DE112009000103T5

DE112009000103T5 - Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie

Info

Publication number: DE112009000103T5
Application number: DE112009000103T
Authority: DE
Inventors: Yukihiro Kariya-shi Suzuki; Keiji Kariya-shi Hashimoto
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: CN101983452B; JP2010033963A; JP5304082B2; US8445160B2; WO2010013524A1; US20100291472A1; CN101983452A; DE112009000103B4

Abstract

Eine Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie, aufweisend
einen doppelten Rahmen;
eine elektrolytische Membran, die an der Innenseite des Rahmens befestigt ist;
eine anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht, die auf einer ersten Oberfläche der elektrolytischen Membran gelegen ist;
eine kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht, die auf einer zweiten Seite der elektrolytischen Membran gelegen ist;
ein erstes, eine Gaspassage formendes Bauteil, das auf der Oberfläche der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht gelegen ist und eine erste Gaspassage für die Versorgung mit Treibstoffgas aufweist; und
ein zweites, eine Gaspassage formendes Bauteil, das auf der Oberfläche der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht gelegen ist und eine zweite Gaspassage für die Versorgung mit Oxidationsgas aufweist,
wobei eine Versorgungspassage für die Versorgung mit Treibstoffgas zu der ersten Gaspassage und eine Entsorgungspassage für die Entsorgung von Treibstoffabgas von der ersten Gaspassage in dem Rahmen geformt sind,
wobei die Strom erzeugende Zelle durch Wasserzulaufverhinderungsmittel gekennzeichnet ist, die verhindern, dass Wasser in...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie, die zum Beispiel in einem elektrischen Kraftfahrzeug montiert sein kann.
Stand der Technik
Üblicher Weise weist eine Treibstoffbatterie einen Stapel einzelner Zellen auf, der durch eine Anzahl Strom erzeugender Zellen, die auf einander gestapelt sind, gebildet wird. Mit Bezug auf die 9 bis 12 wird eine Strom erzeugende Zelle des Standes der Technik erläutert. Wie in 9 gezeigt, sind ein Paar oberer und unterer Rahmen 13 und 14 mit einander verbunden und eine Elektrodenstruktur 15 ist an dem Verbindungsbereich der Rahmen 13 und 14 installiert. Die Elektrodenstruktur 15 ist an einer festen elektrolytischen Membran 16 ausgebildet, mit einer Elektrodenkatalysatorschicht 17 an der Anodenseite und eine Elektrodenkatalysatorschicht 18 an der Kathodenseite. Der äußere Umfang der festen elektrolytischen Membran 16 ist zwischen den Rahmen 13 und 14 gehalten. Die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 17 ist auf die obere Oberfläche der festen elektrolytischen Membran 16 gelegt und die kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 18 ist auf die untere Oberfläche der festen elektrolytischen Membran 16 gelegt. Eine erste Gasdiffusionsschicht 16 ist auf der oberen Oberfläche der Elektrodenkatalysatorschicht 17 aufgelegt und eine zweite Gasdiffusionsschicht 20 ist auf der unteren Oberfläche der Elektrodenkatalysatorschicht 18 aufgelegt. Weiter ist ein eine erste Gaspassage formendes Bauteil 21 auf der oberen Oberfläche der ersten Gasdiffusionsschicht 19 aufgelegt, und ein eine zweite Gaspassage bildendes Bauteil 22 ist auf der unteren Oberfläche der zweiten Gasdiffusionsschicht 20 aufgelegt. Ein flacher plattenartiger Separator 23 ist mit der oberen Oberfläche des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 verbunden, und ein flacher plattenartiger Separator 24 ist mit der unteren Oberfläche des die zweite Gaspassage formenden Bauteils 22 verbunden.
Die feste elektrolytische Membran 16 ist von einem Fluoropolymerfilm gebildet. Wie in 10 gezeigt, weisen die Elektrodenkatalysatorschichten 17 und 18 jeweils Kohlenstoffpartikel 31 mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern und eine große Anzahl an Platinkatalysatorpartikeln 32 auf, die an der Oberfläche der jeweiligen Kohlenstoffpartikel 31 kleben. Die Katalysatorpartikel 32 haben einen Durchmesser von 2 nm. Sobald Elektrizität von der Treibstoffbatterie erzeugt wird, wirken die Katalysatorpartikel 32 als Katalysator, der die Effizienz der Stromerzeugung erhöht. Die Gasdiffusionsschichten 19, 20 sind durch Kohlenstoffpapier gebildet.
11 ist eine vergrößerte Darstellung, die einen Teil der die erste und die zweite Gaspassage bildenden Bauteile 21 und 22 zeigt. Wie in 11 gezeigt, ist das die Gaspassage formende Bauteil 21 (22) aus einer Metallleiste gebildet, welche eine große Anzahl hexagonaler Ringbereiche 21a (22a) aufweist, die alternierend angeordnet sind. Jeder Ringbereich 21a (22a) hat eine Durchgangsbohrung 21b (22b). Treibstoffgas (Oxidationsgas) strömt durch die Gaspassagen, die durch die Ringbereiche 21a (22a) gebildet werden, und durch die Durchgangsbohrungen 21b (22b).
Wie in 9 gezeigt, bilden die Rahmen 13 und 14 eine Versorgungspassage M1 und eine Entsorgungspassage M2 für das Treibstoffgas. Die Versorgungspassage M1 für das Treibstoffgas wird verwendet, um Wasserstoffgas, welches als Treibstoffgas dient, zu der Gaspassage des die erste Gaspassage bildenden Bauteils 21 zu führen. Die Entsorgungspassage M2 für Treibstoffgas wird verwendet, um Treibstoffgas, welches durch die Gaspassage das die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 passiert hat, oder Treibstoffabgas an die Außenseite abzugeben. Darüber hinaus bilden die Rahmen 13 und 14 eine Versorgungspassage und eine Entsorgungspassage für Oxidationsgas. Die Versorgungspassage für Oxidationsgas ist in einer Position angeordnet, die mit der Rückseite des Blattes der 9 korrespondiert, und wird verwendet, um Luft, die als Oxidationsgas dient, zu den Gaspassagen des die zweite Gaspassage formenden Bauteils 22 zu führen. Die Entsorgungspassage für Oxidationsgas ist an einer Position angeordnet, die mit der Vorderseite des Blattes der 9 korrespondiert, und wird verwendet, um Oxidationsgas, welches durch die Gaspassagen des die zweite Gaspassage formenden Bauteils 22 geströmt ist, oder Oxidationsabgas an die Außenseite zu entsorgen.
