Wesentlichen unnötig ist, in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, dünner als im Zentralbereich, oder die wasserabweisende Schicht wird in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, nicht vorgesehen. Wenn eine Vielzahl an Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann aus diesem Grund die mechanische Last, die auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In einer Ausführungsform der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht mindestens eine von porösen Schichten, zwischen denen der Membranelektrodenaufbau sandwichartig angeordnet ist, und die resultierende Sandwichstruktur ist ferner sandwichartig zwischen einem Paar von planen Separatoren angeordnet, von denen keiner einen Gaskanal aufweist.
  • Die Brennstoffeinzelzelle mit einer derartigen Konfiguration verwendet einen Aufbau, bei dem die planen Separatoren ohne Gaskanal verwendet werden und Gas von den porösen Schichten zugeführt wird, die in Kontakt mit den planen Separatoren stehen und weiter innerhalb der Brennstoffeinzelzelle angeordnet sind als die planen Separatoren; deshalb kann ein Druck, der auf den Membranelektrodenaufbau im Inneren der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht wird, wegen der Elastizität der porösen Schicht konstant sein. Um die Dicke der Brennstoffeinzelzelle indem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, welcher wegen des Vorhandenseins der Schutzschicht so dick ist, gleich oder geringer als die Dicke derselben im Zentralbereich zu machen, wo die Schutzschicht nichtvorhanden ist, ist die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, dünner als im Zentralbereich. Wenn eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann deshalb die mechanische Last, die auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass sowohl auf der Anodenseite als auch der Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als im Zentralbereich derselben, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben im Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist.
  • In der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau kann sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht.
  • In der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass auf zumindest einer der Anodenseite und der Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, dünner ist als im Zentralbereich derselben, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben im Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist.
  • In der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau ist die Dicke der Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, kontrolliert, und um die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil der Schutzschicht vorhanden ist, welcher wegen des Vorhandenseins der Schutzschicht so dick ist, gleich oder geringer als die Dicke derselben im Zentralbereich zu machen, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, ist die Dicke der Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich, wo der erste Teil vorhanden ist, dünner als im Zentralbereich, oder es wird in dem Bereich, wo der erste Teil vorhanden ist, keine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht vorgesehen. Wenn eine Vielzahl von Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann deswegen die mechanische Last, die auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, der Membranelektrodenaufbau sandwichartig zwischen einem Paar von porösen Schichten angeordnet ist und die resultierende Sandwichstruktur ferner sandwichartig zwischen einem Paar von planen Separatoren, von denen keiner einen Gaskanal aufweist, angeordnet ist.
  • So kann beispielsweise im Gegensatz zu dem Fall, wo ein Separator mit einem nutartigen Kanal verwendet wird, wobei der nutartigen Kanal zu Schwankungen bei der Last pro Flächeneinheit führt, bei der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau unter Verwendung der planen Separatoren, die keinen Gaskanal aufweisen, eine ausreichende Last pro Flächeneinheit der gesamten Separatoren aufgebracht werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Kosten für die Bildung des nutartigen Kanals, die zur Herstellung eines Separators mit einem nutartigen Kanal notwendig sind, zu verringern. Darüber hinaus ist es möglich, das Gaszufuhrvermögen durch Anordnen der porösen Schicht zwischen dem Membranelektrodenaufbau und dem planen Separator zu erhöhen.
  • In der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung weist jede der porösen Schichten vorzugsweise eine Porosität von 70% oder mehr und einen Porendurchmesser von 20 bis 100 nm auf.
  • Da die poröse Schicht eine ausreichende Porosität und einen ausreichenden Porendurchmesser aufweist, kann in der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau eine ausreichende Menge an Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas bei der Stromerzeugung zugeführt werden.
  • In der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, die Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke der Schutzschicht.
  • Durch Wahl einer geeigneten Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, kann in der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht.
  • In der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, keine wasserabweisende Schicht vorhanden ist.
  • Dadurch, dass am äußeren Randabschnitt der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht keine wasserabweisenden Schicht vorgesehen wird, die am äußeren Randabschnitt im Wesentlichen unnötig ist, kann in der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht.
  • In der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, vorzugsweise 200 bis 600 μm.
  • In der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Aufbau kann die poröse Schicht eine Dicke aufweisen, die für eine Elastizität sorgt, die ausreicht, um den auf den Membranelektrodenaufbau innerhalb der Brennstoffeinzelzelle aufgebrachten Druck konstant zu machen.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der oben erwähnten Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung, welches einen Schritt der teilweisen und selektiven Verringerung der Dicke von mindestens einer der porösen Schichten, die an den Anodenseite und der Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen sind, durch Abschaben oder Pressen eines Teils der porösen Schicht, welche den Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, überlappt, umfasst.
  • Die Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffeinzelzelle mit einem solchen Schritt erhalten werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Dicke der porösen Schicht in zumindest einem der Bereiche, wo der erste Teil der Schutzschicht vorhanden ist und wo der zweite Teil derselben vorhanden ist, durch ein einfaches Verfahren zum Abschaben oder Pressen der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, zu verringern.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Um in der vorliegenden Erfindung die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, welcher wegen des Vorhandenseins der Schutzschicht so dick ist, gleich oder geringer als die Dicke derselben im Zentralbereich zu machen, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, ist die Dicke der Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, dünner als im Zentralbereich, oder es wird in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, keine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht vorgesehen. Wenn eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann deswegen die mechanische Last, die auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt schematische Querschnittsansichten, die ein Beispiel für die Lagebeziehung zwischen einer Elektrolytmembran, einer Katalysatorschicht und einer Schutzschicht zeigen.
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein typisches Beispiel für den Membranelektrodenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht ist und eine Elektrode nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen ist.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein zweites typisches Beispiel für den Membranelektrodenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht ist und eine Elektrode nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen ist.
  • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein drittes typisches Beispiel für den Membranelektrodenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht ist und eine Elektrode nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen ist.
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein typisches Beispiel zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine poröse Schicht ist und eine Elektrode und die poröse Schicht nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen sind.
  • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein zweites typisches Beispiel zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine poröse Schicht ist und eine Elektrode und die poröse Schicht nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen sind.
  • 7 zeigt schematische Querschnittsansichten, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 2 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 8 zeigt schematische Querschnittsansichten, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 2 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 9 zeigt schematische Querschnittsansichten, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 3 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 10 zeigt schematische Querschnittsansichten, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 3 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 11 zeigt schematische Querschnittsansichten, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 4 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 12 zeigt schematische Querschnittsansichten, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 4 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 13 zeigt schematische Querschnittsansichten, die ein Laminat zeigen, bei dem die in 5 gezeigte Dickensteuerung der porösen Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 14 zeigt schematische Querschnittsansichten, die ein Laminat zeigen, bei dem die in 5 gezeigte Dickensteuerung der porösen Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 15 zeigt schematische Querschnittsansichten, die ein Laminat zeigen, bei dem die in 6 gezeigte Dickensteuerung der porösen Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 16 zeigt schematische Querschnittsansichten, die ein Laminat zeigen, bei dem die in 6 gezeigte Dickensteuerung der porösen Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet wird.
  • 17 ist eine Ansicht, die ein typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 18 ist eine Ansicht, die ein zweites typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 19 ist eine Ansicht, die ein drittes typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 20 ist eine Ansicht, die ein viertes typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 21 zeigt Ansichten, die schematisch einen Querschnitt einer allgemeinen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffeinzelzelle 100 in Richtung ihrer Schichtstapelung zeigen.
  • 22 zeigt Ansichten, die ein Rahmenformat einer allgemeinen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffeinzelzelle 100 zeigen, bei dem Fragmente und Vorsprünge 15 in eine Elektrolytmembran 1 stechen.
  • 23 zeigt Ansichten, die schematisch einen Querschnitt einer Brennstoffeinzelzelle 200 gemäß dem Stand der Technik in Richtung ihrer Schichtstapelung zeigen, welche mit einer Verstärkungsschicht versehen ist.
