DE112010002746T5

DE112010002746T5 - Reaktionsschicht für Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112010002746T5
Application number: DE112010002746T
Authority: DE
Inventors: Motohiro Ohtsuka; Hidemi Katou; Taizou Yamamoto
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: CN102484255A; US20120178014A1; CN102484255B; DE112010002746B4; US9325015B2; WO2011001981A1

Abstract

Offenbart ist eine Technik, um in einer Brennstoffzelle (1) stets gleichmäßig den angefeuchteten Zustand einer Reaktionsschicht (21) beizubehalten. Genauer gesagt ist eine Reaktionsschicht (21) offenbart, die sich in einer Brennstoffzelle (1) zwischen einer Festelektrolytmembran (2) und einer Diffusionsschicht (26) befindet. Die Reaktionsschicht (21) umfasst eine erste Schicht (22), die sich mit der Festelektrolytmembran (2) in Kontakt befindet, eine zweite Schicht (24), die sich mit der Diffusionsschicht (26) in Kontakt befindet, und eine Zwischenschicht (23), die sich zwischen der ersten Schicht (22) und der zweiten Schicht (24) befindet. In der Zwischenschicht (23) ist kein Katalysator vorhanden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle.
STAND DER TECHNIK
In einer Brennstoffzellenvorrichtung ist in einem Luftzufuhrsystem herkömmlicher Weise ein Befeuchter angeordnet und der Befeuchtungszustand einer Festelektrolytmembran und einer Reaktionsschicht (nachstehend auch als ”Membran-Elektroden-Einheit” bezeichnet) wird durch Einstellen der Feuchtigkeit von Prozessluft reguliert. Unter dem Gesichtspunkt, den Wirkungsgrad derzeitiger Brennstoffzellen zu verbessern, besteht jedoch die Tendenz, Nebenaggregate wie den Befeuchter aus der Brennstoffzellenvorrichtung zu entfernen. In diesem Fall kann es möglich sein, dass der Feuchtigkeitszustand der Membran-Elektroden-Einheit nicht immer auf einem passenden Niveau gehalten werden kann, das einer Betriebsumgebung der Brennstoffzelle entspricht.
Wenn die Brennstoffzelle zum Beispiel in einer gering befeuchteten Umgebung betrieben wird, wird die Membran-Elektroden-Einheit in einen trockenen Zustand versetzt, sodass sie eine geringere Protonenleitfähigkeit hat und daher kein ausreichendes Stromerzeugungsvermögen zeigen kann. Wenn die Brennstoffzelle dagegen unter einer stark befeuchteten Umgebung betrieben wird, tritt eine sogenannte Überflutung auf, sodass das Stromerzeugungsvermögen leidet.
Um einen solchen Effekt zu vermeiden, wird eine Technologie vorgeschlagen, bei der eine Reaktionsschicht einen Zweischichtaufbau hat, wobei eine erste Schicht auf der Seite einer Festelektrolytmembran ein hohes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, während eine zweite Schicht auf der Seite einer Diffusionsschicht ein geringes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen (ein hohes Wasserabgabevermögen und eine hohe Luftdurchlässigkeit) hat (siehe Patentdokument 1).
Mit dieser Anordnung wird die erste Schicht selbst unter der gering befeuchteten Umgebung in einem angefeuchteten Zustand gehalten, und Wasser, das sich unter der stark befeuchteten Umgebung ansammelt, wird wirksam aus der zweiten Schicht abgelassen.
Siehe Patentdokumente 2 bis 5 für Dokumente, die Technologien einführen, die mit der Erfindung verwandt sind.
Verwandtes Dokument
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2004-192950
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2009-272052
Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 9-245802
Patentdokument 4: Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2007-26719
Patentdokument 5: Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2007-123235