Wasserstoffgas von einer Versorgungsquelle für Wasserstoffgas (nicht dargestellt) wird zu dem die erste Gaspassage formenden Bauteil 21 durch eine Versorgungspassage M1 gefördert, wie dies durch den Pfeil P in 9 gezeigt ist, und Luft wird zu dem die zweite Gaspassage bildenden Bauteil 22 von einer Versorgungseinrichtung für Luft (nicht dargestellt) gefördert. Demnach wird Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion in der Strom erzeugenden Zelle generiert. Insbesondere wird Wasserstoffgas (H₂) zu dem die erste Gaspassage formenden Bauteil 21 gefördert und strömt in die Elektrodenkatalysatorschicht 17 durch die erste Gasdiffusionsschicht 19 ein. In der Elektrodenkatalysatorschicht 17 wird der Wasserstoff (H₂) aufgebrochen in Wasserstoff Ionen (H⁺) und Elektronen (e^–), wie dies bei der chemischen Formel (1) dargestellt wird und das Potential der Elektrodenkatalysatorschicht 17 wird Null oder das Standardelektrodenpotential, wie im Stand der Technik bekannt. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1)
Wasserstoff Ionen (H⁺), die durch die voranstehend zitierte Reaktion erhalten werden, erreichen die kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 18 von der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 durch die feste elektrolytische Membran 16. Sauerstoff (O₂) in der Luft wird zu der Elektrodenkatalysatorschicht 18 von dem die zweite Gaspassage formenden Bauteil 22 geführt und reagiert chemisch mit den Wasserstoff Ionen (H⁺) und den Elektronen (e^–), wodurch Wasser erzeugt wird, wie dies in der Formel (2) dargestellt ist. Durch die chemische Reaktion wird das Potential der Elektrodenkatalysatorschicht 18 ungefähr 1,0 oder das Standardelektrodenpotential, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2)
Unter normalen Bedingungen für die Stromerzeugung der Treibstoffbatterie ist das Potential der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 (der ersten Gasdiffusionsschicht 19) geringer als das Potential der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 (der zweiten Gasdiffusionsschicht 20). Im Vergleich zu dem die zweite Gaspassage formenden Bauteil 22 ist das die erste Gaspassage formende Bauteil 21 aufgrund des höheren Potentials weniger anfällig für metallische Oxidation. Daher kann, wie in 12 gezeigt, ein günstiger rostfreier Stahl, zum Beispiel Ferrit basierter SUS, mit einer geringen Korrosionsresistenz gewählt werden. Auf der anderen Seite wird das die zweite Gaspassage formende Bauteil 22, dessen Potential hoch werden kann, von einem Metall gebildet, welches eine hohe Korrosionsresistenz, wie Gold aufweist, wie in 12 gezeigt ist. Patentdokument 1 offenbart eine Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie mit einer ähnlichen Struktur wie in 9 dargestellt. Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift mit der Publikationsnummer 2007/87768 .
Offenbarung der Erfindung
Aufgaben die von der Erfindung gelöst werden Bei einer voranstehend beschriebenen Treibstoffbatterie wird ein Teil des Wasserstoffgases nicht für die Stromerzeugung verwendet und wird als Treibstoffabgas durch die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 und die Entsorgungspassage M2 an die Außenseite entsorgt. Ein Teil des Oxidationsgases, das nicht während der Stromerzeugung reduziert worden ist, wird als Oxidationsabgas an die Außenseite durch eine Entsorgungspassage (nicht dargestellt), die in den Rahmen 13 und 14 gebildet ist, zusammen mit Wasser, das durch die Reaktion nach der Formel (2) gebildet wurde, und Stickstoff aus der Luft entsorgt. Ein Teil des Wassers, welches durch die Reaktion der Formel (2) erzeugt wird, strömt in die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21, während dieses als Sickerwasser durch die kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 18, die feste elektrolytische Membran 16, die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 17 und die erste Gasdiffusionsschicht 19 sickert. Das Sickerwasser wird durch die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 und die Entsorgungspassage M2 zusammen mit dem Treibstoffabgas an die Außenseite abgegeben.
Wie mit Bezug auf 11 erläutert, ist das die erste Gaspassage formende Bauteil 21 aus einer Metallleiste hergestellt, welche eine große Anzahl hexagonaler Ringbereiche 21a in alternierender Anordnung aufweist. Treibstoffgas strömt durch die Gaspassage, die durch die Ringbereiche 21a und die Durchgangsbohrungen 21b geformt werden. In dieser Konfiguration ist es wahrscheinlich, dass Sickerwasser an den Wandoberflächen der Gaspassage verbleibt, welches sich in einer komplizierten Weise aufgrund der Oberflächenspannung weiter wandernd bewegt. Daher wird ein Teil des Sickerwassers nicht aus der Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 an die Außenseite entsorgt, sondern verbleibt als Tropfen in der Gaspassage. Das Sickerwasser, welches in der Gaspassage verbleibt, verursacht die folgenden Probleme. So wird die Strömungsrate des Treibstoffgases, welches durch die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 strömt, in Richtung des Zentrums größer, wie bei der die Strömungsratenverteilung anzeigenden Kurve L in 11 gezeigt ist, und wird in Richtung der linken und rechten Kanten geringer. Daher tendiert das Sickerwasser dazu, an den linken und rechten Kanten des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 zu verbleiben. Darüber hinaus, da die stromabwärts gelegene Kante des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 zu der Entsorgungspassage M2 geöffnet ist, ist der Strömungswiderstand der stromabwärts gelegenen Kante geringer als der Strömungswiderstand der Gaspassage innerhalb des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21. In dieser Konfiguration, wenn Treibstoffgas beginnt zu der Entsorgungspassage M2 durch einen Teil der stromabwärts gelegenen Kante des die erste Gaspassage bildenden Bauteils 21 zu strömen, wird der Strömungswiderstand in diesem Bereich geringer als in den übrigen Bereichen. Daher strömt das Treibstoffgas zu der Entsorgungspassage M2 durch den Teil an der stromabwärts gelegenen Kante während die Strömung in den übrigen Bereichen stagniert. Dem entsprechend ist die Strömungsrate des Treibstoffgases zusätzlich zu den linken und rechten Kanten des die erste Gaspassage bildenden Bauteils 21 an der stromabwärts gelegenen Kante gering, und Sickerwasser wird dort mit hoher Wahrscheinlichkeit verbleiben. Da die Strömungsrate des Treibstoffgases in der Gaspassage des die erste Gaspassage bildenden Bauteils 21 zum Zentrum hin anwächst, strömt Treibstoffgas hauptsächlich zur Entsorgungspassage M2 durch den zentralen Bereich an der stromabwärts gelegenen Kante des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21, und das Sickerwasser tendiert dazu, an den linken und rechten Kanten zu verbleiben.