    • 1
    Festpolymerelektrolytmembran
    2
    Kathodenkatalysatorschicht
    3
    Anodenkatalysatorschicht
    4 und 5
    Gasdiffusionsschicht
    6
    Kathodenelektrode
    7
    Anodenelektrode
    9
    Membranelektrodenaufbau
    9 und 10
    Separator
    11 und 12
    Gaskanal
    13 und 14
    Wasserabweisende Schicht
    15
    Fragment und Vorsprung
    16
    Verstärkungsschicht
    16a
    Erster Teil der Verstärkungsschicht
    16b
    Zweiter Teil der Verstärkungsschicht
    17a
    Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil 16a der Verstärkungsschicht vorhanden ist
    17b
    Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil 16b der Verstärkungsschicht vorhanden ist
    17c
    Dicke des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle, wo keine Verstärkungsschicht vorhanden ist
    21
    Festpolymerelektrolytmembran
    22
    Katalysatorschicht
    23
    Schutzschicht
    23a
    Erster Teil der Schutzschicht
    23b
    Zweiter Teil der Schutzschicht
    24
    Wasserabweisende Schicht
    24a
    Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil 23a der Schutzschicht vorhanden ist
    24b
    Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist
    24c
    Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist
    25
    Gasdiffusionsschicht
    26a
    Dicke des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der erste Teil 23a der Schutzschicht vorhanden ist
    26b
    Dicke des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist
    26c
    Dicke des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist
    27
    Poröse Schicht
    27a
    Dicke der porösen Schicht 27 in dem Bereich, wo der erste Teil 23a der Schutzschicht vorhanden ist
    27b
    Dicke der porösen Schicht 27 in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist
    27c
    Dicke der porösen Schicht 27 im Zentralbereich
    28a
    Dicke eines Laminats in dem Bereich, wo der erste Teil 23a der Schutzschicht vorhanden ist
    28b
    Dicke eines Laminats in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist
    28c
    Laminatdicke im Zentralbereich
    29
    Planer Separator
    30a
    Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil 23a der Schutzschicht vorhanden ist
    30b
    Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist
    30c
    Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist
    100
    Brennstoffeinzelzelle
    200
    Brennstoffeinzelzelle, die mit der Verstärkungsschicht versehen ist
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Die Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffeinzelzelle, die einen Membranelektrodenaufbau und ein Paar von Separatoren umfasst, wobei in dem Aufbau eine Anodenelektrode, die eine Anodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer ersten Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine Kathodenelektrode, die eine Kathodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer zweiten Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, wobei die Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran eine Größe und Gestalt aufweist, die geringfügig kleiner ist als jene der Festpolymerelektrolytmembran und jene der Gasdiffusionsschicht, und ein äußerer peripherer Randabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran und der der Gasdiffusionsschicht aus einer Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht hervorstehen und zueinander ausgerichtet sind; wobei eine rahmenförmige Schutzschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, die einen ersten Teil aufweist, der zwischen dem äußeren peripheren Randabschnitt der Elektrolytmembran und dem der Gasdiffusionsschicht vorhanden ist, welche zueinander ausgerichtet sind, und einen zweiten Teil, der die Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht überlappt; und wobei die Brennstoffeinzelzelle eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht umfasst, die in einem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als in einem Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist.
  • In einer Ausführungsform der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht, die zwischen der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht vorhanden ist.
  • In einer anderen Ausführungsform der Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht mindestens eine von porösen Schichten, zwischen denen der Membranelektrodenaufbau sandwichartig angeordnet ist, und die resultierende Sandwichanordnung ist ferner sandwichartig zwischen einem Paar von planen Separatoren angeordnet, von denen keiner einen Gaskanal aufweist.
  • Aus Sicht von Bauform und Herstellung weisen in der vorliegenden Erfindung die Festpolymerelektrolytmembran, die Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten, die Gasdiffusionsschicht, die Schutzschicht und die Separatoren eine Dicke auf, die im Wesentlichen durchgehend gleichförmig ist, und lediglich die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht wird hinsichtlich ihrer Dicke entsprechend den Bereichen der Brennstoffeinzelzelle gesteuert. Auch sind die Festpolymerelektrolytmembran, die Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten, die Gasdiffusionsschicht, die Schutzschicht und die Separatoren durchgehend kontinuierlich.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine Schicht, die die Dicke des äußeren Randabschnitts der Brennstoffeinzelzelle, die im Stand der Technik durch Vorsehen einer Schutzschicht am äußeren Randabschnitt der Brennstoffeinzelzelle erhöht ist, kleiner machen kann als die des zentralen Teils der Brennstoffeinzelzelle, indem die Dicke der Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht selbst teilweise entsprechend den Teilen der Brennstoffeinzelzelle verändert wird. Indem man die Dicke der Brennstoffeinzelzelle auf diese Weise verändert, kann, wenn eine Vielzahl von Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • Neben einer Schicht im Inneren der Brennstoffeinzelzelle, die direkt oder indirekt zur Stromerzeugung beiträgt, kann die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht als eine neue Schicht hinzugefügt werden. Es ist jedoch bevorzugt, als Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine Schicht im Inneren der Brennstoffeinzelzelle vorhanden, die direkt oder indirekt zur Stromerzeugung beiträgt. Speziell wird bevorzugt, die Gesamtdicke der Brennstoffeinzelzelle zu steuern, indem die Schicht im Inneren der Brennstoffeinzelzelle, die direkt oder indirekt zur Stromerzeugung beiträgt, in einem Maße teilweise abgeschabt oder gepresst wird, das die Stromerzeugung nicht beeinflusst, oder indem die Fläche der Schicht im selben Maße verringert wird.
  • Als Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht sind insbesondere eine wasserabweisende Schicht, eine poröse Schicht usw. zu nennen, welche nachfolgend beschrieben werden.
  • Es muss nicht nur eine Art Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht innerhalb einer Brennstoffeinzelzelle vorgesehen sein. Es können verschiedene Arten von Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschichten im Inneren einer Brennstoffeinzelzelle bereitgestellt werden. Im Fall, dass verschiedene Arten von Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschichten vorgesehen sind, kann jede der Schichten unabhängig angeordnet werden, um so die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu erzielen, oder diese Schichten können so angeordnet werden, dass sie die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung in Kombination erzielen.
  • Die Polymerelektrolytmembran ist eine Polymerelektrolytmembran, die in Brennstoffzellen verwendet wird, und zu nennen sind fluorierte Polymerelektrolytmembranen, die einen fluorierten Polymerelektrolyten enthalten, wie Perfluorkohlenstoffsulfonsäureharz, beispielsweise Nafion (Produktname); darüber hinaus sind beispielsweise Kohlenwasserstoffpolymerelektrolytmembranen zu nennen, die einen Kohlenwasserstoffpolymerelektrolyten umfassen, bei dem Protonsäuregruppen (protonenleitende Gruppen) wie Sulfonsäuregruppen, Carbonsäuregruppen, Phosphorsäuregruppen und Borsäuregruppen in ein Kohlenwasserstoffpolymer wie einen technischen Kunststoff eingebaut sind, wobei Beispiele hierfür Polyetheretherketon, Polyetherketon, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid, Polyphenylenether, Polyparaphenylen und dergleichen beinhalten, oder in einen Standardkunststoff, wobei Beispiele herfür Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und dergleichen beinhalten.
  • Die Katalysatorschicht kann mit einer Katalysatortinte gebildet werden, die einen Katalysator, ein elektrisch leitendes Material und einen Polymerelektrolyten enthält.
  • Als Katalysator wird im Allgemeinen ein Katalysator verwendet, bei dem eine oder mehrere Katalysatorkomponente(n) von ein oder mehreren elektrisch leitenden Teilchen getragen werden. Als Katalysatorkomponente kann, ohne darauf beschränkt zu sein, eine verwendet werden, wie sie üblicherweise für Festpolymerbrennstoffzellen verwendet wird, solange sie katalytische Aktivität für eine Oxidationsreaktion eines Brennstoffs an der Brennstoffelektrode oder für eine Reduktionsreaktion eines Oxidationsmittels an der Oxidationsmittelelektrode aufweist. Es können beispielsweise Platin und Legierungen von Platin und Metalle wie Ruthenium, Eisen, Nickel, Mangan, Kobalt und Kupfer verwendet werden.
  • Als elektrisch leitende Teilchen, die die Katalysatorträger sind, können elektrisch leitende Kohlenstoffmaterialien, einschließlich Kohlenstoffteilchen wie Ruß und Kohlefasern, und metallische Materialien wie metallische Teilchen und metallische Fasern verwendet werden. Das elektrisch leitende Material fungiert auch als ein elektrisch leitendes Material, das der Katalysatorschicht elektrische Leitfähigkeit verleiht.
  • Das Verfahren zur Ausbildung der Katalysatorschicht unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Die Katalysatorschicht kann beispielsweise auf der Oberfläche eines Gasdiffusionsschichtblattes ausgebildet werden, indem die Katalysatortinte auf die Oberfläche des Gasdiffusionsschichtblatts aufgebracht und dieses getrocknet wird, oder die Katalysatorschicht kann auf der Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet werden, indem die Katalysatortinte auf die Oberfläche der Elektrolytmembran aufgebracht und diese getrocknet wird. Alternativ dazu kann die Katalysatorschicht so auf der Oberfläche der Elektrolytmembran oder des Gasdiffusionsschichtblatts ausgebildet werden, dass die Katalysatortinte auf die Oberfläche eines Transfersubstrats aufgebracht und zur Erzeugung einer Transferschicht getrocknet wird; die Transferschicht wird durch Heißpressen oder dergleichen an die Elektrolytmembran oder die Gasdiffusionsschichlage gebunden; danach wird der Substratfilm von der Transferschicht abgetrennt.