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Allerdings sind die erste Schicht und die zweite Schicht bei der oben beschriebenen Gestaltung durchgehend ausgebildet. Unter der gering befeuchteten Umgebung diffundiert daher das Wasser, das im Wesentlichen in der ersten Schicht gehalten werden sollte, in die im verhältnismäßig trockenen Zustand befindliche zweite Schicht, wodurch die Protonenleitfähigkeit verringert werden kann.
Mittel zur Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, haben die Erfinder wiederholt umfangreiche Untersuchungen vorgenommen und als Folge dessen eine Gestaltung entwickelt, bei der sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine Zwischenschicht befindet, die keinen Katalysator hat. Und zwar ist eine erste Ausgestaltung der Erfindung wie folgt definiert.
Eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle befindet sich in der Brennstoffzelle zwischen einer Festelektrolytmembran und einer Diffusionsschicht. Die Reaktionsschicht ist gekennzeichnet durch eine erste Schicht, die sich mit der Festelektrolytmembran in Kontakt befindet, eine zweite Schicht, die sich mit der Diffusionsschicht in Kontakt befindet, und eine Zwischenschicht, die sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht befindet. In der Reaktionsschicht haben die erste Schicht und die zweite Schicht einen Katalysator, der von einem elektrisch leitenden Träger getragen wird, und die Zwischenschicht hat keinen Katalysator.
Mit der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß der wie oben definierten ersten Ausgestaltung diffundiert erzeugtes Wasser in der ersten Schicht, in der die Stromerzeugung unter einer gering befeuchteten Umgebung hauptsächlich stattfindet, kaum in die zweite Schicht und kann dadurch daran gehindert werden, durch Gas fort getragen zu werden. Es wird davon ausgegangen, dass dies daran liegt, dass die Zwischenschicht die erste Schicht physikalisch von der zweiten Schicht trennt und dass somit eine Diffusionsstrecke zunimmt. Dadurch werden nur die Elektrolytmembran und die erste Schicht in einem angefeuchteten Zustand gehalten und somit zeigt sich selbst unter der Umgebung geringer Feuchtigkeit ein hohes Leistungsvermögen.
Unter einer stark befeuchteten Umgebung diffundiert dagegen überschüssiges erzeugtes Wasser in die Zwischenschicht. Daher wird verhindert, dass in der ersten Schicht die Überflutung auftritt.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung ist wie folgt definiert. Und zwar hat die erste Schicht in der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle, wie sie in der ersten Ausgestaltung definiert ist, ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, das größer als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der zweiten Schicht ist.
Mit der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß der wie oben definierten zweiten Ausgestaltung wird die erste Schicht, die unter der gering befeuchteten Umgebung allein zur Brennstoffzellenreaktion beiträgt, dazu gebracht, ein hohes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen zu haben, wodurch das Wasser in der ersten Schicht sicherer gehalten wird. Außerdem wird die zweite Schicht, die unter der stark befeuchteten Umgebung allein zur Brennstoffzellenreaktion beiträgt, dazu gebracht, ein geringes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen zu haben, wodurch sicherer verhindert wird, dass die zweite Schicht überflutet wird.
Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung ist wie folgt definiert. Und zwar hat die Zwischenschicht in der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle, wie sie in der zweiten Ausgestaltung definiert ist, ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, das kleiner als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der ersten Schicht und größer als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der zweiten Schicht ist.
Mit der Reaktionsschicht gemäß der wie oben definierten dritten Ausgestaltung fungiert die Zwischenschicht sicherer als eine Pufferschicht.
Wie oben beschrieben wurde, ist es vorzuziehen, dass die Zwischenschicht keinen Katalysator hat und ein anderes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen als die erste Schicht und die zweite Schicht hat.
Eine vierte Ausgestaltung der Erfindung ist wie folgt definiert. Und zwar weist die Zwischenschicht in der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle, wie sie in der zweiten Ausgestaltung definiert ist, eine 3-1-Schicht, die sich mit der ersten Schicht in Kontakt befindet, eine 3-2-Schicht, die sich mit der zweiten Schicht in Kontakt befindet, und eine 3-3-Schicht auf, die zwischen der 3-1-Schicht und der 3-2-Schicht liegt; die 3-1-Schicht hat ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, das kleiner oder gleich dem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der ersten Schicht und größer als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der 3-2-Schicht ist; die 3-2-Schicht hat ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, das größer oder gleich dem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der zweiten Schicht ist; und die 3-3-Schicht hat ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, das größer als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der 3-1-Schicht und der 3-2-Schicht ist.
Die wie oben definierte Zwischenschicht hat in ihrer zentralen Schicht ein hohes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen und zeigt dadurch als Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle ein hervorragendes Leistungsvermögen. Unter der gering befeuchteten Umgebung wird das erzeugte Wasser, das in der ersten Schicht produziert wird, in der 3-3-Schicht, die ein hohes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, absorbiert (eingefangen), wodurch verhindert wird, dass sich das erzeugte Wasser in die Schichten auf der Außenseite der 3-3-Schicht (die 3-2-Schicht und die zweite Schicht, das heißt die Schichten auf der Diffusionsschichtseite) bewegt. Diese Schichten auf der Außenseite sind anfällig dafür, durch eine Gasströmung in der Diffusionsschicht beeinträchtigt zu werden, das heißt sie sind anfällig dafür, dass das erzeugte Wasser fort getragen wird. Wenn das erzeugte Wasser in der 3-3-Schicht eingefangen wird, wird daher verhindert, dass die erste Schicht unter der gering befeuchteten Umgebung übertrocknet, wodurch in ihr ein hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzellenreaktion sicher gestellt wird.
Bei der vierten Ausgestaltung ist es vorzuziehen, dass die 3-1-Schicht mit Ausnahme dessen, dass die 3-1-Schicht keinen Katalysator hat, die gleichen Eigenschaften wie die erste Schicht hat und dass die 3-2-Schicht mit Ausnahme dessen, dass die 3-2-Schicht keinen Katalysator hat, die gleichen Eigenschaften wie die zweite Schicht hat (fünfte Ausgestaltung). Zum Beispiel setzen sich die 3-1-Schicht und die erste Schicht aus Kohlenstoffteilchen mit untereinander gleichem Porendurchmesser (erster Porendurchmesser) zusammen, und die 3-2-Schicht und die zweite Schicht setzen sich ebenfalls aus Kohlenstoffteilchen mit untereinander gleichem Porendurchmesser (zweiter Porendurchmesser) zusammen. Das Wasser bewegt sich zwischen den Schichten, die untereinander den gleichen Porendurchmesser haben, problemloser als in dem Fall, in dem sich der Porendurchmesser der Kohlenstoffteilchen, die die 3-1-Schicht bilden, von dem Porendurchmesser der Kohlenstoffteilchen unterscheidet, die die erste Schicht bilden. Das Wasser bewegt sich ebenfalls problemlos zwischen der 3-2-Schicht und der zweiten Schicht, wenn diesen Schichten der gleiche Porendurchmesser gegeben wird, wodurch unter der stark befeuchteten Umgebung leichter die Überflutung verhindert wird.
Eine sechste Ausgestaltung der Erfindung ist wie folgt definiert. Und zwar hat die erste Schicht in der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle, wie sie in einer der ersten bis fünften Ausgestaltungen definiert ist, verglichen mit der zweiten Schicht einen geringeren Porositätsanteil des Trägers, einen höheren Anteil eines Elektrolyten, eine höhere Tragedichte des Katalysators oder eine geringere Äquivalentmasse (ÄM) des Elektrolyten.
Die oben beschriebene sechste Ausgestaltung führt spezifische Verfahren zum Einstellen des Feuchtigkeitsrückhaltevermögens auf. Das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen jeder Schicht kann durch Einsatz dieser Verfahren zu geringen Kosten und auf sichere Weise gesteuert werden.
Die erste Schicht und die zweite Schicht werden nun unter dem Gesichtspunkt des Katalysatortrageanteils untersucht.
Unter dem Gesichtspunkt, die Brennstoffzelle populär zu machen, ist es besonders gewünscht, die Verwendungsmenge an teuren Katalysatormetallteilchen zu verringern.
Im Allgemeinen wird in der Reaktionsschicht auf der Seite einer Luftelektrode eine große Menge der Katalysatormetallteilchen verwendet. Die Reaktionsschicht wird ausgebildet, indem der Träger (etwa elektrisch leitende Rußteilchen), der die Katalysatormetallteilchen trägt, mit dem Elektrolyten verknetet wird.
Die Erfinder haben wiederholt umfangreiche Untersuchungen vorgenommen, um die Verwendungsmenge des Katalysatormetalls in der Reaktionsschicht auf der Luftelektrodenseite, in die die große Menge der Katalysatormetallteilchen eingemischt wird, zu verringern.
Es hat sich herausgestellt, dass das folgende Problem auftritt, wenn die Verwendungsmenge der Katalysatormetallteilchen verringert wird, das heißt wenn der Mischungsanteil der Katalysatormetallteilchen gegenüber dem Träger verringert wird.
Die Brennstoffzelle muss selbst dann eine hohe Abgabeleistung haben, nachdem die Katalysatormetallteilchen verringert wurden. Falls die Abgabeleistung der Brennstoffzelle beibehalten werden soll, nachdem die Verwendungsmenge der Katalysatormetallteilchen auf zum Beispiel ein Viertel verringert wurde, muss jedes Katalysatormetallteilchen vier Mal stärker zum Zellreaktionsumsatz beitragen. Als Folge dessen muss von jedem Katalysatormetallteilchen eine vier Mal größere Menge erzeugten Wassers produziert werden.
Da dieses erzeugte Wasser einen Einfluss auf den Betrieb der Brennstoffzelle hat, sind Gegenmaßnahmen gegen diesen Einfluss nötig.
Es ist eine Aufgabe anderer Ausgestaltungen der Erfindung, der Brennstoffzelle zu ermöglichen, selbst dann eine ausreichende Abgabeleistung zu zeigen, nachdem die Verwendungsmenge der Katalysatormetallteilchen in der Reaktionsschicht auf der Luftelektrodenseite verringert wurde. Die Erfinder haben festgestellt, dass Gegenmaßnahmen gegen das Wasser in der Reaktionsschicht einen großen Einfluss auf die Abgabeleistung der Brennstoffzelle haben, wenn die Brennstoffzelle mit einer geringen Menge der Katalysatormetallteilchen betrieben wird. Auf diese Weise haben die Erfinder die Erfindung vollendet.
Und zwar ist eine andere Ausgestaltung 1-1 der Erfindung wie folgt definiert.
Eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle auf einer Luftelektrodenseite befindet sich in der Brennstoffzelle zwischen einer Festelektrolytmembran und einer Diffusionsschicht. Die Reaktionsschicht ist gekennzeichnet durch eine erste Schicht, die sich mit der Festelektrolytmembran in Kontakt befindet, eine zweite Schicht, die sich mit der Diffusionsschicht in Kontakt befindet, und eine Zwischenschicht, die sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht befindet. In der Reaktionsschicht haben die erste Schicht und die zweite Schicht einen Katalysator, der von einem elektrisch leitenden Träger mit einem Katalysatortrageanteil getragen wird, der in der ersten Schicht größer als in der zweiten Schicht ist, und die Zwischenschicht hat keinen Katalysator.
Da in der Brennstoffzelle die gesamte Reaktionsschicht austrocknet, wenn der Betrieb unter der gering befeuchteten Umgebung andauert, wird die Geschwindigkeit der Brennstoffzellenreaktion in der Reaktionsschicht durch den Protonentransport bestimmt. Dementsprechend arbeitet in der Reaktionsschicht hauptsächlich ein Teil auf der Festelektrolytmembranseite. Da unter der stark befeuchteten Umgebung die gesamte Reaktionsschicht mit Wasser gesättigt ist, wird dagegen die Geschwindigkeit der Brennstoffzellenreaktion in der Reaktionsschicht durch die Diffusion von Sauerstoff bestimmt. Dementsprechend arbeitet in der Reaktionsschicht hauptsächlich ein Teil auf der Diffusionsschichtseite.