Wenn Sickerwasser in der Gaspassage in dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 verbleibt und Tropfen W formt, wie in 10 gebildet, wird Treibstoffgas von dem Tropfen W geblockt. Auf diese Weise wird das Treibstoffgas nicht zu Bereichen der ersten Gasdiffusionsschicht 19 und der Elektrodenkatalysatorschicht 17 geliefert, die mit den Tropfen W korrespondieren. Auf diese Weise kann es zu einer lokalen Wasserstoff Mangelsituation kommen. Darüber hinaus kann Sickerwasser in enge Freiräume des äußeren Umfangs der ersten Gasdiffusionsschicht und in die engen Freiräume des äußeren Umfangsbereichs der Elektrodenkatalysatorschicht 17 eindringen. Dies verschlimmert die Mangelerscheinung an Wasserstoff.
Wie allgemein bekannt ist, dringt ein Teil des Wasserstoffs der ersten Gasdiffusionsschicht 19 in die zweite Gasdiffusionsschicht 20 ein, nachdem es durch die Elektrodenkatalysatorschicht 17, die feste elektrolytische Membran 16 und die Elektrodenkatalysatorschicht 18 gesickert ist. Ein Teil des Sauerstoffs in der zweiten Gasdiffusionsschicht dringt nach dem Sickern durch die Elektrodenkatalysatorschicht 18, die feste elektrolytische Membran 16 und die Elektrodenkatalysatorschicht 17 in die erste Gasdiffusionsschicht ein. Auf diese Weise, obwohl die Menge gering ist, entsteht eine Querleckage von Wasserstoff und Sauerstoff zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht 19 und der zweiten Gasdiffusionsschicht 20. In einem Teil der Elektrodenkatalysatorschicht 17, in dem ein Mangel an Wasserstoff vorliegt, existiert kein Wasserstoff für die Reduzierung von Sauerstoff (O₂) mehr. Daher, sofern eine solche Querleckage von Wasserstoff und Sauerstoff auftritt, wird das vorliegende Phänomen zu beobachten sein. Sauerstoff (O₂), der in die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 17 eingedrungen ist, wird von hydrierten Protonen (Wasserstoff Ionen mit Wassermolekülen H⁺ × H₂O) reduziert, die in dem Fluoropolymerfilm ausgebildet sind, der die feste elektrolytische Membran 16 bildet. Auf diese Weise reagieren die hydrierten Protonen mit dem Sauerstoff und den Elektronen, um Wasser zu erzeugen, wie bei der nachfolgenden Formel (3) dargestellt. Die hydrierten Protonen sind Ladungsträger des Polymerfilms, der die feste elektrolytische Membran formt und bewegen sich zusammen mit Sulfonatgruppen (SO₃ ^–). Die hydrierten Protonen bewegen sich dann von der festen elektrolytischen Membran 16 zu der Elektrodenkatalysatorschicht 17. 1/2 × O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (3)
Im Ergebnis, steigt das Potential der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 und der ersten Gasdiffusionsschicht 19, obwohl dieses wie voranstehend beschrieben 0 oder das Standardelektrodenpotential der Schichten 17 und 19 ist, welche einen Mangel an Wasserstoff aufgrund der Reaktion der Formel (3) aufweisen, auf ca. 1,0. Dieser Anstieg des Standardelektrodenpotentials der Schichten 17 und 19 korrodiert und oxidiert das die erste Gaspassage formende Bauteil 21, welches aus einem Ferrit basierten SUS ausgebildet ist und eine geringe Korrosionswiderstandskraft aufweist, wodurch die Standfestigkeit reduziert wird. Wenn das die erste Gaspassage formende Bauteil 21 korrodiert und oxidiert ist, wird der elektrische Widerstand vergrößert. In diesem Zusammenhang reduziert sich die Stromerzeugung.
Andererseits wird in der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 die Menge an hydrierten Protonen (hydrierte Ionen H⁺ × H₂O), die die feste elektrolytische Membran 16 formen, vorherrschen. Um die Reduktion der hydrierten Protonen zu kompensieren, reagiert Kohlenstoff (C), der die Elektrodenkatalysatorschicht 18 bildet, zusammen mit Wasser, wie dies in der nachfolgenden Formel (4) dargestellt ist, so dass Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff Ionen (H⁺) erzeugt werden. C + 2H₂O + CO₂ → 4H⁺ + 4e^– + ... (4)
Durch diese Reaktion werden die Kohlenstoffpartikel in der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 reduziert, und die Elektrodenkatalysatorschicht 18 wird permanent dünner, wodurch sich die Standzeit der Batterie reduziert. Weiter verringert sich die Stromerzeugung, wenn die Kohlenstoffpartikel der Elektrodenkatalysatorschicht 18 erodiert werden. Dies geschieht, da die Katalysatorpartikel 32 an die Oberfläche jedes Kohlenstoffpartikels 31 geklebt sind, um die Stromerzeugungseffizienz zu erhöhen, welche Stromerzeugung auf den oben beschriebenen Formeln 1 und 2 beruht. Wenn die Kohlenstoffpartikel 31 erodiert werden, fließen die Katalysatorpartikel 32 zu der Gaspassage des die zweite Gaspassage formenden Bauteils 22 von der Elektrodenkatalysatorschicht 18 durch die zweite Gasdiffusionsschicht 20 ab. Wenn die Menge an Katalysator (Platin) der Elektrodenkatalysatorschicht 18 reduziert wird, verringert sich auch die Katalysatorleistung der Elektrodenkatalysatorschicht 18. Dies verringert die Effizienz der Stromerzeugung und resultiert in einer geringeren Stromerzeugung. Die gesamte Reduktion der Stromerzeugung aufgrund der Reduktion des Katalysators (Platin) der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 und die Reduktion, wie voranstehend beschrieben, der Stromerzeugung aufgrund der Korrosion des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 wurde in einem Stromerzeugungstest gemessen, wobei dies unter Bedingungen im Äquivalent zu 10 Jahren Nutzung geschah. Der Test offenbarte, dass 10 Jahre Nutzung die Stromerzeugung auf 40%, im Vergleich zu 100% Stromerzeugung zum Zeitpunkt zu dem die Nutzung gestartet wurde, reduzieren.
Wenn Material wie Titan, welches eine höhere Korrosionswiderstandskraft aufweist, oder ein Material, welches durch das Aufbringen von Goldplatten auf einem ferritbasierten SUS erhalten werden kann, für das die erste Gaspassage formende Bauteil 21 verwendet wird, kann verhindert werden, dass dieses korrodiert und die Standfestigkeit erhöht sich. Jedoch erhöhen sich auf diese Weise die Kosten.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie vorzusehen, die, wenn Sickerwasser in der Gaspassage an dem äußeren Umfangsbereich eines anodenseitigen, die Gaspassage formenden Bauteils verbleibt, verhindert, dass eine kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht erodiert wird und damit die Standfestigkeit des die anodenseitige Gaspassage formenden Bauteils erhöht wird und die Reduktion der Stromerzeugung reduziert wird.