  • Die Katalysatortinte kann erhalten werden durch Auflösen oder Dispergieren eines wie oben erwähnten Katalysators und Elektrolyten für Elektroden in einem Lösungsmittel. Das Lösungsmittel für die Katalysatortinte kann zweckmäßig gewählt werden, und Beispiele umfassen Alkohole wie Methanol, Ethanol und Propanol, organische Lösungsmittel wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und Dimethylsulfoxid (DMSO), Mischungen organischer Lösungsmittel und Mischungen organischer Lösungsmittel mit Wasser. Die Katalysatortinte kann, falls notwendig, neben dem Katalysator und dem Elektrolyten andere Komponenten wie ein Bindemittel und ein wasserabweisendes Harz enthalten.
  • Verfahren zum Aufbringen der Katalysatortinte, Verfahren zum Trocknen derselben usw. können zweckmäßig gewählt werden. Als Verfahren zum Aufbringen der Katalysatortinte können beispielsweise Sprühverfahren, Siebdruckverfahren, Rakelverfahren, Gravurdruckverfahren und Schmelzbeschichtungsverfahren erwähnt werden. Als Verfahren zum Trocken derselben können beispielsweise Trocknen unter reduziertem Druck, Trocknen durch Erwärmen und Trocknen durch Erwärmen unter reduziertem Druck genannt werden. Die Bedingungen zum Trocknen unter reduziertem Druck und zum Trocknen durch Erwärmen unterliegen keiner speziellen Einschränkung, so dass diese zweckmäßig bestimmt werden können.
  • Die Auftragsmenge der Katalysatortinte hängt beispielsweise von der Zusammensetzung der Katalysatortinte und der katalytischen Leistung eines katalytischen Metalls ab, das für einen Elektrodenkatalysator verwendet wird. Die Menge der katalytischen Komponente pro Flächeneinheit kann ungefähr 0,01 bis 2,0 mg/cm2 betragen. Die Dicke der Katalysatorschicht unterliegt keiner speziell Einschränkung und kann ungefähr 1 bis 50 μm betragen.
  • Bevor, während oder nachdem die Katalysatorschicht auf der Elektrolytmembran ausgebildet wird, kann eine rahmenförmige Schutzschicht ausgebildet werden.
  • Die Schutzschicht kann eine Schicht sein, die eine Dicke von 5 bis 100 μm aufweist. Als Material können Kautschuke verwendet werden, wie Silikonkautschuk, EPDM, SBR-Kautschuk und Fluorkautschuk, und fluorierte Polymerelektrolytmembranen, die einen fluorierten Polymerelektrolyt enthalten, wie Perfluorkohlenstoffsulfonsäureharz, beispielsweise Nafion (Produktname). Zusätzlich können PEN-Folien, PTFE, PET, Polyimidfolien, Polypropylenfolien usw. verwendet werden.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Lagebeziehung zwischen der Elektrolytmembran, der Katalysatorschicht und der Schutzschicht zeigt. In dieser Ansicht sind eine Katalysatorschicht 22 und eine Schutzschicht 23 jeweils unterbrochen gezeigt, um die Beziehung klarzulegen; Schichten mit identischem Muster stellen jedoch tatsächlich durchgehende Schichten dar. Tatsächlich besitzen die Schutzschichten 23, welche sowohl auf der rechten als auch der linken Seite der Ansicht gezeigt sind, die Form von Rahmen, die die Außenperipherie der Katalysatorschicht 22 umgeben, so dass sie ebenfalls eine durchgehende Schicht ausbilden. Es ist technisch schwierig, lediglich die Bereiche mit der Schutzschicht 23 zu versehen, wo sich der äußere periphere Randabschnitt der Polymerelektrolytmembran 21 befindet; tatsächlich überlappt daher der innere periphere Randabschnitt der Schutzschicht 23 die Außenperipherie der Katalysatorschicht 22.
  • Die 1(a) und 1(b) sind Ansichten, die ein Beispiel zeigen, bei dem die Katalysatorschicht 22 und die Schutzschicht 23 auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt sind. Es gibt zwei Reihenfolgen, in denen die Katalysatorschicht und die Schutzschicht bereitgestellt sind: (a) Die Katalysatorschicht 22 wird auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt, wobei danach die Schutzschicht 23 darauf ausgebildet wird, und (b) die Schutzschicht 23 wird auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt, wobei danach die Katalysatorschicht 22 darauf ausgebildet wird. In beiden Fällen wird somit ein Teil bereitgestellt, bei dem die Katalysatorschicht 22 und die Schutzschicht 23 einander überlappen.
  • Die 1(c) bis 1(e) sind Ansichten, die ein Beispiel zeigen, bei dem die Katalysatorschicht 22 und die Schutzschicht 23 auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt sind. Es gibt drei Reihenfolgen, in denen die Katalysatorschicht und die Schutzschicht bereitgestellt sind: (c) Die Katalysatorschicht 22 wird auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt, wobei danach die Schutzschicht 23 auf beiden Oberflächen ausgebildet wird, (d) die Schutzschicht 23 wird auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt, wobei danach die Katalysatorschicht 22 auf beiden Oberflächen ausgebildet wird, und (e) die Katalysatorschicht 22 und die Schutzschicht 23 werden auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 in der Reihenfolge (a) und auch auf der anderen Oberfläche in der Reihenfolge (b) ausgebildet.
  • Wie in den Figuren (f) bis (h) gezeigt, kann die Schutzschicht 23 eine Struktur aufweisen, bei der sie durchgehend auf beiden Oberflächen vorliegt, da sie isolierende Eigenschaften aufweist und an der Stromerzeugung nicht beteiligt ist. Im Speziellen bestehen die folgenden drei Möglichkeiten: (f) Die Katalysatorschicht 22 wird auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt, wobei danach die Schutzschicht 23, die auf beiden Oberflächen zusammenhängend vorliegt, ausgebildet wird, (g) die Schutzschicht 23, welche auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 zusammenhängend vorliegt, wird bereitgestellt, wobei danach die Katalysatorschicht 22 auf beiden Oberflächen ausgebildet wird, und (h) die Katalysatorschicht 22 wird auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt, wobei danach die Schutzschicht 23, die auf beiden Oberflächen zusammenhängend vorhanden ist, ausgebildet wird, und dann die Katalysatorschicht 22 auf der anderen Oberfläche bereitgestellt wird.
  • Wie bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Ausbildung der Katalysatorschicht beschrieben, gibt es das Verfahren zur Ausbildung der Katalysatorschicht auf der Oberfläche des Gasdiffusionsschichtblattes usw. Im Fall der Verwendung derartiger Verfahren kann die Lagebeziehung zwischen der Elektrolytmembran, der Katalysatorschicht und der Schutzschicht zu einer beliebigen der obigen Figuren (a) bis (h) führen.
  • Als Gasdiffusionsschichtblatt, welches die Gasdiffusionsschicht bildet, kann eines genannt werden, das aus einem elektrisch leitenden porösen Körper besteht, der ein Gasdiffusionsvermögen, das zur wirksamen Zufuhr von Gas zu der Katalysatorschicht ausreichend ist, eine elektrische Leitfähigkeit und eine Festigkeit, die erforderlich für das Material ist, das die Gasdiffusionsschicht bildet, aufweist. Beispiele des elektrisch leitenden porösen Körpers umfassen kohlenstoffhaltige poröse Körper wie Kohlepapier, Kohletuch und Kohlefilz und Metallgeflecht oder poröse Metallkörper, die Metalle wie Titan, Aluminium, Kupfer, Nickel, Nickelchromlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Silber, Aluminiumlegierungen, Zinklegierungen, Bleilegierungen, Titan, Niob, Tantal, Eisen, Edelstahl, Gold und Platin umfassen. Die Dicke des elektrisch leitenden porösen Körpers beträgt vorzugsweise ungefähr 50 bis 500 μm.