Daher sind bei der Erfindung der Teil auf der Festelektrolytmembranseite und der Teil auf der Diffusionsschichtseite durch die Zwischenschicht getrennt und haben zueinander verschiedene Mengen an getragenen Katalysatormetallteilchen. Die erste Schicht auf der Festelektrolytmembranseite hat einen höheren Trageanteil der Katalysatorteilchen, sodass der angefeuchtete Zustand der ersten Schicht selbst unter der gering befeuchteten Umgebung leicht beibehalten werden kann. Dementsprechend trägt die erste Schicht unter der gering befeuchteten Umgebung ausreichend zur Brennstoffzellenreaktion bei. Die zweite Schicht auf der Diffusionsschichtseite hat dagegen einen geringen Trageanteil der Katalysatormetallteilchen. Dadurch kann der Effekt erreicht werden, die Verwendungsmenge der Katalysatormetallteilchen zu verringern. Außerdem erhöht der geringe Trageanteil der Katalysatormetallteilchen die Abstände zwischen den Katalysatormetallteilchen, die als Wassererzeugungsquelle dienen, und dadurch wird das Auftreten der Überflutung verhindert, um so die Diffusion von Sauerstoff sicher zu stellen. Dementsprechend trägt die zweite Schicht unter der stark befeuchteten Umgebung ausreichend zur Brennstoffzellenreaktion bei.
Die erste Schicht und die zweite Schicht sind durch die Zwischenschicht getrennt, die nicht die Katalysatormetallteilchen hat. Die Zwischenschicht trennt die erste Schicht physikalisch von der zweiten Schicht und erhöht somit die Diffusionsstrecke. Daher diffundiert unter der gering befeuchteten Umgebung das erzeugte Wasser in der ersten Schicht kaum in die zweite Schicht und wird dadurch daran gehindert, von dem in der Diffusionsschicht strömenden Gas fort getragen zu werden. Da das Wasser in der ersten Schicht unter der stark befeuchteten Umgebung in die Zwischenschicht diffundiert, kann außerdem sicherer verhindert werden, dass die Überflutung auftritt.
Eine andere Ausgestaltung 1-2 der Erfindung ist wie folgt definiert. Und zwar ist die Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle, die in der oben beschriebenen anderen Ausgestaltung 1-1 definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ein größeres Wasserabweisungsvermögen als die erste und die zweite Schicht hat.
Mit der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß der wie oben definierten anderen Ausgestaltung 1-2 produziert die Zwischenschicht kein erzeugtes Wasser selber, da die Zwischenschicht keinen Katalysator hat, und sie erleichtert außerdem die Trennung des Wassers in der ersten Schicht von dem Wasser in der zweiten Schicht, da die Zwischenschicht das hohe Wasserabweisungsvermögen hat. Als Folge dessen wird der angefeuchtete Zustand der Elektrolytmembran und der ersten Schicht beibehalten, und somit zeigt sich selbst unter der gering befeuchteten Umgebung ein hohes Leistungsvermögen.
Im Gegensatz dazu hat das erzeugte Wasser, das unter der stark befeuchteten Umgebung übermäßig in der ersten Schicht produziert wird, einen Druck, der es dem erzeugten Wasser ermöglicht, leicht durch die Zwischenschicht hindurch zu gehen. Nachdem das Wasser durch die Zwischenschicht hindurch gegangen ist, wird es durch das Wasserabweisungsvermögen der Zwischenschicht daran gehindert, zurück zu fließen. Dementsprechend kann sicherer verhindert werden, dass in der ersten Schicht die Überflutung auftritt.
Die erste Schicht und die zweite Schicht werden nun unter dem Gesichtspunkt der Wahl und Haltbarkeit der Katalysatormetallteilchen untersucht.
Im Patentdokument 2 hat die Reaktionsschicht einen Mehrschichtaufbau, bei dem eine erste Schicht, die sich mit einer Elektrolytmembran in Kontakt befindet, eine vorbestimmte Schichtdicke hat und ein Katalysator, der in der ersten Schicht getragen wird, eine hohe Haltbarkeit hat. Um die Haltbarkeit des Katalysators zu steigern, werden Katalysatormetallteilchen mit einem großen Teilchendurchmesser eingesetzt.
Die Katalysatorteilchen mit dem großen Durchmesser haben sicherlich eine hohe Haltbarkeit. Wenn jedoch Katalysatormetallteilchen mit einem großen Durchmesser verwendet werden, ist die Oberfläche pro Masseeinheit geringer. Um eine vorbestimmte Katalysatoraktivität zu erreichen, nimmt daher die Verwendungsmenge (Masse) verglichen mit dem Fall zu, in dem Katalysatormetallteilchen getragen werden, die einen kleinen Durchmesser haben. Da die Katalysatormetallteilchen ein teueres Material sind, erhöht die Zunahme der Verwendungsmenge außerdem die Produktionskosten der Reaktionsschicht und schließlich der Brennstoffzelle.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine hohe Abgabeleistung und eine hohe Haltbarkeit der Brennstoffzelle sicher zu stellen, ohne eine Zunahme der Verwendungsmenge (Masse) der Katalysatormetallteilchen zu verursachen.
Es ist allgemein bekannt, dass sich die Katalysatormetallteilchen von der Reaktionsschicht lösen und sich zur Festelektrolytmembran bewegen, wenn die Brennstoffzelle lange betrieben wird. Es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass das erzeugte Wasser in der Reaktionsschicht dafür anfällig ist, sich in einem Teil auf der Seite anzusammeln, die näher an der Festelektrolytmembran liegt, weswegen sich das Protonleitfähigkeitsniveau in diesem Teil erhöht, und dass dadurch die Reaktionsschicht in diesem Teil einem korrosiven Prozess unterliegt. Der korrosive Prozess beeinträchtigt in der Reaktionsschicht nicht nur die Katalysatormetallteilchen, sondern auch den Träger.
Die Erfinder haben sich auf den Träger konzentriert und schafften es, die Erfindung zu Stande zu bringen. Und zwar ist eine andere Ausgestaltung 2-1 der Erfindung wie folgt definiert.
Eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle auf einer Luftelektrodenseite befindet sich in der Brennstoffzelle zwischen einer Festelektrolytmembran und einer Diffusionsschicht. Die Reaktionsschicht ist gekennzeichnet durch eine erste Schicht, die sich mit der Festelektrolytmembran in Kontakt befindet, und eine zweite Schicht, die sich mit der Diffusionsschicht in Kontakt befindet. In der Reaktionsschicht ist ein erster Träger der ersten Schicht ein Material, das sich von einem zweiten Träger der zweiten Schicht unterscheidet, und die erste Schicht hat eine Haltbarkeit, die größer als die Haltbarkeit der zweiten Schicht ist.
Gemäß der Erfindung der wie oben definierten anderen Ausgestaltung 2-1 ist der Teil (erste Schicht) der Reaktionsschicht, der sich näher an der Festelektrolytmembran befindet, aus dem Träger (erster Träger) mit hoher Haltbarkeit ausgebildet. Daher korrodiert die Reaktionsschicht selbst unter einer protonenreichen Umgebung kaum. Dementsprechend werden die Katalysatormetallteilchen auf eine stabile Weise getragen. Durch diese Gestaltung können die Eigenschaften der Reaktionsschicht beibehalten werden, ohne die Haltbarkeit der Katalysatormetallteilchen selbst besonders zu verbessern (ohne den Durchmesser der Katalysatorteilchen zu erhöhen), Als der wie oben beschriebene erste Träger kann diamantartiger Kohlenstoff oder glasartiger Kohlenstoff eingesetzt werden. Solche Materialien haben eine höhere chemische und physikalische Stabilität als Rußteilchen, die weithin als Träger verwendet werden.
Obwohl es keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Trägers (zweiter Träger) in der zweiten Schicht gibt, die sich in der Reaktionsschicht auf der Diffusionsschichtseite befindet, ist es unter dem Gesichtspunkt des Wasserabgabevermögens unter der stark befeuchteten Umgebung und der Materialkosten vorzuziehen, die weithin verwendeten Rußteilchen zu verwenden. Es ist auch vorzuziehen, dass der zweite Träger ein größeres Wasserabgabevermögen (kleineres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen) als der erste Träger hat.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine Zwischenschicht anzuordnen. Diese Zwischenschicht besteht aus Rußteilchen (vorzugsweise Rußteilchen, die identisch zu denen des zweiten Trägers oder von der gleichen Art sind), die mit einem Elektrolyten überzogen sind, und weist keine Katalysatormetallteilchen auf.
Wenn die wie oben beschriebene Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht vorgesehen ist, werden die erste Schicht und die zweite Schicht physikalisch durch die Zwischenschicht getrennt und nimmt somit die Diffusionsstrecke zu. Daher diffundiert unter der gering befeuchteten Umgebung das erzeugte Wasser in der ersten Schicht kaum in die zweite Schicht und wird dadurch daran gehindert, durch das in der Diffusionsschicht strömende Gas fort getragen zu werden. Da das Wasser in der ersten Schicht unter der stark befeuchteten Umgebung in die Zwischenschicht diffundiert, kann außerdem sicherer verhindert werden, dass die Überflutung auftritt.
In der ersten Schicht wird als Träger (erster Träger) diamantartiger Kohlenstoff verwendet. Diamantartiger Kohlenstoff ist eine amorphe Form von Kohlenstoff. Der diamantartige Kohlenstoff, der bei der Erfindung als Träger verwendet wird, liegt in der Form elektrisch leitender, feiner Teilchen vor. Der diamantartige Kohlenstoff trägt die Katalysatormetallteilchen.
An Stelle des diamantartigen Kohlenstoffs können auch feine Teilchen aus glasartigem Kohlenstoff verwendet werden.
In der zweiten Schicht können als der Träger (zweiter Träger) herkömmlich verwendete Rußteilchen eingesetzt werden. Allerdings können auch Zinnoxid und Titanoxide verwendet werden.
Bei der oben genannten dritten Ausgestaltung ist es vorzuziehen, dass die zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht vorgesehene Zwischenschicht Hydrophilie hat, die sich von der der ersten Schicht und der zweiten Schicht unterscheidet.
Die Eigenschaft der Zwischenschicht lässt sich unter dem Gesichtspunkt des Wasserabweisungsvermögens wie folgt beschreiben.
Eine andere Ausgestaltung 3-1 der Erfindung ist wie folgt definiert. Und zwar befindet sich eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle zwischen einer Festelektrolytmembran und einer Diffusionsschicht. Die Reaktionsschicht ist gekennzeichnet durch eine erste Schicht, die sich mit der Festelektrolytmembran in Kontakt befindet, eine zweite Schicht, die sich mit der Diffusionsschicht in Kontakt befindet, und eine Zwischenschicht, die sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht befindet. In der Reaktionsschicht haben die erste Schicht und die zweite Schicht Katalysatormetallteilchen, während die Zwischenschicht keine Katalysatormetallteilchen hat und ein Wasserabweisungsvermögen hat, das größer als das der ersten und der zweiten Schicht ist.
Da in der Brennstoffzelle die gesamte Reaktionsschicht austrocknet, wenn der Betrieb unter der gering befeuchteten Umgebung andauert, wird die Geschwindigkeit der Brennstoffzellenreaktion in der Reaktionsschicht durch den Protonentransport bestimmt. Dementsprechend arbeitet in der Reaktionsschicht hauptsächlich der Teil auf der Festelektrolytmembranseite. Da unter der stark befeuchteten Umgebung die gesamte Reaktionsschicht mit Wasser gesättigt ist, wird dagegen die Geschwindigkeit der Brennstoffzellenreaktion in der Reaktionsschicht durch die Diffusion von Sauerstoff bestimmt. Dementsprechend arbeitet in der Reaktionsschicht hauptsächlich der Teil auf der Diffusionsschichtseite. Unter der stark befeuchteten Umgebung ist es auch wichtig, die Überflutung zu verhindern.
Daher sind bei der Erfindung der Teil (erste Schicht) auf der Festelektrolytmembranseite und der Teil (zweite Schicht) auf der Diffusionsschichtseite durch die Zwischenschicht getrennt, und die Zwischenschicht ist von den Katalysatormetallteilchen befreit und mit hohem Wasserabweisungsvermögen versehen.
Die erste Schicht und die zweite Schicht sind durch die Zwischenschicht getrennt, die keine Katalysatormetallteilchen hat. Die Zwischenschicht trennt die erste Schicht physikalisch von der zweiten Schicht und erhöht somit die Diffusionsstrecke. Unter der gering befeuchteten Umgebung diffundiert daher das erzeugte Wasser in der ersten Schicht kaum in die zweite Schicht und wird dadurch daran gehindert, von dem in der Diffusionsschicht strömenden Gas fort getragen zu werden. Da die Zwischenschicht außerdem das hohe Wasserabweisungsvermögen hat, wird die Trennung des Wassers in der ersten Schicht von dem Wasser in der zweiten Schicht erleichtert. Als Folge dessen wird unter der gering befeuchteten Umgebung der angefeuchtete Zustand in der ersten Schicht beibehalten, der die Geschwindigkeit der Brennstoffzellenreaktion bestimmt, und somit wird das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle unter der gering befeuchteten Umgebung stabilisiert.