Mittel um die Probleme zu lösen
Um die voranstehend genannte Aufgabe zu lösen und im Zusammenhang mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie vorgesehen, die einen doppelten Rahmen, eine elektrolytische Membran, die innerhalb des Rahmens angebracht ist, eine anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht auf einer ersten Oberfläche der elektrolytischen Membran, eine kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht, die auf der zweiten Seite der elektrolytischen Membran gelegen ist, ein eine erste Gaspassage formendes Bauteil, das auf der Oberfläche der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht gelegen ist, und eine erste Gaspassage für die Versorgung mit Treibstoffgas aufweist, und ein eine zweite Gaspassage formendes Bauteil, das auf der Oberfläche der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht gelegen ist, und eine zweite Gaspassage für die Versorgung mit Oxidationsgas aufweist, vorsieht. Eine Versorgungspassage für die Versorgung mit Treibstoffgas an die erste Gaspassage und eine Entsorgungspassage für die Entsorgung von Treibstoffabgas aus der ersten Gaspassage sind innerhalb des Rahmens asugebildet. Weiter sind Wasserzulaufverhinderungsmittel vorgesehen, die verhindern, dass Wasser in einem Teil der ersten Gaspassage an einem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils verbleibt und in die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht eindringt.
Darüber hinaus ist es nach der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Rahmen um den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht herum die Wasserzulaufverhinderungsmittel ein vorstehendes Teil aufweisen, das an dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils ausgebildet ist, und über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht hinaus steht, so dass dieses mit dem Rahmen überlappt, und dass die Wasserzulaufverhinderungsmittel Wasser dadurch daran hindern, in die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht einzudringen, dass sie das Wasser zwingen, an dem vorstehenden Teil zu verbleiben.
Weiter ist es bevorzugt, dass eine Entfernung, über welche das vorstehende Teil über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht hervorsteht, zwischen 5 und 10 mm liegt. Nach der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls bevorzugt, dass der Rahmen rechteckig ist und dass das vorstehende Teil eines von einer Vielzahl von vorstehenden Teilen ist, die an den linken, rechten und den stromabwärts gelegenen Kanten des äußeren Umfangsbereichs des die erste Gaspassage bildenden Bauteils bezogen auf die Strömungsrichtung in der ersten Gaspassage liegen. Weiter ist es bevorzugt, dass die Wasserzulaufverhinderungsmittel eine plattenartige Schildplatte aufweisen, die am inneren Umfang des Rahmens und zwischen der elektrolytischen Membran und dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils angeordnet ist.
Es ist ebenfalls bevorzugt, dass das die erste Gaspassage formende Bauteil aus einer Metallleiste hergestellt ist.
Es ist auch bevorzugt, dass eine Gasdiffusionsschicht zwischen der anodenseitigen Katalysatorschicht und dem die erste Gaspassage formenden Bauteil und zwischen der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht und dem die zweite Gaspassage formenden Bauteil vorgesehen ist.
(Funktionsweise)
Nach der vorliegenden Erfindung verhindern die Wasserzulaufverhinderungsmittel, dass Wasser in der Gaspassage an dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils an der Anodenseite verbleibt und in den äußeren Umfangsbereich der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht eindringt, so dass ein Wasserstoffmangel in dem äußeren Umfangsbereich der Elektrodenkatalysatorschicht verhindert wird. Daher wird verhindert, dass das Potential der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht durch Wasserstoffmangel vergrößert wird und darüber hinaus wird Korrosion des die Gaspassage formenden Bauteils verhindert, womit Erosion der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht verhindert wird.
Auswirkungen der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass in einer Situation, in der Sickerwasser in der Gaspassage an dem äußeren Umfangsbereich des die anodenseitige Gaspassage formenden Bauteils verbleibt, die Standzeit des die anodenseitige Gaspassage formenden Bauteils verbessert wird, und verhindert wird, dass die kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht erodiert wird und verhindert wird, dass die Stromerzeugung reduziert wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Ansicht im Querschnitt in Längsrichtung, die die Treibstoffbatterie nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 2-2 von 1;
3 ist eine Explosionsansicht in perspektivischer Richtung, welche den ersten und den zweiten Rahmen, eine Elektrodenstruktur, erste und zweite Strömungspassagen formende Bauteile und einen Separator zeigt;
4 ist eine vergrößerte Ansicht im Querschnitt entlang der Längsrichtung, die einen Teil der Treibstoffbatterie zeigt;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein eine Gaspassage formendes Bauteil zeigt;
6 ist eine Ansicht im Querschnitt entlang der Längsrichtung, die eine Treibstoffbatterie nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Schildplatte zeigt, die in der Treibstoffbatterie gemäß 6 verwendet wird;
8 ist eine perspektivische Ansicht, die einen ersten Rahmen nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Treibstoffbatterie des Standes der Technik zeigt;
10 ist eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die eine Treibstoffbatterie gemäß 9 zeigt;
11 ist eine perspektivische Ansicht, die ein eine Gaspassage formendes Bauteil zeigt, das in einer Treibstoffbatterie gemäß 9 verwendet wird, und
12 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Korrosionsspannung und dem Potential an der Anodenseite und der Kathodenseite einer Treibstoffbatterie zeigt.
Beste Art die Erfindung auszuführen
(erste Ausführungsform)
Eine Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist eine Treibstoffbatterie 11 der vorliegenden Ausführungsform von einem festen Polymertyp und wird durch eine Anzahl gestapelter Strom erzeugender Zellen 12 gebildet.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, ist jede Strom erzeugende Zelle 12 wie ein rechteckiger Rahmen geformt und weist erste und zweite Rahmen 13 und 14 auf, die aus synthetischem Gummi (oder synthetischem Harz) und einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 15 gebildet sind, welche als Elektrodenstruktur dienen. Der erste Rahmen 13 definiert in sich einen Passagenraum S1 für Treibstoffgas und der zweite Rahmen 14 definiert in sich einen Passagenraum S2 für Oxidationsgas. Die MEA 15 ist zwischen den Rahmen 13 und 14 angeordnet.