  • Das Gasdiffusionsschichtblatt kann auf einer Einzelschicht des oben erwähnten leitfähigen porösen Körpers ausgebildet werden. Alternativ dazu kann das Blatt derart sein, dass eine wasserabweisende Schicht auf einer Oberfläche davon, welche zur Katalysatorschicht hin ausgerichtet ist, bereitgestellt ist. Im Allgemeinen weist die wasserabweisende Schicht eine poröse Struktur auf, welche beispielsweise elektrisch leitende Teilchen wie Kohlenstoffteilchen und Kohlefasern und ein wasserabweisendes Harz wie Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweist. Die wasserabweisende Schicht kann die Abflusseigenschaften der Gasdiffusionsschicht erhöhen, während sie den Wassergehalt in der Katalysatorschicht und der Elektrolytmembran auf einem geeigneten Niveau hält, wobei sie darüber hinaus vorteilhaft ist hinsichtlich einer Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht.
  • Ein Verfahren zur Ausbildung der wasserabweisenden Schicht auf dem elektrisch leitenden porösen Körper ist nicht speziell beschränkt. Es ist beispielsweise möglich, dass eine Tinte für eine wasserabweisende Schicht, die hergestellt wird durch Mischen von elektrisch leitenden Teilchen wie Kohlenstoffteilchen, einem wasserabweisenden Harz und, je nach Notwendigkeit, anderen Komponenten mit einem Lösungsmittel, das ein organisches Lösungsmittel wie Ethanol, Propanol und Propylenglykol, Wasser oder eine Mischung daraus ist, auf mindestens die Oberfläche des leitfähigen porösen Körpers, die zur Katalysatorschicht hin ausgerichtet ist, aufgetragen und dann getrocknet und/oder gebacken wird. Im Allgemeinen kann die Dicke der wasserabweisenden Schicht ungefähr 1 bis 50 μm betragen. Beispiele des Verfahrens zum Aufbringen der Tinte für eine wasserabweisende Schicht auf den elektrisch leitenden porösen Körper umfassen Siebdruckverfahren, Sprühverfahren, Rakelverfahren, Gravurdruckverfahren und Schmelzbeschichtungsverfahren.
  • In dem elektrisch leitenden porösen Körper kann durch Beschichten und Imprägnieren der zur Katalysatorschicht hin ausgerichteten Oberfläche mit einem wasserabweisenden Harz wie Polytetrafluorethylen unter Verwendung einer Balkenstreichvorrichtung oder dergleichen der elektrisch leitende poröse Körper auch so verarbeitet werden, dass Feuchtigkeit in der Katalysatorschicht wirksam nach außerhalb der Gasdiffusionsschicht abgeleitet wird.
  • Die Elektrolytmembran und das Gasdiffusionsschichtblatt, von denen mindestens eines die durch das obige Verfahren ausgebildete Katalysatorschicht aufweist, werden geeignet gestapelt und durch Heißpressen oder dergleichen aneinander befestigt, wodurch ein Membranelektrodenaufbau erhalten wird.
  • Der auf diese Weise hergestellte Membranelektrodenaufbau wird des Weiteren sandwichartig zwischen Separatoren angeordnet, um eine Brennstoffeinzelzelle auszubilden. Als Separatoren können solche verwendet werden, die elektrisch Leitfähigkeit und gasdichte Eigenschaften aufweisen und als Kollektor und Gasabdichtung fungieren können, wie Kohlenstoffseparatoren, die hergestellt sind aus Kohlenstoff/Harz-Verbundstoffen, die eine hohe Konzentration an Kohlefasern enthalten, und metallische Separatoren, die metallische Materialien umfassen. Beispiele der metallischen Separatoren umfassen Separatoren, die hergestellt sind aus metallischen Materialien mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, und Separatoren, auf denen eine Oberflächenbeschichtung durchgeführt wurde, um die Korrosionsbeständigkeit durch Beschichten der Oberfläche mit Kohlenstoff oder einem metallischen Material mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.
  • Es ist bevorzugt, dass der oben erwähnte Membranelektrodenaufbau sandwichartig zwischen einem Paar an porösen Schichten angeordnet ist und die resultierende Sandwichanordnung des Weiteren sandwichartig zwischen einem Paar an planen Separatoren angeordnet ist, von denen keiner einen Gaskanal aufweist, um die Brennstoffeinzelzelle auszubilden.
  • Als poröse Schicht kann beispielsweise ein gesinterter Schaum aus Titan, Nickel oder dergleichen verwendet werden, da sie eine Rolle bei der Gasdiffusion, Elektronenleitung und Absorption und Abfluss von Wasser nach der Stromerzeugung spielt. Solche Schäume sind dahingehend vorteilhaft, dass sie eine hohe Steifigkeit aufweisen und somit ein Gasdiffusionsvermögen auch unter einem hohen Oberflächendruck aufrechterhalten können, so dass sie im Vergleich mit Separatoren mit einem Gaskanal eine konstante Last über die gesamte Oberfläche aufbringen können. Es ist bevorzugt, als die hierin verwendete poröse Schicht einen gesinterten Schaum aus Titan mit einer Porosität von 60% oder mehr, einem Porendurchmesser von 10 bis 1000 nm und einer Dicke von 50 bis 500 μm zu verwenden. Der Grund hierfür ist, dass die Schicht eine ausreichende Menge an Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas zur Stromerzeugung zuführen kann, da sie eine ausreichende Porosität und einen ausreichenden Porendurchmesser aufweist. Es ist weiter bevorzugt, dass die Porosität 70% oder mehr beträgt und der Porendurchmesser 20 bis 100 nm beträgt, wobei es darüber hinaus weiter bevorzugt ist, dass die Porosität 80% oder mehr beträgt und der Porendurchmesser 40 bis 80 nm beträgt.
  • Für die planen Separatoren können SUS, Titanmaterial, Kohlenstoff oder dergleichen verwendet werden, da sie eine Rolle bei der Elektronenleitung bei der Stromerzeugung spielen können. Insbesondere Titanmaterial oder dergleichen besitzt eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ist weniger anfällig für eine Ionenelution, welche die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen verschlechtern kann. Als plane Separatoren werden hier bevorzugt dünne Titanplatten mit einer Dicke von 50 bis 800 μm verwendet.
  • 2 ist ein schematischer Querschnitt, der ein typisches Beispiel des Membranelektrodenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht ist und eine Elektrode nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen ist. Im Speziellen ist dies eine Ansicht, die zeigt, dass in dem in 1(a) gezeigten Zustand eine Gasdiffusionsschicht 25, die eine wasserabweisende Schicht 24 aufweist, welche auf der Gasdiffusionsschicht 25 auf Seite der Katalysatorschicht 22 vorgesehen ist, ferner auf die Seite der Katalysatorschicht 22 gestapelt ist. In dieser Figur ist die rechte Hälfte des Membranelektrodenaufbaus weggelassen, so dass somit in. 2 das rechte Ende der Figur der Zentralbereich des Membranelektrodenaufbaus ist und das linke Ende die Außenseite in Ebenenrichtung des Membranelektrodenaufbaus ist.
  • Wie in 2 gezeigt, wird eine rahmenförmige Schutzschicht bereitgestellt, die einen ersten Teil 23a aufweist, der zwischen dem äußeren peripheren Randabschnitt der Elektrolytmembran 21 und dem der Gasdiffusionsschicht 25, welche zueinander ausgerichtet sind, vorhanden ist, und einen zweiten Teil 23b aufweist, der die Außenperipherie der Katalysatorschicht 22 überlappt.
  • In dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht 23 vorhanden ist, wird zwischen der Katalysatorschicht 22 und der Gasdiffusionsschicht 25 die wasserabweisende Schicht 24 bereitgestellt; außerdem ist die Dicke 24b der wasserabweisenden Schicht 24 in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, dünner als die Dicke 24c derselben im Zentralbereich, so dass die Dicke 26b des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke 26c derselben im Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist. Die Dicke 24b kann gleich 0 sein, das heißt, es ist möglich, dass die wasserabweisende Schicht 24 in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist. In diesem Fall ist die wasserabweisende Schicht nicht nur in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, sondern auch in dem Bereich, wo der erste Teil 23a derselben vorhanden ist, nicht vorhanden.
  • Wenn eine Vielzahl vollständiger Brennstoffeinzelzellen, in denen eine Elektrode gleichermaßen auf der anderen Oberfläche des Membranelektrodenaufbaus vorgesehen ist und ferner Separatoren vorgesehen sind, gestapelt wird, kann aus dem Grund, dass sie einen derartigen Aufbau aufweisen, die mechanische Last, die auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, gering gehalten werden und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch wie vorgesehen ausreichend Strom erzeugt wird.
  • In dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, ist die Katalysatorschicht 22 ursprünglich von der Gasdiffusionsschicht 25 durch den zweiten Teil 23b der Schutzschicht isoliert. Folglich kann in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, das zugeführte Gas nicht die Katalysatorschicht 22 erreichen, wodurch kein Wasser erzeugt wird, welches ein Produkt der Elektrodenreaktion ist. Auch wenn die Dicke der wasserabweisenden Schicht wie oben erwähnt im obigen Bereich gesteuert wird, tritt demgemäß kein nachteiliger Effekt auf die wasserabweisende Eigenschaft der vollständigen Brennstoffeinzelzelle auf.
