DE112012003942B4

DE112012003942B4 - Elektrolyt-Membran-Elektrodenstruktur mit Harz-/Kunstharzrahmen für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112012003942B4
Application number: DE112012003942.4T
Authority: DE
Inventors: Yukihito Tanaka; Kazuo Nunokawa; Hiroshi Sohma; Kenichi Tanaka; Naoki Mitsuta; Masashi Sugishita; Daisuke Okonogi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: US20140234749A1; WO2013042542A1; CN103828107B; JP5824522B2; DE112012003942T8; CN103828107A; JPWO2013042542A1; US9966623B2; DE112012003942T5

Abstract

Mit einem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung, umfassend:eine Membran-Elektroden-Anordnung (10a) mit einer ersten Elektrode (22), einer zweiten Elektrode (20) und einer Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18), die zwischen der ersten Elektrode (22) und der zweiten Elektrode (20) angeordnet ist, wobei jede von der ersten Elektrode (22) und der zweiten Elektrode (20) eine Elektroden-Katalysatorschicht (22a, 20a) und eine Gasdiffusionsschicht (22b, 20b) aufweist, wobei die zweite Elektrode (20) die gleiche Oberflächenabmessung hat wie die Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18), und die erste Elektrode (22) außen kleiner ist als die zweite Elektrode (20),ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement (24, 93), das um ein äußeres Ende der Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18) herum vorgesehen ist, undeine zusammenhängende Zwischenschicht (26, 94) aus Dichtungsmaterial in einer ersten Lücke (S1; 96a) zwischen einem äußeren Ende (22be) der ersten Elektrode (22) und einem diesem gegenüberliegenden inneren Ende (24a, 93a) des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements (24, 93), an einem äußeren Randabschnitt (18be) der Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18), der von dem äußeren Ende (22be) der ersten Elektrode (22) nach außen frei liegt, und in einer zweiten Lücke (S2; 96b) zwischen einem äußeren Ende (20be) der zweiten Elektrode (20) und einem diesem gegenüberliegenden inneren Ende (24b, 93b) des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements (24, 93) angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mit einem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung (Elektrolyt-Membran-Elektrodenstruktur mit Harz-/Kunstharzrahmen für Brennstoffzellen), umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung und ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode umfassen jeweils Elektroden-Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten. Die erste Elektrode weist eine äußere Größe auf, die kleiner ist als diejenige der zweiten Elektrode. Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement ist um ein äußeres Ende der Festpolymer-Elektrolyt-Membran herum vorgesehen.
Hintergrund
Im Allgemeinen verwendet eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran. Die Festpolymer-Elektrolyt-Membran ist eine Polymer-Ionenaustausch-Membran. Die Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), wobei eine Anode und eine Kathode auf beiden Seiten der Festpolymer-Elektrolyt-Membran vorgesehen sind. Jede von der Anode und der Kathode umfasst eine Katalysatorschicht (Elektroden-Katalysatorschicht) und eine Gasdiffusionsschicht (por4öser Kohlenstoff). In der Brennstoffzelle ist die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen Separatoren (bipolaren Platten) angeordnet. Eine vorbestimmte Anzahl der Brennstoffzellen sind aufeinander gestapelt, um einen Brennstoffzellen-Stapel zu bilden. Bei der Verwendung ist beispielsweise der Brennstoffzellen-Stapel in einem Fahrzeug als Fahrzeug-Brennstoffzellen-Stapel angebracht.
In einigen Fällen weist die Membran-Elektroden-Anordnung eine Struktur auf, in welcher Komponenten der MEA (gestufte MEA) unterschiedliche Größen haben, d.h., der Oberflächenbereich von einer der Gasdiffusionsschichten ist kleiner als der Oberflächenbereich der Festpolymer-Elektrolyt-Membran, und der Oberflächenbereich von der anderen der Gasdiffusionsschichten ist der gleiche wie der Oberflächenbereich von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran.
Normalerweise sind bei dem Brennstoffzellen-Stapel eine große Anzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen aufeinander gestapelt. Um die Kosten zu reduzieren, besteht ein Bedarf, die Membran-Elektroden-Anordnung mit niedrigen Kosten herzustellen. Daher wurden verschiedene Vorschläge gemacht, insbesondere zu dem Zweck, die Menge von teurem Material zu reduzieren, welches für die Festpolymer-Elektrolyt-Membran benutzt wird, und die Struktur der Festpolymer-Elektrolyt-Membran zu vereinfachen.