Die Strom erzeugende Zelle 12 weist ein eine erste Gaspassage formendes Bauteil 21 auf, welches durch Ferrit basiertes SUS (rostfreier Stahl) gebildet und in dem Passagenraum für Treibstoffgas S1 angeordnet ist, und ein eine zweite Gaspassage formendes Bauteil 22, welches in dem Passagenraum S2 für Oxidationsgas angeordnet und aus Titan oder Gold gefertigt ist. Weiter weist die Strom erzeugende Zelle 12 einen ersten Separator 23 und einen zweiten Separator 24 auf, welche aus Titan gefertigt sind. Der erste Separator 23 ist wie eine flache Platte geformt und ist an die obere Oberfläche des ersten Rahmens 13 und des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 angebunden, wie dies aus der Zeichnung zu erkennen ist. Der erste Separator 24 ist wie eine flache Platte geformt und an die obere Oberfläche des ersten Rahmens 14 und des die erste Gaspassage formenden Bauteils 22 angebunden, wie dies aus der Zeichnung zu erkennen ist. In 3 sind die die Gaspassagen formenden Bauteile 21 und 22 als flache Platten in einer vereinfachten Weise dargestellt.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, wird die MEA 15 durch eine feste elektrolytische Membran 16, Elektrodenkatalysatorschichten 17 und 18 und leitfähige erste und zweite Gasdiffusionsschichten 19 und 20 gebildet. Die Elektrodenkatalysatorschicht 17 wird durch einen Katalysator gebildet, der auf der anodenseitigen Oberfläche der festen elektrolytischen Membran 16 gelegen ist, also an der oberen Oberfläche, wie sie aus der Figur erkennbar ist. Die Elektrodenkatalysatorschicht 18 wird durch einen Katalysator gebildet, der auf der kathodenseitigen Oberfläche der festen elektrolytischen Membran 16 gelegen ist, also auf der unteren Oberseite, wie aus der Zeichnung erkennbar ist. Die Gasdiffusionsschichten 19 und 20 sind an die Oberflächen der Elektrodenkatalysatorschichten 17 bzw. 18 angebunden.
Die feste elektrolytische Membran 16 ist durch einen Fluoropolymerfilm gebildet. Wie in 4 dargestellt, weisen die Elektrodenkatalysatorschichten 17 und 18 jeweils Kohlenstoffpartikel 31 mit einem Durchmesser von mehreren μm sowie eine große Anzahl von Platinkatalysatorpartikeln 32 auf, die auf die Oberfläche der Kohlenstoffpartikel 31 geklebt sind. Die Katalysatorpartikel 32 haben einen Durchmesser von 2 nm. Wenn Elektrizität mit der Treibstoffbatterie generiert wird, wirken die Katalysatorpartikel 32 als Katalysator, welcher die Effizienz der Stromerzeugung erhöht. Die Gasdiffusionsschichten 19 und 20 sind durch Kohlenstoffpapier gebildet. Wie in 5 dargestellt, ist das die Gaspassage formende Bauteil 21 (22) aus einer Metallleiste gebildet, welche eine große Anzahl hexagonaler Ringbereiche 21a (22a) aufweist, die alternierend angeordnet sind. Jeder Ringbereich 21a (22a) hat eine Durchgangsbohrung 21b (22b). Treibstoffgas (Oxidationsgas) strömt durch die Gaspassagen, die durch die Ringbereiche 21a (22a) gebildet sind und durch die Durchgangsbohrungen 21b (22b). 5 ist eine vergrößerte und vereinfachte Darstellung, die einen Teil der die Gaspassage formenden Bauteile 21 und 22 zeigt.
Wie in 3 gezeigt, ist der Passagenraum S1 für Treibstoffgas des ersten Rahmens 13 von oben gesehen rechteckig geformt. Ein Flanschbereich S1b ist integral mit dem ersten Rahmen 13 ausgebildet und in einem unteren Bereich einer inneren Umfangsoberfläche S1a des Passagenraums S1 angeordnet. Der Flanschbereich S1b erstreckt sich horizontal von der inneren Umfangsoberfläche S1 nach innen und ist wie eine rechteckige Schleife geformt. Eine verlängerte Einlassöffnung 13a für Treibstoffgas und Auslassleitung 13b für Treibstoffgas sind in zwei parallelen und sich gegenüber liegenden Seiten 131 und 132 des Flanschbereichs S1b ausgebildet. Eine verlängerte Einlassöffnung 13c für Oxidationsgas und eine Auslassöffnung 13d für Oxidationsgas sind in zwei Seiten 133 und 134 des Flanschbereichs S1b ausgeformt, welche senkrecht zu den Seiten 131 und 132 stehen.
Der zweite Rahmen 14 hat eine Einlassöffnung 14a für Treibstoffgas, eine Auslassöffnung 14b für Treibstoffgas, eine Einlassöffnung 14c für Oxidationsgas und eine Auslassöffnung 14d für Oxidationsgas, welche mit der Einlassöffnung 13a für Treibstoffgas, der Auslassöffnung 13b für Treibstoffgas, der Einlassöffnung 13c für Oxidationsgas und der Auslassöffnung 13d für Oxidationsgas des ersten Rahmens 13 korrespondieren.
Eine Einlassöffnung 23a für Treibstoffgas, eine Auslassöffnung 23b für Treibstoffgas, eine Einlassöffnung 23c für Oxidationsgas und eine Auslassöffnung 23d für Oxidationsgas sind in den vier Seiten des ersten Separators 23 ausgebildet und korrespondieren mit der Einlassöffnung 13a für Treibstoffgas, der Auslassöffnung 13b für Treibstoffgas, der Einlassöffnung 13c für Oxidationsgas und der Auslassöffnung 13d für Oxidationsgas, die in dem ersten Rahmen 13 gebildet sind. In ähnlicher Weise sind eine Einlassöffnung 24a für Treibstoffgas, eine Auslassöffnung 24b für Treibstoffgas, eine Einlassöffnung 24c für Oxidationsgas und eine Auslassöffnung 24c für Oxidationsgas in den vier Seiten des zweiten Separators 24 ausgebildet, die mit der Einlassöffnung 14a für Treibstoffgas, der Auslassöffnung 14b für Treibstoffgas, der Einlassöffnung 14c für Oxidationsgas und der Auslassöffnung 14d für Oxidationsgas, die in dem zweiten Rahmen 14 gebildet sind, korrespondieren.
In dem Passagenraum S1 für Treibstoffgas und dem Passagenraum S2 für Oxidationsgas des ersten und des zweiten Rahmens 13 und 14 berühren die die erste und zweite Gaspassage formenden Bauteile 21 und 22 die Oberflächen der Gasdiffusionsschichten 19 und 20 und die inneren Oberflächen der ersten und zweiten Separatoren 23 und 22. Wie in den 1 und 3 dargestellt, bilden die Einlassöffnungen 23a für Treibstoffgas des ersten Separators 23, die Einlassöffnung 13a für Treibstoffgas des ersten Rahmens 13, die Einlassöffnung 14a für Treibstoffgas des zweiten Rahmens 14 und die Einlassöffnung 24a für Treibstoffgas des Separators 24 eine Versorgungspassage M1, um Treibstoffgas zu jeder Strom erzeugenden Zelle 12 zu transportieren. Die Ausführungsöffnungen 23b für Treibstoffgas des ersten Separators 23, die Auslassöffnungen 13b für Treibstoffgas des ersten Rahmens 13, die Auslassöffnung 14b für Treibstoffgas des zweiten Rahmens 14, die Auslassöffnung 23b für Treibstoffgas des Separators 23 und die Auslassöffnung 24b für Treibstoffgas des zweiten Separators 24 bilden eine Entsorgungspassage M2 für Treibstoffgas durch die Strom erzeugenden Zellen 12. Treibstoffgas wird zu der Versorgungspassage M1 von der Außenseite der Treibstoffpassage gefördert und passiert die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 und wird verwendet, um Strom zu erzeugen. Anschließend wird das Treibstoffgas durch die Entsorgungspassage M2 als Treibstoffabgas abgeführt.