  • 3 ist ein schematischer Querschnitt, der ein zweites typisches Beispiel des Membranelektrodenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht ist und eine Elektrode nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen ist. Der Aufbau der Polymerelektrolytmembran 21, der Katalysatorschicht 22, der Schutzschicht 23 und der Gasdiffusionsschicht 25 ist derselbe wie bei dem Membranelektrodenaufbau, wie er in 2 gezeigt ist.
  • Wie in 3 gezeigt, ist jede der Dicken 24a und 24b der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, vorzugsweise dünner als die Dicke 24c derselben im Zentralbereich, so dass die Dicken 26a und 26b des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer sind als die Dicke 26c des Membranelektrodenaufbaus im Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist.
  • In dem Fall, wo die Dicke der Katalysatorschicht 22 dicker als oder im Wesentlichen gleich der der Schutzschicht 23 ist, können die Dicken 24a und 24c einander im Wesentlichen gleich sein. Dies ist darin begründet, dass, wenn die Dicke der Katalysatorschicht 22 dicker als oder im Wesentlichen gleich der der Schutzschicht 23 ist, die Dicke 26a naturgemäß gleich oder geringer als die Dicke 26c ist, wodurch die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Die Dicken 24a und 24b sind Werte, die voneinander unabhängig sind, ebenso wie die Dicken 26a und 26b.
  • Auch die Dicke 24a kann gleich 0 sein, das heißt, es ist möglich, dass die wasserabweisende Schicht 24 in dem Bereich, wo der erste Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist.
  • In dem Bereich, wo der erste Teil 23a der Schutzschicht vorhanden ist, ist keine Katalysatorschicht vorhanden, und somit ist der Bereich nicht an der Elektrodenreaktion beteiligt, wodurch kein Wasser erzeugt wird, was ein Reaktionsprodukt ist. Folglich ist es nicht notwendig, die Dicke der wasserabweisenden Schicht in diesem Bereich dicker als die Dicke derselben in dem Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle zu machen. Auch wenn die Dicke der wasserabweisenden Schicht wie oben erwähnt gesteuert wird, tritt demgemäß kein nachteiliger Effekt auf die wasserabweisende Eigenschaft der gesamten Brennstoffeinzelzelle auf.
  • 4 ist ein schematischer Querschnitt, der ein drittes typisches Beispiel des Membranelektrodenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht ist und eine Elektrode nur auf einer Oberfläche einer Elektrodenmembran vorgesehen ist. Der Aufbau der Polymerelektrolytmembran 21, der Katalysatorschicht 22, der Schutzschicht 23 und der Gasdiffusionsschicht 25 ist derselbe wie bei dem in 2 gezeigten Membranelektrodenaufbau.
  • Wie in 4 gezeigt, ist die wasserabweisende Schicht 24 in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, vorzugsweise nicht vorhanden. Die Dicken 26a und 26b des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, können aufgrund der Tatsache, dass dieser einen derartigen Aufbau aufweist, gleich oder geringer sein als die Dicke 26c des Membranelektrodenaufbaus im Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist.
  • Es ist, wie oben erwähnt, nicht notwendig, die wasserabweisende Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, bereitzustellen. Auch wenn die wasserabweisende Schicht aus dem Bereich entfernt ist, tritt demgemäß kein nachteiliger Effekt hinsichtlich der wasserabweisenden Eigenschaft der gesamten Brennstoffeinzelzelle auf.
  • 5 ist ein schematischer Querschnitt, der ein typisches Beispiel zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine poröse Schicht ist und eine Elektrode und die poröse Schicht nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen sind. Im Speziellen ist dies eine Ansicht, die zeigt, dass in dem in 1(a) gezeigten Zustand die Gasdiffusionsschicht 25 und eine poröse Schicht 27 ferner in dieser Reihenfolge auf die Seite der Katalysatorschicht 22 gestapelt sind. In dieser Figur ist die rechte Hälfte des Laminats weggelassen, wodurch somit in 5 das rechte Ende der Figur der Zentralbereich des Laminats ist und das linke Ende die Außenseite in Ebenenrichtung des Laminats ist. Auch in 5 ist die wasserabweisende Schicht ein Teil der Gasdiffusionsschicht oder ist nicht vorgesehen, so dass die wasserabweisende Schicht hier absichtlich nicht gezeigt wird.
  • Wie in 5 gezeigt, wird eine rahmenförmige Schutzschicht bereitgestellt, welche den ersten Teil 23a aufweist, der zwischen dem äußeren peripheren Randabschnitt der Elektrolytmembran 21 und dem der Gasdiffusionsschicht 25, welche zueinander ausgerichtet sind, vorhanden ist, und den zweiten Teil 23b, der die Außenperipherie der Katalysatorschicht 22 überlappt.
  • Die poröse Schicht 27 in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, wird dünner ausgebildet als eine Dicke 28c derselben im Zentralbereich, so dass die Dicke 28b des Laminats in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke 28c derselben im Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist. Das heißt, 27b < 27c, so dass 28b ≤ 28c.
  • Wenn eine Vielzahl der vollständigen Brennstoffeinzelzellen, in denen eine Elektrode gleichermaßen auf der anderen Oberfläche des Membranelektrodenaufbaus vorgesehen ist und ferner Separatoren vorgesehen sind, gestapelt wird, kann aufgrund der Tatsache, dass diese einen derartigen Aufbau aufweisen, die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, ist die Katalysatorschicht 22 ursprünglich von der Gasdiffusionsschicht 25 durch den zweiten Teil 23b der Schutzschicht isoliert, so dass das zugeführte Gas nicht die Katalysatorschicht 22 erreichen kann. Folglich ist in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, es nicht notwendig, die Dicke der porösen Schicht dicker als die Dicke derselben im Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle zu machen. Auch wenn die Dicke der porösen Schicht wie oben erwähnt gesteuert wird, tritt demgemäß kein nachteiliger Effekt auf das Gaszufuhrvermögen der gesamten Brennstoffeinzelzelle auf.
  • 6 ist ein schematischer Querschnitt, der ein zweites typisches Beispiel zeigt, bei dem eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine poröse Schicht ist und eine Elektrode und die poröse Schicht nur auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran vorgesehen sind. Der Aufbau der Polymerelektrolytmembran 21, der Katalysatorschicht 22, der Schutzschicht 23 und der Gasdiffusionsschicht 25 ist derselbe wie bei dem in 5 gezeigten Laminat. Aus demselben Grund wie in 5 ist auch in 6 die wasserabweisende Schicht absichtlich nicht gezeigt.
  • Wie in 6 gezeigt, ist es bevorzugt, dass eine Dicke 27a und die Dicke 27b der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, dünner sind als die Dicke 27c derselben im Zentralbereich, so dass eine Dicke 28a und die Dicke 28b des Laminats in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer sind als die Dicke 28c derselben im Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist. Das heißt, es ist bevorzugt, dass 27a < 27c und 27b < 27c, so dass 28a ≤ 28c und 28b ≤ 28c.
  • In dem Fall, wo die Dicke der Katalysatorschicht 22 dicker als oder im Wesentlichen gleich der der Schutzschicht 23 ist, können die Dicken 27a und 27c im Wesentlichen gleich sein. Das ist darin begründet, dass, wenn die Dicke der Katalysatorschicht 22 dicker als oder im Wesentlichen gleich der der Schutzschicht 23 ist, die Dicke 28a naturgemäß gleich oder geringer ist als die Dicke 28c, wodurch die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Die Dicken 27a und 27b sind Werte, die voneinander unabhängig sind, ebenso wie die Dicken 28a und 28b.
  • In dem Bereich, wo der erste Teil der Schutzschicht vorhanden ist, ist die Katalysatorschicht nicht vorhanden und ist somit der Bereich nicht an der Elektrodenreaktion beteiligt. Folglich ist es nicht notwendig, die Dicke der porösen Schicht in diesem Bereich absichtlich dicker als die Dicke derselben im Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle zu machen. Auch wenn die Dicke der porösen Schicht wie oben erwähnt gesteuert wird, tritt demgemäß kein nachteiliger Effekt auf das Gaszufuhrvermögen der vollständigen Brennstoffeinzelzelle auf.
  • Die in den 2, 3 und 4 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht und die in den 5 und 6 gezeigte Dickensteuerung der porösen Schicht können auf jedes der in den 1 gezeigten Beispiele angewendet werden.