Unter der stark befeuchteten Umgebung hat dagegen das erzeugte Wasser, das übermäßig in der ersten Schickt produziert wird, selbst beim Vorhandensein der Zwischenschicht, die die erste Schicht von der zweiten Schicht trennt, einen Druck, der dem erzeugten Wasser wiederum ermöglicht, leicht durch die Zwischenschicht hindurch zu gehen. Nachdem das Wasser durch die Zwischenschicht hindurch gegangen ist, wird es durch das Wasserabweisungsvermögen der Zwischenschicht daran gehindert, zurück zu fließen. Dementsprechend kann sicherer verhindert werden, dass in der ersten Schicht die Überflutung auftritt.
Eine andere Ausgestaltung 3-2 der Erfindung ist wie folgt definiert. Und zwar hat die erste Schicht in der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle, wie sie in der ersten Ausgestaltung definiert ist, ein größeres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen als die zweite Schicht.
Mit der Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß der wie oben definierten zweiten Ausgestaltung sind die erste Schicht, die ein größeres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, und die zweite Schicht, die ein kleineres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, durch die Zwischenschicht getrennt, die keinen Katalysator hat und ein hohes Wasserabweisungsvermögen hat. Die erste Schicht, die die Reaktionsgeschwindigkeit der Brennstoffzelle bestimmt, wenn sie unter der gering befeuchteten Umgebung betrieben wird, hat ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, das hoch eingestellt ist. Daher wird der angefeuchtete Zustand der ersten Schicht beibehalten. Folglich wird der Betrieb der Brennstoffzelle unter der gering befeuchteten Umgebung stabilisiert.
Wenn die Brennstoffzelle unter der stark befeuchteten Umgebung betrieben wird, ist das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der zweiten Schicht niedrig eingestellt, sodass das Wasser leicht von dort fort getragen werden kann. Als Folge dessen kann sich das Wasser leichter von der ersten Schicht zur zweiten Schicht bewegen, wodurch wirksam verhindert wird, dass in der ersten Schicht die Überflutung auftritt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 1, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
2 ist ein konzeptionelles Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen einem Durchmesser D einer Pore und einer Wasserabsorptionseigenschaft oder einer Wasserabgabeeigenschaft (Druck P) zeigt.
3 zeigt das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle 1 unter einer gering befeuchteten Umgebung.
4 zeigt das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle 1 unter einer stark befeuchteten Umgebung.
5 ist ein konzeptionelles Schaubild, das die Gestaltung einer Brennstoffzelle 100 eines zweiten Beispiels zeigt.
6 ist ein konzeptionelles Schaubild, das die Gestaltung einer Brennstoffzelle 200 eines dritten Beispiels zeigt.
7 zeigt das Betriebsverhalten der Brennstoffzellen 100 und 200 des zweiten und des dritten Beispiels unter der gering befeuchteten Umgebung.
8 zeigt das Betriebsverhalten der Brennstoffzellen 100 und 200 des zweiten und des dritten Beispiels unter der stark befeuchteten Umgebung.
BESTE AUSFÜHRUNGSARTEN FÜR DIE ERFINDUNG
1 zeigt eine Brennstoffzelle 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Brennstoffzelle 1 hat eine Gestaltung, bei der eine Festelektrolytmembran 2 zwischen einer Wasserstoffelektrode 10 und einer Luftelektrode 20 liegt.
Für die Festelektrolytmembran 2 kann ein Protonen leitendes Polymermaterial, zum Beispiel ein fluorhaltiges Polymer wie Nafion (eingetragene Marke von DuPont; im Folgenden gilt das Gleiche), verwendet werden.
Die Wasserstoffelektrode 10 ist mit einer Reaktionsschicht 11 und einer Diffusionsschicht 16 versehen, die auf der Festelektrolytmembran 2 übereinander geschichtet sind. Die Reaktionsschicht 11 ist eine Schicht, in der ein Katalysator, etwa Pt, von einem elektrisch leitenden Träger, etwa Kohlenstoffteilchen, getragen wird und mit einem Elektrolyten überzogen ist. Die Diffusionsschicht 16 ist aus einem Material wie Kohlenstoffpapier, Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstofffilz ausgebildet, das elektrische Leitfähigkeit und Gasdiffusionsvermögen hat.
Die Luftelektrode 20 ist ebenfalls mit einer Reaktionsschicht 21 und einer Diffusionsschicht 26 versehen. Die Reaktionsschicht 21 und die Diffusionsschicht 26 haben den gleichen Grundaufbau wie die der Wasserstoffelektrode 10.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Reaktionsschicht 21 der Luftelektrode 20 bei der Erfindung derart gestaltet, dass von der Seite der Festelektrolytmembran 2 aus eine erste Schicht 22, eine Zwischenschicht 23 und eine zweite Schicht 24 übereinander geschichtet sind.
Sowohl die erste Schicht 22 als auch die zweite Schicht 24 haben einen Katalysator, der auf einem Träger getragen wird. In der Zwischenschicht 23 wird kein Katalysator getragen.
Für die in der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 getragenen Katalysatormetallteilchen kann ein Universalkatalysator wie Platin oder eine Platin-Kobalt-Legierung eingesetzt werden. Die in der ersten Schicht 22 getragenen Katalysatormetallteilchen und die in der zweiten Schicht 24 getragenen Katalysatormetallteilchen können untereinander gleich oder zueinander verschieden sein.
Obwohl die Zwischenschicht 23 keinen Katalysator hat, muss die Zwischenschicht 23 elektrische Leitfähigkeit, Protonenmobilität und Sauerstoffdiffusionsvermögen haben, um die Aktivität der Katalysatoren in der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 sicher zu stellen. Zu diesem Zweck ist die Zwischenschicht 23 derart gestaltet, dass eine aus elektrisch leitenden, porösen, feinen Teilchen bestehende Grundsubstanz mit einem Elektrolyten verknetet ist. Als eine solche Grundsubstanz kann der oben genannte Träger (etwa Rußteilchen) für die Katalysatormetallteilchen verwendet werden. Unter dem Gesichtspunkt, dass sich Wasser problemlos bewegen kann, besteht die Grundsubstanz der Zwischenschicht vorzugsweise aus einem Material, das zu dem Material des Trägers in der ersten und der zweiten Schicht identisch ist oder von der gleichen Art ist.
Es kann jeglicher Elektrolyt gewählt werden, solange er die Bewegung von Protonen ermöglicht.
Die erste Schicht 22 hat ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, das höher als das der zweiten Schicht 24 eingestellt ist.
Das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen jeder Schicht kann durch Steuerung der Eigenschaften des Grundmaterials, des Elektrolyten und des Katalysators gesteuert werden.
Zum Beispiel wird das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen verringert, indem der Porositätsanteil des sich aus den Kohlenstoffteilchen zusammensetzenden Grundmaterials erhöht wird. Aus dem gleichen Grund wird das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen verringert, indem das Wasserabweisungsvermögen des Trägers gesteigert wird.
Das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen wird erhöht, indem der Mischungsanteil des Elektrolyten erhöht wird. Außerdem wird das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen verringert, indem die ÄM (Trockenmasse pro Mol Sulfonsäuregruppe) des Elektrolyten erhöht wird.
Wenn die Tragedichte des Katalysatormetalls erhöht wird, wird darüber hinaus die Reaktionsschicht dünner. Somit nimmt die Erzeugungsdichte des erzeugten Wassers zu, was ermöglicht, ein Austrocknen der Schichten zu verhindern.
Des Weiteren kann das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hoch gehalten werden, wenn ein hydrophiler Katalysator eingesetzt wird. Ein solcher hydrophiler Katalysator schließt beispielsweise einen Pt-Co-Katalysator ein. Die Hydrophilie von Universalkatalysatoren, zu denen der Pt-Co-Katalysator gehört, kann durch Durchführen einer Säurebehandlung verbessert werden.
Das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der ersten Schicht 22 kann höher als das der zweiten Schicht 24 eingestellt werden, wenn die obige Beschreibung berücksichtigt wird, das heißt wenn eine Eigenschaft des Grundmaterials, des Elektrolyten und/oder des Katalysators geändert wird.
Um unter einer Umgebung geringer Feuchtigkeit ein hohes Leistungsvermögen zu erzielen, ist es wichtig, das erzeugte Wasser daran zu hindern, fort getragen zu werden, damit die Elektrolytmembran und die zur Stromerzeugung beitragende Reaktionsschicht, die sich nahe an der Elektrolytmembran befindet, in einem angefeuchteten Zustand gehalten werden. Da sich die zweite Schicht 24 nahe an einem Gasdurchlass befindet, ist es wahrscheinlich, dass das erzeugte Wasser leicht von dem Gas fort getragen wird. Unter der Umgebung geringer Feuchtigkeit ist es daher vorzuziehen, nicht zuzulassen, dass das erzeugte Wasser produziert wird, das heißt nicht zuzulassen, dass Strom erzeugt wird. Daher ist zwischen der ersten Schicht 22 nahe an der Elektrolytmembran und der zweiten Schicht 24 nahe an dem Durchlass die Zwischenschicht 23 vorgesehen, die keinen Katalysator aufweist, um so für einen Aufbau zu sorgen, der die erste Schicht physikalisch von der zweiten Schicht trennt. Dementsprechend diffundiert das erzeugte Wasser in der ersten Schicht kaum in die zweite Schicht, da die erste Schicht durch die Zwischenschicht mit einem Abstand von der zweiten Schicht getrennt ist, und somit kann die von dem Gas fort getragene Wassermenge verringert werden. Als Folge dessen werden nur die Elektrolytmembran und die erste Schicht in einem angefeuchteten Zustand gehalten, und somit zeigt sich selbst unter der Umgebung geringer Feuchtigkeit ein hohes Leistungsvermögen.
Um ein hohes Leistungsvermögen unter einer Umgebung hoher Feuchtigkeit zu erzielen, ist es dagegen wichtig, zu verhindern, dass Poren durch das erzeugte Wasser blockiert werden, um so der gesamten Reaktionsschicht zu ermöglichen, Strom zu erzeugen. Die erste Schicht 22 hat zwar ein hohes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, doch diffundiert überschüssiges erzeugtes Wasser in die Zwischenschicht, falls die Zwischenschicht vorgesehen ist, und somit kann verhindert werden, dass in der ersten Schicht 22 eine Überflutung stattfindet.
Unter dem Gesichtspunkt, die oben beschriebene Wirkung sicher zu stellen, hat die Zwischenschicht 23 vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 0,1 bis 10 μm. Die Zwischenschicht 23 trägt zwar keinen Katalysator, doch kann der Katalysator beim Produktionsvorgang von der ersten Schicht 22 oder der zweiten Schicht 24 aus eindiffundieren. Die Definition der Zwischenschicht schließt daher einen Fall ein, in dem ein solcher unbeabsichtigter Katalysator vorhanden ist.
In der ersten Schicht 22 kann die Tragedichte der Katalysatormetallteilchen auf einen höheren Wert als in der zweiten Schicht 24 eingestellt sein.
Die Tragedichte der Katalysatormetallteilchen kann durch jedes beliebige Verfahren eingestellt werden.
Wenn in sowohl der ersten Schicht 22 als auch der zweiten Schicht 24 der gleiche Träger die gleichen Katalysatormetallteilchen trägt, kann der Masseanteil der Katalysatormetallteilchen, die in jeder Schicht in einer Volumeneinheit enthalten sind, als eine Kennziffer für die Tragedichte angesehen werden.
Wenn die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 Katalysatormetallteilchen mit voneinander verschiedenen Teilchendurchmessern verwenden, kann die Oberfläche der in einer Volumeneinheit enthaltenen Katalysatormetallteilchen als die Kennziffer angesehen werden.
Dabei ist zu beachten, dass, wenn die Abfolge von technologischen Entwicklungen betrachtet wird, mit denen die Verwendungsmenge an Katalysatormetall verringert werden soll, der Teilchendurchmesser der Katalysatormetallteilchen vorzugsweise so klein wie möglich ist. Dementsprechend haben die Katalysatormetallteilchen, die in der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 getragen werden sollen, vorzugsweise einen so kleinen Durchmesser wie möglich, das heißt sie haben untereinander den gleichen Teilchendurchmesser.
Die Eigenschaften der Zwischenschicht 23 unterscheiden sich vorzugsweise von denen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24. Wie oben beschrieben wurde, ist das Wasserabweisungsvermögen als eine der Eigenschaften der Zwischenschicht 23 vorzugsweise größer als das Wasserabweisungsvermögen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24.
Als Verfahren, um das Wasserabweisungsvermögen der Zwischenschicht 23 zu steigern, lassen sich beispielhaft die folgenden Verfahren nennen: (1) Kombinieren einer hydrophilen Gruppe des Elektrolyten mit dem Grundmaterial, um so eine hydrophobe Gruppe des Elektrolyten an einer Oberfläche von ihm heraus zu bringen und/oder (2) Verringern eines Porendurchmessers.