Die Einlassöffnung 23c für Oxidationsgas des ersten Separators 23, die Einlassöffnung 13c für Oxidationsgas des Rahmens 13, die Einlassöffnung 14c für Oxidationsgas des zweiten Rahmens 14 und die Einlassöffnung 24c für Oxidationsgas des zweiten Separators 24 bilden eine Versorgungspassage R1, um jede Strom erzeugende Zelle 12 mit Oxidationsgas zu versorgen. Die Auslassöffnung 23d für Oxidationsgas des ersten Separators 23, die Auslassöffnung 13d für Oxidationsgas des Rahmens 13, die Auslassöffnung 14d für Oxidationsgas des zweiten Rahmens 14 und die Auslassöffnung 24d für Oxidationsgas des zweiten Separators 24 bilden eine Entsorgungspassage R2 für die Entsorgung von Oxydationsabgas für jede Strom erzeugende Zelle 12. Oxidationsgas, welches zu der Versorgungspassage R1 von der Außenseite der Treibstoffbatterie gefördert wird, passiert die Gaspassage des die zweite Gaspassage formenden Bauteils 22 und wird verwendet, um Strom zu erzeugen. Anschließend wird das Oxidationsgas über die Entsorgungspassage R2 als Oxidationsabgas abgeführt.
Die Konfiguration eines wichtigen Teils der bevorzugten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Wie in den 1, 3 und 5 dargestellt, sind an dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 vorstehende Teile 25 an den Kanten an den linken, rechten und den stromabwärts gelegenen Kanten mit Bezug auf die Strömungsrichtungen der Gaspassage ausgebildet. Die vorstehenden Teile 25 erstrecken sich über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 hinaus und überlappen auf einem Flanschbereich S1b des Rahmens 13. Die vorstehenden Teile 25 berühren die obere Oberfläche des Flanschbereichs S1b. Diese Struktur, welche die vorstehenden Teile 25 beinhaltet, dient als Wasserzulaufverhinderungsmittel, welches verhindert, dass Sickerwasser in der Gaspassage der vorstehenden Teile 25 in enge Freiräume des äußeren Umfangsbereichs der ersten Gasdiffusionsschicht 19 eindringt. Sogar im Fall, wenn Sickerwasser an dem vorstehenden Teil 25 vorliegt, wenn die Treibstoffbatterie Strom erzeugt, wird das Sickerwasser von der oberen Oberfläche des Flanschbereichs S1b aufgenommen. Dies verhindert, dass das Sickerwasser in enge Freiräume des äußeren Umfangsbereichs der ersten Gasdiffusionsschicht 19 und der Elektrodenkatalysatorschicht 17 eindringt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Dicke des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 zwischen 0,5 und 1 mm, und die Entfernung D, über welche jedes vorstehende Teil 25 sich über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 hinaus erstreckt, ist zwischen 5 und 10 mm. Wenn die Entfernung D auf einen allzu kleinen Wert (zum Beispiel einen Wert < 5 mm) gesetzt wird, ist es wahrscheinlich, dass Sickerwasser an den vorstehenden Teilen 25 sich in Richtung der ersten Gasdiffusionsschicht 19 bewegt. Andererseits, wenn die Entfernung D auf einen allzu großen Wert (zum Beispiel einen Wert > 10 mm) festgesetzt wird, wird die Größe des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 allzu groß.
Die Funktionsweise der Treibstoffbatterie, wie voranstehend beschrieben, wird nun erläutert.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, werden Treibstoffgas und Oxidationsgas, welche zu der Versorgungspassage M1 und der Versorgungspassage R1 transportiert werden, in dem Passagenraum S1 für Treibstoffgas und dem Passagenraum S2 für Oxidationsgas durch Mittel der die erste und die zweite Gaspassage formenden Bauteile 21 und 22 verbreitet. Auf diese Weise passiert das Treibstoffgas in der Passage S1 für Treibstoffgas die Gaspassage, die in dem die erste Gaspassage formenden Bauteil 21 ausgebildet ist, in derartiger Weise, dass sie turbulent wird und sich dabei in den Passagenraum S1 für Treibstoffgas ausbreitet. Das Treibstoffgas ist darüber hinaus in ausreichender Weise durch das Passieren der ersten Gasdiffusionsschicht 19 verteilt, so dass es gleichmäßig die Elektrodenkatalysatorschicht 17 versorgt. Andererseits passiert das Oxidationsgas in dem Passagenraum S2 für Oxidationsgas die Gaspassage, die durch das die zweite Gaspassage formende Bauteil 22 ausgebildet wird, derart, dass sie turbulent wird, wodurch das Oxidationsgas sich in dem Passagenraum S2 für Oxidationsgas ausbreitet. Das Oxidationsgas wird weiter in ausreichender Weise durch das Passieren der zweiten Gasdiffusionsschicht 20 verteilt, so dass es gleichmäßig die Elektrodenkatalysatorschicht 18 versorgt. Die Versorgung mit Treibstoffgas und Oxidationsgas initiiert eine Elektrodenreaktion, so dass Strom erzeugt wird. Die Treibstoffbatterie 1, welche von den Strom erzeugenden Zellen 12 gebildet wird, erzeugt auf diese Weise die gewünschte Elektrizität. Die voranstehend beschriebene Stromerzeugung ist ähnlich zu der, die zum Stand der Technik diskutiert worden ist. Das bedeutet, dass an der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 Wasserstoff (H₂) aufgebrochen wird in Wasserstoff Ionen (H⁺) und Elektronen (e^–), wie dies in der chemischen Formel 1 nachfolgend dargestellt ist, und das Potential der Elektrodenkatalysatorschicht 17 wird Null oder das Standardelektronenpotential. H₂ → 2H⁺ + 2e^– + ... (1)
Wasserstoff Ionen (H⁺), die durch die voranstehenden Reaktionen erhalten werden können, erreichen die kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 18 von der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 durch die feste elektrolytische Membran 16. Wasserstoff (O₂) in der Luft wird zu der Elektrodenkatalysatorschicht 18 von dem die zweite Gaspassage formenden Bauteil 22 transportiert und reagiert chemisch mit den Wasserstoff Ionen (H⁺) und den Elektronen (e^–), welche Wasser erzeugen, wie in der Formel 2 dargestellt. Durch die chemische Reaktion wird das Potential der Elektrodenkatalysatorschicht 18 ungefähr 1,0 oder das Standardelektrodenpotential. ½O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2)
In der Treibstoffbatterie wird ein Teil des Wasserstoffgases nicht für die Stromerzeugung verwendet und als Treibstoffabgas an die Außenseite durch die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 und die Entsorgungspassage M2 entsorgt. Ein Teil des Oxidationsgases, welches nicht während der Stromerzeugung reduziert worden ist, wird als Oxydationsabgas an die Außenseite durch die Entsorgungspassage R2, die in den Rahmen 13 und 14 ausgebildet ist, zusammen mit dem Wasser, welches durch die Reaktion nach der Formel (2) erzeugt worden ist, und Stickstoff in der Luft entsorgt. Ein Teil des erzeugten Wassers fließt in die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21, während es als Sickerwasser durch die kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 18, die feste elektrolytische Membran 16, die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 17 und die erste Gasdiffusionsschicht 19 sickert. Das Sickerwasser wird an die Außenseite durch die Entsorgungspassage M2 zusammen mit dem Treibstoffabgas entsorgt.