  • Die 7 und 8 sind schematische Querschnitte, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 2 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in 1 gezeigten Beispiele angewendet ist. In diesen Figuren sind, ebenso wie in 1, Schichten, die hinsichtlich ihres Musters identisch sind, tatsächlich durchgehende Schichten.
  • 7(a) und 7(b) zeigen schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 vorgesehen ist. 7(a) ist derart, dass die wasserabweisende Schicht 24, die der in 2 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 der 1(a) bereitgestellt sind. In 7(b) werden dieselben Schichten der 1(b) bereitgestellt. Das in 7(a) gezeigte Beispiel ist dasselbe wie das der 2. Die 7(c) bis 7(e) und 8(a) bis 8(c) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 vorgesehen ist. 7(c) ist derart, dass die wasserabweisende Schicht 24, die der in 2 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 der 1(c) bereitgestellt sind. In den 7(d), 7(e), 8(a), 8(b) und 8(c) werden die wasserabweisende Schicht 24, die der in 2 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 den 1(d), 1(e), 1(f), 1(g) bzw. 1(h) bereitgestellt.
  • In jeder der 7(a) bis 7(e) und 8(a) bis 8(c) ist die Dicke 26b des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer als die Dicke 26c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist, so dass die Brennstoffeinzelzelle, die unter Verwendung irgendeiner dieser Membranelektrodenaufbauten hergestellt ist, einen Aufbau aufweisen kann, bei dem die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht 23 vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In den 7(a) und (b) kann auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 21 eine Elektrode bereitgestellt sein, die keine Schutzschicht aufweist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Dicke der wasserabweisenden Schicht auf der anderen Oberfläche zu steuern, und ist es möglich, die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zu erhalten, indem auf dieselbe Weise wie oben erwähnt lediglich die Dicke der wasserabweisenden Schicht, die auf der Oberfläche mit der Schutzschicht bereitgestellt ist, gesteuert wird.
  • Die 9 und 10 sind schematische Querschnitte, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 3 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in den 1 gezeigten Beispiele angewendet ist. In diesen Figuren sind wie in den 1 Schichten, die hinsichtlich ihres Musters identisch sind, tatsächlich durchgehende Schichten.
  • Die 9(a) und 9(b) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 vorgesehen ist. 9(a) ist derart, dass die wasserabweisende Schicht 24, die der in 3 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 der 1(a) bereitgestellt sind. In 9(b) werden dieselben Schichten der 1(b) bereitgestellt. Das in 9(a) gezeigte Beispiel ist dasselbe wie das der 3. Die 9(c) bis 9(e) und 10(a) bis 10(c) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 vorgesehen ist. 9(c) ist derart, dass die wasserabweisende Schicht 24, die der in 3 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 der 1(c) bereitgestellt sind. In den 9(d), 9(e), 10(a), 10(b) und 10(c) werden die wasserabweisende Schicht 24, die der in 3 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 den 1(d), 1(e), 1(f), 1(g) bzw. 1(h) bereitgestellt.
  • In jeder der 9(a) bis 9(e) und 10(a) bis 10(c) sind die Dicken 26a und 26b des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer als die Dicke 26c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, so dass die unter Verwendung irgendeiner dieser Membranelektrodenaufbauten hergestellte Brennstoffeinzelzelle einen Aufbau aufweisen kann, bei dem die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht 23 vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In den 9(a) und 9(b) kann an der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 21 eine Elektrode bereitgestellt sein, die keine Schutzschicht aufweist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Dicke der wasserabweisenden Schicht auf der anderen Oberfläche zu steuern, und ist es möglich, die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zu erhalten, indem lediglich auf die wie oben erwähnte Weise die Dicke der wasserabweisenden Schicht gesteuert wird, die auf der Oberfläche mit der Schutzschicht bereitgestellt ist.
  • Die 11 und 12 sind schematische Querschnitte, die einen Membranelektrodenaufbau zeigen, bei dem die in 4 gezeigte Dickensteuerung der wasserabweisenden Schicht auf die in den 1 gezeigten Beispiele angewendet wurde. In diesen Figuren sind, wie in den 1, Schichten, die hinsichtlich des Musters identisch sind, tatsächlich eine durchgehende Schicht.
  • Die 11(a) und 11(b) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 vorgesehen ist. 11(a) ist derart, dass die wasserabweisende Schicht 24, die der in 4 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 der 1(a) bereitgestellt sind. In 11(b) werden dieselben Schichten der 1(b) bereitgestellt. Das in 11(a) gezeigte Beispiel ist dasselbe wie das in 4. Die 11(c) bis 11(e) und 12(a) bis 12(c) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 vorgesehen ist. 11(c) ist derart, dass die wasserabweisende Schicht, die der in 4 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 der 1(c) bereitgestellt sind. In den 11(d), 11(e), 12(a), 12(b) und 12(c) werden die wasserabweisende Schicht 24, die der in 4 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, und die Gasdiffusionsschicht 25 den 1(d), 1(e), 1(f), 1(g) bzw. 1(h) bereitgestellt.
  • In jeder der 11(a) bis 11(e) und 12(a) bis 12(c) sind die Dicken 26a und 26b des Membranelektrodenaufbaus in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer als die Dicke 26c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, so dass die Brennstoffeinzelzelle, die unter Verwendung eines beliebigen dieser Membranelektrodenaufbauten hergestellt wird, einen Aufbau aufweisen kann, bei dem die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht 23 vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In den 11(a) und 11(b) kann auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 21 eine Elektrode bereitgestellt sein, die keine Schutzschicht aufweist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Dicke der wasserabweisenden Schicht auf der anderen Oberfläche zu steuern, und ist es möglich, die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zu erhalten, indem lediglich auf dieselbe wie oben erwähnte Weise nur die Dicke der auf der Oberfläche mit der Schutzschicht bereitgestellten wasserabweisenden Schicht gesteuert wird.
  • Die 13 und 14 sind schematische Querschnitte, die ein Laminat zeigen, bei dem die in 5 gezeigte Dickensteuerung der porösen Schicht auf die in den 1 gezeigten Beispiele angewendet wurde. In diesen Figuren sind, wie in den 1, Schichten, die hinsichtlich ihres Musters identisch sind, tatsächlich eine durchgehende Schicht.
  • Die 13(a) und 13(b) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode und eine poröse Schicht auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 vorgesehen sind. 13(a) ist derart, dass die Gasdiffusionsschicht 25 und die poröse Schicht 27, die der in 5 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, der 1(a) bereitgestellt sind. In 13(b) werden dieselben Schichten der 1(b) bereitgestellt. Das in 13(a) gezeigte Beispiel ist dasselbe wie das der 5. Die 13(c) bis 13(e) und 14(a) bis 14(c) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode und eine poröse Schicht auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 vorgesehen sind. In den 13(c), 13(d), 13(e), 14(a), 14(b) und 14(c) werden die Gasdiffusionsschicht 25 und die poröse Schicht 27, die der in 5 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, den 1(c), 1(d), 1(e), 1(f), 1(g) bzw. 1(h) bereitgestellt.
  • In jeder der 13(a) bis 13(e) und 14(a) bis 14(c) ist die Dicke 28b des Laminats in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer als die Dicke 28c des Laminats im Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist, so dass die unter Verwendung irgendeiner dieser Laminate hergestellte Brennstoffeinzelzelle einen Aufbau aufweisen kann, bei dem die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht 23 vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In den 13(a) und 13(b) kann auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 21 eine Elektrode bereitgestellt sein, die keine Schutzschicht aufweist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Dicke der porösen Schicht auf der anderen Oberfläche zu steuern, und ist es möglich, die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zu erhalten, indem lediglich auf dieselbe wie oben erwähnte Weise nur die Dicke der porösen Schicht gesteuert wird, die auf der Oberfläche mit der Schutzschicht bereitgestellt ist.
  • Die 15 und 16 sind schematische Querschnitte, die ein Laminat zeigen, bei dem die in 6 gezeigte Dickensteuerung der porösen Schicht auf die in den 1 gezeigten Beispiele angewendet ist. In diesen Figuren sind, ebenso wie in den 1, Schichten, die hinsichtlich ihres Musters identisch sind, tatsächlich durchgehende Schichten.