(1) Kombinieren einer hydrophilen Gruppe der Elektrolytphase mit dem Grundmaterial, um so eine hydrophobe Gruppe der Elektrolytphase zur Oberfläche heraus zu bringen.

Das Wasserabweisungsvermögen der Zwischenschicht wird verbessert, da die Oberfläche der Elektrolytphase hydrophob wird.
Es gibt die folgenden Verfahren, um die Oberfläche der Elektrolytphase hydrophob zu machen.

(1-1) Eine spezifische Oberfläche des Grundmaterials der Zwischenschicht 23 größer als die des Grundmaterials der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 machen.

Das als Grundmaterial dienende Rußteilchen hat auf seiner Oberfläche eine hydrophile Gruppe, die durch Elektronenaffinität mit der hydrophilen Gruppe des Elektrolyten kombiniert. Als Folge dessen wird die hydrophobe Gruppe zur Oberfläche des Elektrolyten, der das Grundmaterial bedeckt, heraus gebracht. Je größer die spezifische Oberfläche des Grundmaterials ist, umso größer ist dabei die Menge der hydrophilen Gruppe in dem Elektrolyten, die mit dem Grundmaterial kombiniert. Somit wird ein höherer Anteil der hydrophoben Gruppe zur Oberfläche heraus gebracht. Dementsprechend verbessert sich das Wasserabweisungsvermögen der Zwischenschicht, die aus einem Knetgemisch des Grundmaterials und des Elektrolyten ausgebildet Ist.

(1-2) Einen Elektrolytanteil [Elektrolyt/(Grundmaterial + Elektrolyt)] der Zwischenschicht 23 kleiner als den der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 machen.

Wenn der Elektrolytanteil kleiner gemacht wird, kombiniert eine größere Menge der hydrophilen Gruppe des Elektrolyten mit dem Grundmaterial, wodurch ein höherer Anteil der hydrophoben Gruppe zur Oberfläche heraus gebracht wird.

(1-3) Die ÄM (Trockenmasse pro Mol Sulfonsäuregruppe) des Elektrolyten der Zwischenschicht 23 größer als die der Elektrolyten der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 machen.

Die Dichte der Sulfonsäuregruppe (hydrophile Gruppe) des Elektrolyten nimmt mit zunehmender ÄM ab. Wenn ein Elektrolyt mit großer ÄM (Elektrolyt mit geringer Sulfonsäuregruppendichte) verwendet wird, ist auf der Oberfläche der Elektrolytphase eine große Menge der hydrophoben Gruppe vorhanden.

(2) 2 und die Formel 1 zeigen einen Zusammenhang zwischen einem Durchmesser D einer Pore in der Grundsubstanz und einer Wasserabsorptionseigenschaft oder einer Wasserabgabeeigenschaft (Druck P).