Die Strömungsrate des Treibstoffgases, welches durch die Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 strömt, wird größer in Richtung des Zentrums, wie dies anhand der Strömungsverteilungskurve L in 5 zu erkennen ist, und wird geringer in Richtung der linken und rechten Kanten. Daher, wie in 1, 2 und 4 dargestellt, wird die Strömungsrate des Gases an den drei vorstehenden Teilen 25, die an den linken, rechten und den stromabwärts gerichteten Kanten des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 mit Bezug auf die Strömungsrichtung in der Gaspassage, gering, und das Sickerwasser wird mit hoher Wahrscheinlichkeit dort verbleiben. Da das Sickerwasser W, welches an den vorstehenden Teilen 25 verbleibt, von der oberen Oberfläche des Flanschbereichs S1b aufgenommen wird, welche den Passagenraum S1 für Treibstoffgas im Rahmen 13 bildet, wird verhindert, dass das Sickerwasser in enge Freiräume der äußeren Umfangsbereiche der ersten Gasdiffusionsschicht 19 und der Elektrodenkatalysatorschicht 17 eindringt. Daher wird Treibstoffgas (Wasserstoffgas) in ausreichender Weise in die engen Freiräume der äußeren Umfangsbereiche der Schichten 19 und 17 transportiert, so dass ein Mangel an Wasserstoff verhindert wird. Wie hinsichtlich des Standes der Technik bereits erläutert, wird auf diese Weise verhindert, dass das Potential der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 durch den Mangel an Wasserstoff sich erhöht und weiter verhindert, dass Korrosion des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 auftritt, wodurch Erosion des Kohlenstoffs der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 verhindert wird. Schließlich wird die Standzeit der Elektrodenkatalysatorschicht 18 verbessert und verhindert, dass die Stromerzeugung reduziert wird.
Die voranstehend beschriebene Ausführungsform hat die folgenden Vorteile.
In der Voranstehend beschriebenen Ausführungsform sind die vorstehenden Teile 25 an den linken, rechten und den stromabwärts gelegenen Kanten des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 mit Bezug auf die Strömungsrichtung in der Gaspassage ausgebildet. Die vorstehenden Teile 25 erstrecken sich über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 hinaus. Sickerwasser verbleibt an vorstehenden Teilen 25. Dies verhindert, dass Sickerwasser in enge Freiräume der äußeren Umfangsbereiche der ersten Gasdiffusionsschicht 19 und der Elektrodenkatalysatorschicht 17 eindringt. Daher wird Treibstoffgas (Wasserstoffgas) in ausreichender Weise in die engen Freiräume der äußeren Umfangsbereiche der Schichten 19 und 17 transportiert, so dass ein Mangel an Wasserstoff verhindert wird. Im Ergebnis wird verhindert, dass das Potential der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 sich aufgrund eines Mangels an Wasserstoff erhöht und dass eine Korrosion des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 aufgrund eines erhöhten Potentials statt findet. Weiter wird die Erosion von Kohlenstoff der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 18 unterdrückt, so dass die Standzeit der Elektrodenkatalysatorschicht 18 verbessert wird. Dies verhindert, dass die Stromerzeugung reduziert wird.
In voranstehender Ausführungsform ist die Struktur der Wasserzulaufverhinderungsmittel vereinfacht, da die vorstehenden Teile 25 integral mit dem die erste Gaspassage formenden Bauteil 21 ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine Herstellung und Montage der Struktur zu reduzierten Kosten.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 6 und 7 beschrieben.
Wasserzulaufverhinderungsmittel nach der vorliegenden Ausführungsform haben eine Konfiguration, in welcher eine Schildplatte 26 aus elektrisch leitfähigem Material an die innere Oberfläche des Flanschbereichs S1b mit Klebstoff gebunden ist. Das Material der Schildplatte 26 kann zum Beispiel goldplatiniertes Kupfer enthalten. Die Schildplatte 26 ist zwischen der oberen Oberfläche der festen elektrolytischen Membran 16 und der unteren Oberfläche des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 angeordnet. Wie in 7 dargestellt, ist die Schildplatte 26 in einer Ansicht von oben U-förmig. In Relation zur Strömungsrichtung in der Gaspassage ist die Schildplatte 26 derart angeordnet, dass sie mit den Kanten an den linken, rechten und den stromabwärts gelegenen Kanten des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 korrespondiert. Der proximale Bereich der Schildplatte 26 kann mit dem Flanschbereich S1b durch Umspritzen geformt sein.
In der vorliegenden Ausführungsform verbleibt Sickerwasser an den linken, rechten und stromabwärts gelegenen Kanten des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 mit Bezug auf die Strömungsrichtung in der Gaspassage und wird von der Schildplatte 26 aufgenommen. Wodurch das Sickerwasser daran gehindert wird, in enge Freiräume des äußeren Umfangsbereichs der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 17 und der ersten Gasdiffusionsschicht 19 einzudringen. Die vorliegende Ausführungsform erzielt auf diese Weise den gleichen Vorteil wie Vorteil (1) der ersten Ausführungsform.
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen können wie folgt modifiziert werden.
Wie in 8 dargestellt, kann der innere Umfang des Flanschbereichs S1b des Rahmens 13 sich über eine bestimmte Länge erstrecken, so dass eine Schildplatte 26 im Sinne der zweiten Ausführungsform integral mit dem Rahmen 13 ausgebildet geformt wird. Dies vereinfacht die Struktur der Wasserzulaufverhinderungsmittel, wodurch die Herstellung der Struktur ermöglicht wird.