  • Die 15(a) und 15(b) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode und eine poröse Schicht auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 21 vorgesehen sind. 15(a) ist derart, dass die Gasdiffusionsschicht 25 und die poröse Schicht 27, die der in 6 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, der 1(a) bereitgestellt sind. In 15(b) werden dieselben Schichten der 1(b) bereitgestellt. Das in 15(a) gezeigte Beispiel ist dasselbe wie das der 6. Die 15(c) bis 15(e) und 16(a) bis 16(c) sind schematische Querschnitte, die ein Beispiel zeigen, bei dem eine Elektrode und eine poröse Schicht beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt sind. In den 15(c), 15(d), 15(e), 16(a), 16(b) und 16(c) werden die Gasdiffusionsschicht 25 und die poröse Schicht 27, die der in 6 gezeigten Dickensteuerung unterzogen wurde, den 1(c), 1(d), 1(e), 1(f), 1(g) bzw. 1(h) bereitgestellt.
  • In jeder der 15(a) bis 15(e) und 16(a) bis 16(c) sind die Dicken 28a und 28b des Laminats in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer als die Dicke 28c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, so dass die Brennstoffeinzelzelle, die unter Verwendung eines beliebigen dieser Laminate hergestellt wird, einen Aufbau aufweisen kann, bei dem die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht 23 vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht 23 nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • In den 15(a) und 25(b) kann auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 21 eine Elektrode bereitgestellt sein, die keine Schutzschicht aufweist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Dicke der porösen Schicht auf der anderen Oberfläche zu steuern, und ist es möglich, die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zu erhalten, indem lediglich auf dieselbe wie oben erwähnte Weise nur die Dicke der porösen Schicht gesteuert wird, die auf der Oberfläche mit der Schutzschicht bereitgestellt ist.
  • Gegenüber dem Fall, wo die Schutzschicht lediglich auf einer Oberfläche bereitgestellt ist und die auf der Oberfläche bereitgestellte Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht einer Dickensteuerung unterzogen wird, ist es vielmehr bevorzugt, dass, wie in den 7(c) bis 7(e), 8(a) bis 8(c), 9(c) bis 9(e), 10(a) bis 10(c), 11(c) bis 11(e), 12(a) bis 12(c), 13(c) bis 13(e), 14(a) bis 14(c), 15(c) bis 15(e) und 16(a) bis 16(c) gezeigt, die Elektroden auf beiden Oberflächen jeweils die Schutzschicht und Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht (in diesem Fall eine wasserabweisende Schicht oder eine poröse Schicht) aufweisen und die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht dünner ist in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, als in dem Zentralbereich, oder nicht vorhanden ist, so dass in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, die Dicke des Membranelektrodenaufbaus oder die des Laminats mit dem Membranelektrodenaufbau und poröser Schicht gleich oder geringer ist als die Dicke des Membranelektrodenaufbaus oder die des Laminats in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist. Denn in der vollständigen Brennstoffeinzelzelle kann auf jeder der Anoden- und Kathodenelektrodenseiten die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
  • Es ist bevorzugt, dass, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, die Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke der Schutzschicht. Denn es ist möglich, die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last zu unterdrücken und eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle auszuüben, indem eine geeignete Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, gewählt wird.
  • Es ist bevorzugt, dass, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, die wasserabweisende Schicht in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, nicht vorhanden ist. Denn es ist möglich, die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last zu unterdrücken und eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle auszuüben, indem keine wasserabweisende Schicht, welche in dem äußeren Randabschnitt der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht im Wesentlichen unnötig ist, bereitgestellt wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, 200 bis 600 μm beträgt.
  • Insbesondere unter Berücksichtigung der Dicke der Schutzschicht beträgt die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, vorzugsweise 200 bis 500 μm. Denn wenn die Dicke der porösen Schicht 500 μm übersteigt, übersteigt die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, die Dicke derselben in ihrem Zentralbereich, und wenn die Dicke der porösen Schicht weniger als 200 μm beträgt, ist es nicht möglich, die Dicke der porösen Schicht, welche ausreichend elastisch ist, um den auf den Membranelektrodenaufbau im Inneren der Brennstoffeinzelzelle aufgebrachten Druck konstant zu machen, beizubehalten. Darüber hinaus beträgt die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, vorzugsweise 200 bis 400 μm.
  • Insbesondere unter Berücksichtigung der Dicke der Schutzschicht beträgt auch die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil der Schutzschicht vorhanden ist, vorzugsweise 200 bis 500 μm. Denn wenn die Dicke der porösen Schicht 500 μm übersteigt, übersteigt der Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil der Schutzschicht vorhanden ist, die Dicke derselben in ihrem Zentralbereich, und wenn die Dicke der porösen Schicht weniger als 200 μm beträgt, ist es nicht möglich, die Dicke der porösen Schicht, welche ausreichend elastisch ist, um den auf den Membranelektrodenaufbau im Inneren der Brennstoffeinzelzelle aufgebrachten Druck konstant zu machen, beizubehalten. Darüber hinaus beträgt die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil der Schutzschicht vorhanden ist, vorzugsweise 200 bis 500 μm.
  • Die Dicke der porösen Schicht in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, beträgt vorzugsweise 300 bis 600 μm. Denn dies ist eine Dicke, die ausreichend elastisch ist, um den auf den Membranelektrodenaufbau im Inneren der Brennstoffeinzelzelle aufgebrachten Druck konstant zu machen.
  • 17 ist eine Ansicht, die ein typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In 17 ist die Durchbiegung der planen Separatoren überzeichnet, um den Unterschied der Dicke zwischen den Bereichen der Brennstoffeinzelzelle zu betonen.
  • Die Brennstoffeinzelzelle des typischen Beispiels wird gebildet, indem der 11(c) gezeigte Membranelektrodenaufbau sandwichartig zwischen ein Paar der porösen Schichten 27 angeordnet wird und die resultierende Sandwichstruktur ferner sandwichartig zwischen einem Paar an planen Separatoren 29 angeordnet wird, von denen keiner einen Gaskanal aufweist. Die Dicke der porösen Schicht 27 und die der planen Separatoren 29 sind unabhängig von den Bereichen der Brennstoffeinzelzelle und im Wesentlichen gleichförmig, so dass daher bei der sandwichartigen Anordnung jeder der planen Separatoren 29 aufgrund des Unterschieds der Dicke zwischen den Bereichen des Membranelektrodenaufbaus durchbiegt. Aufgrund der Verwendung des Membranelektrodenaufbaus, bei dem die wasserabweisende Schicht 24 nicht vorhanden ist in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, kann zu diesem Zeitpunkt einen Aufbau erhalten werden, bei der die Dicken 30a und 30b der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer sind als eine Dicke 30c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • 18 ist eine Ansicht, die ein zweites typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 17 ist auch in 18 der Unterschied der Dicken zwischen den Bereichen der Brennstoffeinzelzelle überzeichnet.
  • Die Brennstoffeinzelzelle des zweiten typischen Beispiels wird ausgebildet, indem der in 8(a) gezeigte Membranelektrodenaufbau sandwichartig zwischen ein Paar der porösen Schichten 27 angeordnet wird und die resultierende Sandwichstruktur ferner sandwichartig zwischen einem Paar der planen Separatoren 29 angeordnet wird, von denen keiner einen Gaskanal aufweist. Aufgrund der Verwendung des Membranelektrodenaufbaus, bei dem die Dicke der wasserabweisenden Schicht 24 in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, kann in diesem Fall ein Aufbau erhalten werden, bei dem die Dicke 30b der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke 30c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • 19 ist eine Ansicht, die ein drittes typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Ebenso wie in 17 ist auch in 19 die Durchbiegung der planen Separatoren überzeichnet, um den Unterschied der Dicke zwischen den Bereichen der Brennstoffeinzelzelle zu betonen.
  • Die Brennstoffeinzelzelle des dritten typischen Beispiels wird gebildet, indem das in 13(c) gezeigte Laminat sandwichartig zwischen einem Paar der planen Separatoren 29 angeordnet wird, von denen keiner einen Gaskanal aufweist. Die Dicke der porösen Schicht 27 in der Außenperipherie der Brennstoffeinzelzelle ist durch Abschaben derselben verringert. Die Dicke der planen Separatoren 29 ist unabhängig von den Bereichen der Brennstoffeinzelzelle und im Wesentlichen gleichförmig; deshalb biegt sich bei einer sandwichartigen Anordnung jeder der planen Separatoren 29 aufgrund des Unterschieds der Dicke zwischen den Bereichen des Laminats durch. Aufgrund der Verwendung des Laminats, bei dem die Dicke der porösen Schicht 27 in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, kann zu diesem Zeitpunkt ein Aufbau erhalten werden, bei dem die Dicke 30b der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke 30c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden, und es wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • 20 ist eine Ansicht, die ein viertes typisches Beispiel der Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Ebenso wie in 17 ist auch in 20 die Durchbiegung der planen Separatoren überzeichnet.