P = – 4 σcosθ/D Formel 1

Wenn ein Kontaktwinkel θ 90° oder mehr beträgt (Wasserabgabe), ist der Wasserabgabedruck P gemäß der Formel 1 umso größer, je kleiner der Porendurchmesser D ist. (Der Fall, in dem der Kontaktwinkel θ weniger als 90° beträgt, kommt aus ersichtlichen Gründen nicht in Frage. Wenn die Pore durch absorbiertes Wasser blockiert wird, wird die Sauerstoffzufuhr behindert.) Daher ist es vorzuziehen, dass das Grundmaterial der Zwischenschicht 23 einen kleineren Porendurchmesser als die Grundmaterialien der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 hat.
Die Zwischenschicht 23 ist außerdem in einer Schichtdicke ausgebildet, die kleiner als die der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 ist. Die Wasser abweisende Zwischenschicht 23 ist dünn ausgebildet, um nicht übermäßig die Bewegung des erzeugten Wassers unter der stark befeuchteten Umgebung zu behindern.
Um ein hohes Leistungsvermögen unter der gering befeuchteten Umgebung zu erzielen, ist es wichtig, das erzeugte Wasser daran zu hindern, von dem in der Diffusionsschicht strömenden Gas fort getragen zu werden, um so die Festelektrolytmembran und die zur Stromerzeugung beitragende Reaktionsschicht, die sich nahe an der Festelektrolytmembran befindet, in einem angefeuchteten Zustand zu halten. Daher ist zwischen der ersten Schicht 22 nahe an der Festelektrolytmembran und der zweiten Schicht 24 nahe an dem Gasdurchlass die Zwischenschicht 23 vorgesehen, die keinen Katalysator aufweist und eine hohes Wasserabweisungsvermögen hat, um so für einen Aufbau zu sorgen, der die erste Schicht 22 physikalisch von der zweiten Schicht 24 trennt. Dementsprechend wird das erzeugte Wasser in der ersten Schicht 22 von der Zwischenschicht 23 abgewiesen, die Wasserabweisungsvermögen hat, und diffundiert somit kaum in die zweite Schicht 24. Mit anderen Worten sperrt die Wasser abweisende Zwischenschicht 23 die Wasserverbindung zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 ab. Die zweite Schicht 24 trocknet zwar nach und nach aus, doch erreicht daher der Einfluss des Austrocknens nicht die erste Schicht 22. Dementsprechend wird der angefeuchtete Zustand der Festelektrolytmembran 2 und der ersten Schicht 22 beibehalten, und somit zeigt sich selbst unter der Umgebung geringer Feuchtigkeit eine hohe Leistung. Insbesondere wenn die Poren des Grundmaterials der Zwischenschicht 23 klein sind, kann das Wasser daran gehindert werden, von der ersten Schicht 22 abzudampfen, und somit kann die erste Schicht 22 wirksam daran gehindert werden, zu übertrocknen.
Um unter der stark befeuchteten Umgebung ein hohes Leistungsvermögen zu erzielen, ist es dagegen wichtig, zu verhindern, dass die Poren durch das erzeugte Wasser blockiert werden, um so der gesamten Reaktionsschicht zu ermöglichen, Strom zu erzeugen. Wenn das erzeugte Wasser in der ersten Schicht 22 übermäßig zunimmt, wird auf die erste Schicht 22 ein Druck (Wasserdruck) aufgebracht. Obwohl die Zwischenschicht 23 ein größeres Wasserabweisungsvermögen hat, geht dementsprechend das unter Druck gesetzte, erzeugte Wasser leicht durch diese hindurch. Andererseits gewährleistet das Wasserabweisungsvermögen der Zwischenschicht 23, dass der Rückfluss des erzeugten Wassers, das durch die Zwischenschicht 23 gegangen ist, verhindert wird. Als Folge dessen wird das Wasser, das durch die Zwischenschicht 23 gegangen ist, wirksam über die zweite Schicht 24 entfernt. Daher kann verhindert werden, dass in der ersten Schicht 22 eine Überflutung stattfindet.
Unter dem Gesichtspunkt, die oben beschriebene Wirkung sicher zu stellen, hat die Zwischenschicht 23 vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 0,1 bis 10 μm. Die Zwischenschicht 23 trägt zwar keinen Katalysator, der Katalysator kann aber im Produktionsvorgang von der ersten Schicht 22 oder der zweiten Schicht 24 aus eindiffundieren. Daher schließt die Definition der Zwischenschicht einen Fall ein, in dem ein solcher unbeabsichtigter Katalysator vorhanden ist.
Im Folgenden wird ein Beispiel der Erfindung beschrieben.
Die Reaktionsschicht 21 des Beispiels wird wie folgt ausgebildet.
Zunächst werden Pasten für die Schichten 22, 23 und 24, die die Reaktionsschicht 21 bilden, angefertigt.
Für die Paste der ersten Schicht 22 wird als Träger Ketjenblack EC600JD (eingetragene Marke der Ketjen Black International Company; im Folgenden gilt das Gleiche) verwendet, und auf den Träger wird mit 50 Gew.-% eine Pt-Co-Legierung als Katalysator getragen. Dabei ist zu beachten, dass das Molverhältnis von Pt zu Co 1:3 ist. Für den Elektrolyt wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der Zwischenschicht 23 wird als Träger Ketjenblack EC (eingetragene Marke der Ketjen Black International Company; im Folgenden gilt das Gleiche) verwendet und in einer 5%-Lösung aus Nafion verteilt. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der zweiten Schicht 24 wird Ketjenblack EC600JD verwendet, und darauf wird mit 60 Gew.-% ein Pt-Katalysator getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:0,8.
Wenn die erste Schicht 22 mit der zweiten Schicht 24 verglichen wird, hat bei der oben beschriebenen Anfertigung der Katalysator in der ersten Schicht 22 ein größeres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen als der Katalysator in der zweiten Schicht 24. Der Mischungsanteil des Elektrolyten zum Grundmaterial ist in der ersten Schicht 22 größer als in der zweiten Schicht 24.
Die Pasten werden auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 26 nacheinander in einer Reihenfolge, die von der Paste für die zweite Schicht 24 ausgeht, übereinander geschichtet und getrocknet, um die in 1 gezeigte Reaktionsschicht 21 auszubilden.
Auf die gleiche Weise wird auch auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 16 auf der Seite der Wasserstoffelektrode 10 die Reaktionsschicht 11 aufgeschichtet.
Die Reaktionsschichten 11 und 21 der Wasserstoffelektrode 10 und der Luftelektrode 20 werden jeweils auf der Festelektrolytmembran 2 auflaminiert, um die Brennstoffzelle 1 von 1 auszubilden.
3 zeigt Abgabeleistungen der auf diese Weise erzielten Brennstoffzelle 1 unter der gering befeuchteten Umgebung. Auf die gleiche Weise zeigt 4 die Abgabeleistungen unter der stark befeuchteten Umgebung. Dabei ist zu beachten, dass das Vergleichsbeispiel 1 ein Beispiel ist, bei dem die gesamte Reaktionsschicht 21 aus der zweiten Schicht 24 ausgebildet ist, die ein geringes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat; dass das Vergleichsbeispiel 2 ein Beispiel ist, bei dem die gesamte Reaktionsschicht 21 aus der ersten Schicht 22 ausgebildet ist, die ein hohes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat; und dass das Vergleichsbeispiel 3 ein Beispiel ist, bei dem die Zwischenschicht 23 aus der Reaktionsschicht 21 entfernt wurde.
Die gering befeuchtete Umgebung in 3 ist eine Umgebung, bei der trockene Luft als Prozessluft verwendet wird, und die stark befeuchtete Umgebung in 4 ist eine Umgebung, bei der befeuchtete Luft als Prozessluft verwendet wird.
Aus den Ergebnissen der 3 und 4 ergab sich, dass die Brennstoffzelle des Beispiels, bei dem sich zwischen der ersten Schicht 22 mit hohem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen und der zweiten Schicht 24 mit geringem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen die Zwischenschicht 23 befindet, die keinen Katalysator hat, unter sowohl der gering befeuchteten Umgebung als auch der stark befeuchteten Umgebung ein hervorragendes Betriebsverhalten zeigt.
5 zeigt eine Brennstoffzelle 100 eines Beispiels 2. Dabei ist zu beachten, dass den gleichen Elementen, wie sie in 1 gezeigt sind, die gleichen Bezugszahlen zugeordnet wurden und dass ihre Beschreibung weggelassen wird.
In der Brennstoffzelle 100 hat eine Zwischenschicht 230 einen Dreischichtaufbau. Die Zwischenschicht 230 setzt sich aus einer 3-1-Schicht 231, die mit der ersten Schicht 22 mit hohem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen verbunden ist, einer 3-2-Schicht 232, die mit der zweiten Schicht 24 mit geringem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen verbunden ist, und einer 3-3-Schicht 233 zusammen, die zwischen der 3-1-Schicht 231 und der 3-2-Schicht 232 liegt.
Die 3-1-Schicht 231 ist mit Ausnahme dessen, dass die 3-1-Schicht 231 keinen Katalysator hat, die gleiche wie die erste Schicht 22. Das heißt, dass Ketjenblack EC600JD mit Nafion gemischt ist, das als Elektrolyt dient, und dass der Masseanteil von Kohlenstoff zum Elektrolyten 1:1 ist. Dementsprechend hat die 3-1-Schicht 231 fast das gleiche Feuchtigkeitsrückhaltevermögen wie die erste Schicht 22.
Die 3-2-Schicht 232 ist mit Ausnahme dessen, dass die 3-2-Schicht 232 keinen Katalysator hat, die gleiche wie die zweite Schicht 24. Das heißt, dass Ketjenblack EC600JD mit Nafion gemischt ist, das als Elektrolyt dient, und dass der Masseanteil von Kohlenstoff zum Elektrolyten 1:0,8 ist. Dementsprechend hat die 3-2-Schicht 232 fast das gleiche Feuchtigkeitsrückhaltevermögen wie die zweite Schicht 24.
Die 3-3-Schicht 233 hat ein größeres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen als die 3-1-Schicht 231 und die 3-2-Schicht 232. Und zwar ist Ketjenblack EC600JD mit Titanoxid und weiterhin mit Nation gemischt, das als Elektrolyt dient, und der Masseanteil von Kohlenstoff zum Elektrolyten ist 1:1,1.
Als Verfahren, um das hohe Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der Schicht zu erhöhen, die keinen Katalysator hat, ist es möglich, an Stelle des oben genannten Verfahrens, in dem ein hydrophiles Material wie Titanoxid oder Kieselgel eingemischt wird, ein Verfahren zu verwenden, bei dem Kohlenstoff einer Wärmebehandlung oder einer Säurebehandlung unterzogen wird, sodass seine Oberfläche oxidiert, um hydrophil zu sein. Darüber hinaus kann der oxidationsbehandelte Kohlenstoff mit hydrophilem Material gemischt werden. Des Weiteren können an Stelle von Kohlenstoff elektrisch leitende, hydrophile Materialien wie Zinnoxid und Zinkoxid verwendet werden.
Die Pasten der Schichten 231, 232 und 233, die wie oben beschrieben die Zwischenschicht 230 bilden, werden nacheinander in einer Reihenfolge, die von der 3-2-Schicht ausgeht, auf der zweiten Schicht 24 aufgeschichtet und getrocknet, um den in 5 gezeigten Dreischichtaufbau auszubilden.
In dem Beispiel von 5 verwendet die Reaktionsschicht 11 auf der Seite der Wasserstoffelektrode 10 Ketjenblack EC600JD als Träger, und auf dem Träger wird mit 60 Gew.-% Pt als Katalysator getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
6 zeigt eine Brennstoffzelle 200 eines anderen Beispiels 3. Dabei ist zu beachten, dass den gleichen Elementen wie in 5 die gleichen Bezugszahlen zugewiesen wurden und ihre Beschreibung weggelassen wird.
In der Brennstoffzelle 200 ist die Reaktionsschicht 11 auf der Seite der Wasserstoffelektrode 10 derart gestaltet, dass von der Seite der Diffusionsschicht 16 aus eine zweite Schicht 14 mit geringem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen, eine Zwischenschicht 130 und eine erste Schicht 12 mit hohem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen übereinander geschichtet sind. Dabei ist die Zwischenschicht 130 des Weiteren so ausgebildet, dass sie einen Dreischichtaufbau hat. Das heißt, dass sich die Zwischenschicht 130 aus einer 3-1-Schicht 131, die mit der ersten Schicht 12 mit hohem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen verbunden ist, einer 3-2-Schicht 132, die mit der zweiten Schicht 14 mit geringem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen verbunden ist, und einer 3-3-Schicht 133 zusammensetzt, die zwischen der 3-1-Schicht 131 und der 3-2-Schicht 132 liegt.
In der Reaktionsschicht 11 auf der Wasserstoffelektrodenseite ist die erste Schicht 12 wie folgt gestaltet. Als Träger wird Ketjenblack EC600JD (eingetragene Marke der Ketjen Black International Company; im Folgenden gilt das Gleiche) verwendet, und auf dem Träger wird mit 60 Gew.-% Pt als Katalysator getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der zweiten Schicht 14 wird Ketjenblack EC600JD verwendet, und darauf wird mit 40 Gew.-% ein Pt-Katalysator getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:0,8.
Die Zwischenschicht 130 ist wie folgt gestaltet.
Die 3-1-Schicht 131 ist mit Ausnahme dessen, dass die 3-1-Schicht 131 keinen Katalysator hat, die gleiche wie die erste Schicht 12. Das heißt, dass Ketjenblack EC600JD mit Nafion gemischt ist, das als Elektrolyt dient, und dass der Masseanteil von Kohlenstoff zum Elektrolyten 1:1 ist. Dementsprechend hat die 3-1-Schicht 131 fast das gleiche Feuchtigkeitsrückhaltevermögen wie die erste Schicht 12.
Die 3-2-Schicht 132 ist mit Ausnahme dessen, dass die 3-2-Schicht 132 keinen Katalysator hat, die gleiche wie die zweite Schicht 14. Das heißt, dass Ketjenblack EC600JD mit Nafion gemischt ist, das als Elektrolyt dient, und dass der Masseanteil von Kohlenstoff zum Elektrolyten 1:0,8 ist. Dementsprechend hat die 3-2-Schicht 132 fast das gleiche Feuchtigkeitsrückhaltevermögen wie die zweite Schicht 14.
Die 3-3-Schicht 133 hat ein größeres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen als die 3-1-Schicht 131 und die 3-2-Schicht 132. Und zwar ist Ketjenblack EC600JD mit Titanoxid und des Weiteren mit Nafion gemischt, das als Elektrolyt dient, und der Masseanteil von Kohlenstoff zum Elektrolyten ist 1:1,1.