Neben rostfreien Platten, können die die erste und zweite Gaspassage formenden Bauteile 21 und 22 auch durch Metallplatten mit leitfähigen Metallplatten wie Aluminium und Kupfer geformt sein.
Die vorliegende Erfindung kann auf eine Treibstoffbatterie ohne Gasdiffusionsschichten 19 und 20 angewendet werden. In der ersten Ausführungsform sind die vorstehenden Teile 25 an den linken, rechten und den stromabwärts gelegenen Kanten mit Bezug auf die Strömungsrichtung des Gases in dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 ausgebildet. Zusätzlich zu den drei Kanten können andere vorstehende Teile 25 an der Kante, welche stromaufwärts mit Bezug auf die Strömungsrichtungen der Gaspassage gelegen ist, ausgebildet sein.
In jeder der voranstehenden Ausführungsformen ist die Entfernung D, über welche die vorstehenden Teile 25 sich über den äußeren Umfang der Elektrodenkatalysatorschicht 17 hinaus erstrecken, zwischen 5 und 10 mm. Jedoch kann die Entfernung D geändert werden, wenn dies basierend auf der Dicke des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 notwendig ist.
In den voranstehend erläuterten Ausführungsformen wurden die Konfigurationen der Rahmen 13 und 14 beschrieben. Jedoch können auch Rahmen mit einer anderen Konfiguration verwendet werden, solange diese Rahmen außerhalb der festen elektrolytischen Membran 16 angeordnet sind und Versorgungspassagen und Entsorgungspassagen für Treibstoffgas und Oxidationsgas ausbilden. Zum Beispiel ist der Rahmen 13 (14) in den erläuterten Ausführungsformen separat von dem Separator 23 (24) ausgebildet. Jedoch können der Rahmen 13 (14) und der Separator 23 (24) auch integral ausgeformt sein. Darüber hinaus können Rahmen in Form von Dichtungen verwendet werden. Weiter können Rahmen durch das Imprägnieren äußerer Umfangsbereiche der die Gaspassage formenden Bauteile 21 und 22 mit Gießharz und anschließendem Härten des Gießharzes ausgebildet werden.
Zusammenfassung
Eine feste elektrolytische Membran 16 mit darin angebrachten doppelten Rahmen 13, 14. Eine anodenseitige Elektrodenkatalyseschicht 17, eine erste Gasdiffusionsschicht 19, und ein eine erste Gaspassage formendes Bauteil 21 sind auf der oberen Oberfläche der festen elektrolytischen Membran 16 gestapelt. Eine kathodenseitige Elektrodenkatalyseschicht 18, eine zweite Gasdiffusionsschicht 20, und ein eine zweite Gaspassage formendes Bauteil 22 sind auf der unteren Oberfläche der festen elektrolytischen Membran 16 gestapelt. Eine Versorgungspassage M1 für die Versorgung der ersten Gaspassage des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 mit Treibstoffgas und eine Entsorgungspassage M2 für die Entsorgung von Treibstoff Abgas sind in den Rahmen 13 und 14 vorgesehen. Vorstehende Teile 25 sind an dem äußeren Umfang des die erste Gaspassage formenden Bauteils 21 ausgebildet und erstrecken sich über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalyseschicht 17 nach Außen, so dass sie mit einem Flanschabschnitt S1b des Rahmens 13 überlappen. Sickerwasser verbleibt an den vorstehenden Teilen 25. Dies verhindert, dass das Sickerwasser in enge Freiräume auf den äußeren Umfangsbereichen der ersten Gasdiffusionsschicht 19 und der Elektrodenkatalyseschicht 17 eindringt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2007/87768 [0008]

Claims

Eine Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie, aufweisend einen doppelten Rahmen; eine elektrolytische Membran, die an der Innenseite des Rahmens befestigt ist; eine anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht, die auf einer ersten Oberfläche der elektrolytischen Membran gelegen ist; eine kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht, die auf einer zweiten Seite der elektrolytischen Membran gelegen ist; ein erstes, eine Gaspassage formendes Bauteil, das auf der Oberfläche der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht gelegen ist und eine erste Gaspassage für die Versorgung mit Treibstoffgas aufweist; und ein zweites, eine Gaspassage formendes Bauteil, das auf der Oberfläche der kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht gelegen ist und eine zweite Gaspassage für die Versorgung mit Oxidationsgas aufweist, wobei eine Versorgungspassage für die Versorgung mit Treibstoffgas zu der ersten Gaspassage und eine Entsorgungspassage für die Entsorgung von Treibstoffabgas von der ersten Gaspassage in dem Rahmen geformt sind, wobei die Strom erzeugende Zelle durch Wasserzulaufverhinderungsmittel gekennzeichnet ist, die verhindern, dass Wasser in einen Teil der ersten Gaspassage auf einem äußeren Umfangsbereich des ersten, die Gaspassage formenden Bauteils in die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht eindringt.
Die Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht umgibt, wobei die Wasserzulaufverhinderungsmittel ein vorstehendes Teil aufweisen, das an dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage formenden Bauteils ausgebildet ist und sich nach Außen über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht erstreckt, um mit dem Rahmen zu überlappen, wobei die Wasserzulaufverhinderungsmittel Wasser dadurch daran hindern in die anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht einzudringen, so dass das Wasser auf dem vorstehenden Teil verbleibt.
Die Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung über welche das vorstehende Teil über den äußeren Umfang der anodenseitigen Elektrodenkatalyseschicht hervorsteht zwischen 5 und 10 mm liegt.
Die Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen rechteckig ist, wobei das vorstehende Teil eines von einer Vielzahl von vorstehenden Teilen ist, die an den, bezogen auf die Strömungsrichtung der ersten Gaspassage, linken, rechten und stromabwärts gerichteten Kanten des äußeren Umfangs des die erste Gaspassage formenden Bauteils ausgebildet sind.
Die Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzulaufverhinderungsmittel eine plattenartige Schildplatte aufweisen, die an einem inneren Umfang des Rahmens und zwischen der elektrolytischen Membran und dem äußeren Umfangsbereich des die erste Gaspassage bildenden Bauteils angeordnet ist.
Die Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die erste Gaspassage formende Bauteil aus einer Metallleiste hergestellt ist.
Die Strom erzeugende Zelle für eine Treibstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasdiffusionsschicht zwischen der anodenseitigen Elektrodenkatalyseschicht und dem die erste Gaspassage formenden Bauteil und zwischen der kathodenseitigen Elektrodenkatalyseschicht und dem, die zweite Gaspassage formenden Bauteil vorgesehen ist.