  • Die Brennstoffeinzelzelle der vierten typischen Beispiels wird gebildet, indem das in 16(a) gezeigte Laminat sandwichartig zwischen einem Paar der planen Separatoren 29 angeordnet wird, von denen keiner einen Gaskanal aufweist. Die Dicke der porösen Schicht 27 in der Außenperipherie der Brennstoffeinzelzelle ist durch Pressen derselben verringert. Die Dicke der planen Separatoren 29 ist unabhängig von den Bereichen der Brennstoffeinzelzelle und im Wesentlichen gleichförmig; deshalb biegt sich bei einer sandwichartigen Anordnung jeder der planen Separatoren 29 aufgrund des Unterschieds der Dicke zwischen den Bereichen des Membranelektrodenaufbaus durch. Aufgrund der Verwendung des Laminats, bei dem die Dicke der porösen Schicht 27 in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, dünner ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, kann zu diesem Zeitpunkt ein Aufbau erhalten werden, bei dem die Dicken 30a und 30b der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil 23a und der zweite Teil 23b der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer sind als die Dicke 30c derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist. Wenn demgemäß eine Vielzahl der Brennstoffzellen gestapelt wird, kann die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden und wird eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • Um gemäß der vorliegenden Erfindung die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, welche aufgrund des Vorhandenseins der Schutzschicht derart dick ist, gleich oder geringer als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, zu machen, ist die Dicke der Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, dünner als die Dicke derselben in dem Zentralbereich oder ist die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht in dem Bereich, wo der zweite Teil vorhanden ist, nicht bereitgestellt, wobei daher bei dem Stapeln einer Vielzahl der Brennstoffeinzelzellen die auf die Elektrolytmembran aufgebrachte mechanische Last gering gehalten werden kann und eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs der Brennstoffeinzelzelle aufgebracht wird, wodurch ausreichend Strom wie vorgesehen erzeugt wird.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffeinzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der oben erwähnten Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung, welches einen Schritt der teilweisen und selektiven Verringerung der Dicke von zumindest einer der porösen Schichten umfasst, die auf der Anoden- und Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, indem ein Teil der porösen Schicht, welcher den Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, überlappt, geschält bzw. gehobelt oder gepresst wird.
  • Die Materialien und Herstellungsverfahren, die für die Komponenten der Brennstoffeinzelzelle, die Festpolymerelektrolytmembran, Katalysatorschicht, Schutzschicht, Gasdiffusionsschicht, wasserabweisende Schicht und den planen Separator (ausschließlich der porösen Schicht) verwendet werden, sind wie oben beschrieben. Die Materialien für die poröse Schicht sind ebenfalls wie oben beschrieben.
  • Als das Verfahren zum teilweisen und selektiven Schälen bzw. Hobeln der porösen Schicht kann ein Verfahren zum Verarbeiten derselben durch Schneiden mittels einer allgemeinen Schneidevorrichtung oder dergleichen erwähnt werden.
  • Als das Verfahren zum teilweisen und selektiven Pressen der porösen Schicht kann ein Verfahren zum Verarbeiten derselben durch Pressen bei einer vorbestimmten Last erwähnt werden.
  • Die Brennstoffeinzelzelle der vorliegenden Erfindung kann erhalten werden durch Verwenden des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffeinzelzelle mit einem derartigen Schritt. Die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, kann durch ein einfaches Verfahren des Schälens bzw. Hobelns oder Pressens der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, verringert werden.
  • Zusammenfassung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffeinzelzelle zur Verfügung zu stellen, welche die auf die Elektrolytmembran derselben aufgebrachte mechanische Last gering halten kann und eine ausreichende Last pro Flächeneinheit des Zentralbereichs derselben ausübt. Diese Aufgabe wurde erreicht durch eine Brennstoffeinzelzelle, die einen Membranelektrodenaufbau und ein Paar an Separatoren umfasst, wobei in dem Aufbau eine Anodenelektrode, die eine Anodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer ersten Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine Kathodenelektrode, die eine Kathodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer zweiten Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, wobei auf mindestens einer der Anodenseite und der Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran die Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht eine Größe und Gestalt aufweist, die geringfügig kleiner sind als jene der Festpolymerelektrolytmembran und jene der Gasdiffusionsschicht, und ein äußerer peripherer Randabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran und der der Gasdiffusionsschicht aus einer Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht herausstehen und zueinander ausgerichtet sind, wobei eine rahmenförmige Schutzschicht auf mindestens einer der Anodenseite und der Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, welche einen ersten Teil aufweist, der zwischen dem äußeren peripheren Randabschnitt der Elektrolytmembran und dem der Gasdiffusionsschicht, welche zueinander ausgerichtet sind, vorhanden ist, und einen zweiten Teil aufweist, der die Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht überlappt; und wobei die Brennstoffeinzelzelle eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht umfasst, die in einem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als in einem Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo die Schutzschicht nicht vorhanden ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2004-47230 A [0012]

Claims (11)

  1. Brennstoffeinzelzelle, die einen Membranelektrodenaufbau und ein Paar von Separatoren umfasst, wobei in dem Aufbau eine Anodenelektrode, die eine Anodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer ersten Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine Kathodenelektrode, die eine Kathodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, auf einer zweiten Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, wobei die Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran eine Größe und Gestalt aufweist, die geringfügig kleiner ist als jene der Festpolymerelektrolytmembran und jene der Gasdiffusionsschicht, und ein äußerer peripherer Randabschnitt der Festpolymerelektrolytmembran und der der Gasdiffusionsschicht aus der Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht hervorstehen und zueinander ausgerichtet sind; wobei eine rahmenförmige Schutzschicht auf mindestens einer der Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, die einen ersten Teil aufweist, der zwischen dem äußeren peripheren Randabschnitt der Elektrolytmembran und dem der Gasdiffusionsschicht vorhanden ist, welche zueinander ausgerichtet sind, und einen zweiten Teil, der die Außenperipherie der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht überlappt; und wobei die Brennstoffeinzelzelle eine Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht umfasst, die in einem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als in einem Zentralbereich der Brennstoffeinzelzelle, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist.
  2. Brennstoffeinzelzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht eine wasserabweisende Schicht ist, die zwischen der Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht vorhanden ist.
  3. Brennstoffeinzelzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht mindestens eine von porösen Schichten ist, zwischen denen der Membranelektrodenaufbau sandwichartig angeordnet ist, und die resultierende Sandwichstruktur ferner sandwichartig zwischen einem Paar von planen Separatoren angeordnet ist, von denen keiner einen Gaskanal aufweist.
  4. Brennstoffeinzelzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, dünner ist als in dem Zentralbereich derselben, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden ist, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist.
  5. Brennstoffeinzelzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht auf mindestens einer der Anodenseite und der Kathodenseite der Festpolymerelektrolytmembran in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, dünner ist als in dem Zentralbereich derselben, wo keine Schutzschicht vorhanden ist, oder in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, nicht vorhanden ist, so dass die Dicke der Brennstoffeinzelzelle in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke derselben in dem Zentralbereich, wo keine Schutzschicht vorhanden ist.
  6. Brennstoffeinzelzelle nach einem der Ansprüche 2, 4 und 5, wobei, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, der Membranelektrodenaufbau sandwichartig zwischen einem Paar von porösen Schichten angeordnet ist und die resultierende Sandwichstruktur ferner sandwichartig zwischen einem Paar von planen Separatoren angeordnet ist, von denen keiner einen Gaskanal aufweist.
  7. Brennstoffeinzelzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei jede der porösen Schichten eine Porosität von 70% oder mehr und einen Porendurchmesser von 20 bis 100 nm aufweist.
  8. Brennstoffeinzelzelle nach einem der Ansprüche 2, 4 bis 7, wobei, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, die Dicke der wasserabweisenden Schicht in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, gleich oder geringer ist als die Dicke der Schutzschicht.
  9. Brennstoffeinzelzelle nach einem der Ansprüche 2, 4 bis 8, wobei, wenn die Brennstoffeinzelzellendickensteuerungsschicht die wasserabweisende Schicht ist, in dem Bereich der Brennstoffeinzelzelle, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, keine die wasserabweisende Schicht vorhanden ist.
  10. Brennstoffeinzelzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Dicke der porösen Schicht in dem Bereich, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind, 200 bis 600 μm beträgt.
  11. Verfahren zur Herstellung der wie in einem der Ansprüche 3 bis 10 definierten Brennstoffeinzelzelle, wobei das Verfahren einen Schritt der teilweisen und selektiven Verringerung der Dicke von mindestens einer der porösen Schichten umfasst, die auf den Anoden- und Kathodenseiten der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen sind, durch Abschaben oder Pressen eines Teils der porösen Schicht, die den Bereich überlappt, wo der erste Teil und der zweite Teil der Schutzschicht vorhanden sind.
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