Die Pasten der Schichten 131, 132 und 133, die wie oben beschrieben die Zwischenschicht 130 bilden, werden nacheinander in einer Reihenfolge, die von der 3-2-Schicht ausgeht, auf der zweiten Schicht 14 aufgeschichtet und getrocknet, um den in 6 gezeigten Dreischichtaufbau auszubilden.
Als Verfahren, um das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der Schicht zu erhöhen, die keinen Katalysator hat, ist es möglich, an Stelle des oben genannten Verfahrens, in dem hydrophiles Material wie Titanoxid oder Kieselgel eingemischt wird, ein Verfahren zu verwenden, in dem Kohlenstoff einer Wärmebehandlung oder eine Säurebehandlung unterzogen wird, sodass seine Oberfläche oxidiert, um hydrophil zu sein. Darüber hinaus kann der oxidationsbehandelte Kohlenstoff mit hydrophilem Material gemischt werden. Des Weiteren können an Stelle von Kohlenstoff elektrisch leitende, hydrophile Materialien wie Zinnoxid und Zinkoxid verwendet werden.
7 zeigt Abgabeleistungen der in 5 gezeigten Brennstoffzelle 100 des Beispiels 2 und der in 6 gezeigten Brennstoffzelle 200 des Beispiels 3, wobei beide unter der gering befeuchteten Umgebung ermittelt wurden. Auf die gleiche Weise zeigt 8 die Abgabeleistungen unter der stark befeuchteten Umgebung. Das Vergleichsbeispiel 4 in den 7 und 8 ist ein Beispiel, bei dem die Reaktionsschichten 11 und 21 der Wasserstoffelektrode 10 und der Luftelektrode 20 in der Brennstoffzelle des Beispiels 3 jeweils vollständig aus jeweils der zweiten Schicht 14 und 24 ausgebildet sind, die ein geringes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat.
Anhand der Ergebnisse der 7 und 8 konnte bestätigt werden, dass sich die Abgabeleistung der Brennstoffzelle insbesondere unter der gering befeuchteten Umgebung verbessert, wenn die Zwischenschicht den Dreischichtaufbau hat. Eine hervorragende Abgabeleistung zeigt unter sowohl der gering befeuchteten Umgebung als auch der stark befeuchteten Umgebung insbesondere das Beispiel 3 von 6, bei dem die Reaktionsschichten der Luftelektrode und der Wasserstoffelektrode jeweils mit der Zwischenschicht versehen sind, die den Dreischichtaufbau hat.
In dem oben beschriebenen Beispiel werden die erste Schicht, die Zwischenschicht und die zweite Schicht nacheinander über der gesamten Fläche jeder Reaktionsschicht 11 und 21 ausgebildet. Allerdings kann diese Gestaltung in der Flächenrichtung der Reaktionsschicht auch nur in einem Teilbereich eingesetzt werden.
Unter einem anderen Gesichtspunkt betrachtet kann die Erfindung als eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle verstanden werden, bei der in der Richtung der Dicke der Reaktionsschicht eine katalysatorfreie Schicht eingeschoben ist.
Um das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen jeder Schicht zu steuern, kommt eine Anpassung des Porositätsanteils des Trägers in Betracht.
Um den Porositätsanteil zu erhöhen, damit sich das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen einer Schicht verringert, lassen sich die folgenden Verfahren als Beispiel nennen: Verdünnen der Paste mit Wasser oder Alkohol und Aufbringen von ihr auf die Diffusionsschicht; Verringern des Anteils an Elektrolyt gegenüber dem Träger; Erhöhen der Katalysatortragedichte; und Einsetzen von Gefriertrocknung.
Außerdem kann der Porositätsanteil einer Gesamtschicht erhöht werden, indem der Katalysator zu kleinen Stücken zerstoßen wird.
Als Nächstes wird ein Beispiel beschrieben, das der anderen Ausgestaltung 1-1 der Erfindung entspricht.
Eine Reaktionsschicht dieses Beispiels hat den gleichen Aufbau wie in 1.
Die Reaktionsschicht 21 dieses Beispiels wird wie folgt ausgebildet.
Zunächst werden Pasten für die Schichten 22, 23 und 24 angefertigt, die die Reaktionsschicht 21 bilden.
Für die Paste der ersten Schicht 22 werden als Kohlenstoffträger Rußteilchen verwendet, und auf dem Träger wird mit 50 Gew.-% Pt als Katalysatormetall getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der Zwischenschicht 23 werden als Grundsubstanz Rußteilchen verwendet und in einer 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verteilt. Der Masseanteil der Grundsubstanz zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der zweiten Schicht 24 werden Rußteilchen verwendet, und darauf wird mit 40 Gew.-% ein Pt-Katalysator getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Wenn die erste Schicht 22 mit der zweiten Schicht 24 verglichen wird, hat bei der oben beschriebenen Anfertigung die erste Schicht 22 einen größeren Katalysatortrageanteil als die zweite Schicht 24. Der Träger in der Zwischenschicht 23 hat einen kleineren mittleren Öffnungsdurchmesser der Poren als die erste und die zweite Schicht 22 und 24. Wegen dieses Punktes hat die Zwischenschicht 23 ein größeres Wasserabweisungsvermögen als die erste und die zweite Schicht 22 und 24. Außerdem hat die Zwischenschicht 23 eine größere Oberfläche als die erste und die zweite Schicht 22 und 24, während der Mischungsanteil des Trägers zum Elektrolyten zwischen der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 und der Zwischenschicht 23 auf dem gleichen Niveau gehalten wird. Auch wegen dieser Punkte hat die Zwischensicht 23 ein größeres Wasserabweisungsvermögen als die erste und die zweite Schicht 22 und 24.
Die Pasten werden nacheinander in einer Reihenfolge, die von der Paste für die zweite Schicht 24 ausgeht, auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 26 aufgeschichtet und getrocknet, um die in 1 gezeigte Reaktionsschicht 21 auszubilden.
Auf die gleiche Weise wird auch auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 16 auf der Seite der Wasserstoffelektrode 10 die Reaktionsschicht 11 aufgeschichtet.
Die Reaktionsschichten 11 und 21 der Wasserstoffelektrode 10 und der Luftelektrode 20 werden jeweils auf der Festelektrolytmembran 2 auflaminiert, um die Brennstoffzelle 1 von 1 auszubilden.
In dem oben beschriebenen Beispiel werden die erste Schicht, die Zwischenschicht und die zweite Schicht nacheinander auf der gesamten Fläche der Reaktionsschicht 21 ausgebildet. Allerdings kann diese Gestaltung in der Flächenrichtung der Reaktionsschicht 21 auch nur in einem Teilbereich eingesetzt werden.
Unter einem anderen Gesichtspunkt betrachtet kann die Erfindung als eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle verstanden werden, in der in der Richtung der Dicke der Reaktionsschicht, deren Katalysatortrageanteil in der Richtung ihrer Dicke ungleich ist, eine katalysatorfreie Schicht eingeschoben ist.
Es wird nun ein Beispiel beschrieben, das der anderen Ausgestaltung 2-1 der Erfindung entspricht.
Eine Reaktionsschicht dieses Beispiels hat den gleichen Aufbau wie in 1.
Die Reaktionsschicht 21 dieses Beispiels wird wie folgt ausgebildet.
Zunächst werden Pasten für die Schichten 22, 23 und 24 angefertigt, die die Reaktionsschicht 21 bilden.
Für die Paste der ersten Schicht 22 werden als Träger diamantähnliche Kohlenstoffteilchen verwendet, und auf dem Träger wird mit 50 Gew.-% Pt als Katalysatormetall getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der Zwischenschicht 23 werden als Grundmaterial Rußteilchen verwendet und in einer 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verteilt. Der Masseanteil des Grundmaterials zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der zweiten Schicht 24 werden Rußteilchen verwendet, und darauf wird mit 40 Gew.-% ein Pt-Katalysator getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Wenn die erste Schicht 22 mit der zweiten Schicht 24 verglichen wird, hat bei der oben beschriebenen Anfertigung die erste Schicht 22 einen größeren Katalysatortrageanteil als die zweite Schicht 24. Daher hat die erste Schicht 22 ein größeres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen als die zweite Schicht 24.
Der Träger in der Zwischenschicht 23 hat einen kleineren mittleren Öffnungsdurchmesser der Poren als die erste und die zweite Schicht 22 und 24. Wegen dieses Punktes hat die Zwischenschicht 23 ein größeres Wasserabweisungsvermögen als die erste und die zweite Schicht 22 und 24. Außerdem hat die Zwischenschicht 23 eine größere spezifische Oberfläche als die erste und die zweite Schicht 22 und 24, während der Mischungsanteil des Trägers zum Elektrolyten unter der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 und der Zwischenschicht 23 auf dem gleichen Niveau gehalten wird. Auch wegen dieser Punkte hat die Zwischenschicht 23 ein größeres Wasserabweisungsvermögen als die erste und die zweite Schicht 22 und 24.
Die Pasten werden nacheinander in einer Reihenfolge, die von der Paste für die zweite Schicht 24 ausgeht, auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 26 aufgeschichtet und getrocknet, um die in 1 gezeigte Reaktionsschicht 21 auszubilden.
Auf die gleiche Weise wird auch auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 16 auf der Seite der Wasserstoffelektrode 10 die Reaktionsschicht 11 aufgeschichtet.
Die Reaktionsschichten 11 und 21 der Wasserstoffelektrode 10 und der Luftelektrode 20 werden jeweils auf der Festelektrolytmembran 2 auflaminiert, um die Brennstoffzelle 1 von 1 auszubilden.
Es wird nun ein Beispiel beschrieben, das der anderen Ausgestaltung 3-1 der Erfindung entspricht.
Eine Reaktionsschicht dieses Beispiels hat den gleichen Aufbau wie in 1.
Die Reaktionsschicht 21 dieses Beispiels wird wie folgt ausgebildet.
Für die Paste der ersten Schicht 22 wird als Träger Ketjenblack EC600JD (eingetragene Marke der Ketjen Black International Company; im Folgenden gilt das Gleiche) verwendet, und auf dem Träger wird mit 50 Gew.-% eine Pt-Co-Legierung als Katalysator getragen. Dabei ist zu beachten, dass das Molverhältnis von Pt zu Co 1:3 ist. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der Zwischenschicht 23 werden als Grundsubstanz Rußteilchen verwendet und in einer 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verteilt. Der Masseanteil der Grundsubstanz zum Elektrolyten ist 1:1.
Für die Paste der zweiten Schicht 24 wird Ketjenblack EC600JD verwendet, und darauf wird mit 60 Gew.-% ein Pt-Katalysator getragen. Für den Elektrolyten wird eine 5 Gew.-% Lösung aus Nafion verwendet. Der Masseanteil des Kohlenstoffträgers zum Elektrolyten ist 1:0,8.
Wenn die erste Schicht 22 mit der zweiten Schicht 24 verglichen wird, hat bei der oben beschriebenen Anfertigung der Katalysator in der ersten Schicht 22 ein größeres Feuchtigkeitsrückhaltevermögen als der Katalysator in der zweiten Schicht 24. Der Mischungsanteil des Elektrolyten zum Grundmaterial ist in der ersten Schicht 22 größer als in der zweiten Schicht 24.
Der Träger in der Zwischenschicht 23 hat einen kleineren mittleren Öffnungsdurchmesser der Poren als die erste und die zweite Schicht 22 und 24. Wegen dieses Punktes hat die Zwischenschicht 23 ein größeres Wasserabweisungsvermögen als die erste und die zweite Schicht 22 und 24. Außerdem hat die Zwischenschicht 23 eine größere spezifische Oberfläche als die erste und die zweite Schicht 22 und 24, während der Mischungsanteil des Trägers zum Elektrolyten unter der ersten und der zweiten Schicht 22 und 24 und der Zwischenschicht 23 auf dem gleichen Niveau gehalten wird. Auch wegen dieser Punkte hat die Zwischenschicht 23 ein größeres Wasserabweisungsvermögen als die erste und die zweite Schicht 22 und 24.
Die Pasten werden nacheinander in einer Reihenfolge, die von der Paste für die zweite Schicht 24 ausgeht, auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 26 aufgeschichtet und getrocknet, um die in 1 gezeigte Reaktionsschicht 21 auszubilden.
Auf die gleiche Weise wird auch auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 16 auf der Seite der Wasserstoffelektrode 10 die Reaktionsschicht 11 aufgeschichtet.
Die Reaktionsschichten 11 und 21 der Wasserstoffelektrode 10 und der Luftelektrode 20 werden jeweils auf der Festelektrolytmembran 2 auflaminiert, um die Brennstoffzelle 1 von 1 auszubilden.
Um das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen jeder Schicht zu steuern, kommt eine Einstellung des Porositätsanteils des Trägers in Betracht.
Um den Porositätsanteil zu erhöhen, damit sich das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen einer Schicht verringert, lassen sich die folgenden Verfahren als Beispiel nennen: Verdünnen der Paste mit Wasser oder Alkohol und Aufbringen von ihr auf der Diffusionsschicht; und Verringern des Anteils an Elektrolyt gegenüber dem Träger.
In dem oben beschriebenen Beispiel werden die erste Schicht, die Zwischenschicht und die zweite Schicht nacheinander über der gesamten Fläche der Reaktionsschicht 21 ausgebildet. Allerdings kann diese Gestaltung in der Flächenrichtung der Reaktionsschicht auch nur in einem Teilbereich eingesetzt werden.
Unter einem anderen Gesichtspunkt betrachtet kann die Erfindung als eine Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle verstanden werden, in der sich im Inneren der Reaktionsschicht in der Richtung der Dicke der Reaktionsschicht, deren Feuchtigkeitsrückhaltevermögen in der Dickenrichtung ungleich ist, eine hochgradig Wasser abweisende, katalysatorfreie Schicht befindet.
Die Erfindung Ist nicht auf die obige Beschreibung des Ausführungsbeispiels und der Beispiele der Erfindung beschränkt. Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung sind auch verschiedene Abwandlungen möglich, die nicht von der Beschreibung der Ansprüche abweichen und leicht vom Fachmann zu Stande gebracht werden können.
Bezugszeichenliste

1, 100, 200: Brennstoffzelle
2: Festelektrolytmembran
10: Wasserstoffelektrode
11: Reaktionsschicht
16: Diffusionsschicht
20: Luftelektrode
21: Reaktionsschicht
12, 22: erste Schicht
130, 230: Zwischenschicht
14, 24: zweite Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004-192950 [0007]
JP 2009-272052 [0007]
JP 9-245802 [0007]
JP 2007-26719 [0007]
JP 2007-123235 [0007]

Claims

Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle, die sich in der Brennstoffzelle zwischen einer Festelektrolytmembran und einer Diffusionsschicht befindet, wobei die Reaktionsschicht gekennzeichnet ist durch: eine erste Schicht, die sich mit der Festelektrolytmembran in Kontakt befindet; eine zweite Schicht, die sich mit der Diffusionsschicht in Kontakt befindet; und eine Zwischenschicht, die sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht befindet, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht einen Katalysator haben, der von einem elektrisch leitenden Träger getragen wird, und die Zwischenschicht keinen Katalysator hat.
Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, das höher als ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der zweiten Schicht ist.
Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, das kleiner als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der ersten Schicht und größer als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der zweiten Schicht ist.
Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine 3-1-Schicht, die sich mit der ersten Schicht in Kontakt befindet, eine 3-2-Schicht, die sich mit der zweiten Schicht in Kontakt befindet, und eine 3-3-Schicht aufweist, die zwischen der 3-1-Schicht und der 3-2-Schicht liegt; die 3-1-Schicht ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, das kleiner oder gleich dem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der ersten Schicht und größer als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der 3-2-Schicht ist; die 3-2-Schicht ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, das größer oder gleich dem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der zweiten Schicht ist; und die 3-3-Schicht ein Feuchtigkeitsrückhaltevermögen hat, das größer als das Feuchtigkeitsrückhaltevermögen der 3-1-Schicht und der 3-2-Schicht ist.
Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-1-Schicht mit Ausnahme dessen, dass die 3-1-Schicht keinen Katalysator hat, die gleichen Eigenschaften wie die erste Schicht hat und dass die 3-2-Schicht mit Ausnahme dessen, dass die 3-2-Schicht keinen Katalysator hat, die gleichen Eigenschaften wie die zweite Schicht hat.
Reaktionsschicht für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht verglichen mit der zweiten Schicht einen geringeren Porositätsanteil des Trägers, einen höheren Anteil eines Elektrolyten oder eine geringere Äquivalentmasse (ÄM) des Elektrolyten hat.