Wie beispielsweise in 18 gezeigt, umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, die in der JP 2007-066766 A offenbart ist, eine Elektrolyt-Membran 1, eine Kathoden-Katalysatorschicht 2a, die an einer Seite der Elektrolyt-Membran 1 vorgesehen ist, eine Anoden-Katalysatorschicht 2b, die an einer anderen Oberfläche der Elektrolyt-Membran 1 vorgesehen ist, und Gasdiffusionsschichten 3a, 3b, die an beiden Seiten der Elektrolyt-Membran 1 vorgesehen sind.
Der Oberflächenbereich der Gasdiffusionsschicht 3b der Anode ist gleich dem Oberflächenbereich der Elektrolyt-Membran 1 und größer als der Oberflächenbereich der Gasdiffusionsschicht 3a der Kathode. Ein Dichtungsstrukturkörper 4 ist in einem Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) vorgesehen, und das äußere Ende der Elektrolyt-Membran 1 benachbart zu der Gasdiffusionsschicht 3a ist mit dem Dichtungsstrukturkörper 4 durch eine Adhäsionsschicht 5 verbunden.
In der JP 2007-066766 A sind jedoch die MEA und der Dichtungsstrukturkörper 4 an dem äußeren Randabschnitt der Elektrolyt-Membran 1, der von der Gasdiffusionsschicht 3a nach außen frei liegt, nur durch die Adhäsionsschicht 5 fixiert. Daher ist die Verbindungsstärke zwischen der MEA und dem Dichtungsstrukturkörper 4 niedrig, und die gewünschte Stärke kann nicht erhalten werden.
Weiterhin ist es schwierig, die Membran-Elektroden-Anordnung so herzustellen, dass die äußeren Enden der Gasdiffusionsschichten 3a, 3b und das innere Ende von dem Dichtungsstrukturkörper 4 miteinander auf luftdichte Weise fest verbunden sind. Daher besteht die Tendenz, dass sich eine Lücke zwischen den äußeren Enden der Gasdiffusionsschichten 3a, 3b und dem inneren Ende von dem Dichtungsstrukturkörper 4 bildet. Die Dichtungsleistung zum Verhindern einer Gas-Leckage ist niedrig, und in nachteiliger Weise werden das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas vermischt.
Aus der DE 11 2007 000 860 T5 ist eine Membranelektrodenanordnung bekannt. Dort sind beide Elektroden gleich groß. Die Elektrolytmembran steht über die beiden Elektroden seitlich vor.
In der Membranelektrodenanordnung der DE 101 51 380 A1 ist die eine Elektrode größer als die andere Elektrode und gleich groß wie die Elektrolytmembran, wobei diese Elemente den Kunstharzrahmen direkt kontaktieren.
Weitere Membranelektrodenanordnungen sind in den Schriften EP 1 652 258 B1 und JP 2009-158 391 A beschrieben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mit einem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung bereitzustellen, in der ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement fest und auf einfache Weise um ein äußeres Ende von einer Festpolymer-Elektrolyt-Membran herum verbunden ist und eine gewünschte Dichtungsleistung zum Verhindern einer Gas-Leckage in zuverlässiger Weise erhalten bleibt.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine mit einem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 1 angegeben.
Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Jede von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode umfasst eine Elektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht. Die erste Elektrode hat einer äußere Größe, die kleiner ist, als diejenige der zweiten Elektrode. Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement ist um ein äußeres Ende der Festpolymer-Elektrolyt-Membran herum vorgesehen.
In der mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung ist eine Zwischenschicht zwischen einem äußeren Ende der ersten Elektrode und einem inneren Ende von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement, an einem äußeren Randabschnitt der Festpolymer-Elektrolyt-Membran, der von dem äußeren Ende der ersten Elektrode nach außen frei liegt, und zwischen einem äußeren Ende der zweiten Elektrode und einem inneren Ende von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement in einer zusammenhängenden Weise vorgesehen.
Weiterhin ist bei der mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung die Zwischenschicht bevorzugt aus einem Material gebildet, das sich von dem des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements unterscheidet.
Weiter ist bei der mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung bevorzugt ein äußerer Randabschnitt von wenigstens einer der Gasdiffusionsschichten mit der gleichen Materialzusammensetzung imprägniert wie diejenige von der Zwischenschicht, um eine Imprägnierungsschicht zu bilden.
Weiterhin ist bei der mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung die Gasdiffusionsschicht bevorzugt mit der Imprägnierungsschicht mit einer Poren-Füllrate von 85 % oder mehr imprägniert.
Weiterhin ist bei der mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung bevorzugt eine erste Lücke zwischen einem Ende der Zwischenschicht, dem äußeren Ende der ersten Elektrode und dem inneren Ende von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement ausgebildet, eine zweite Lücke zwischen einem anderen Ende der Zwischenschicht, dem äußeren Ende der zweiten Elektrode und dem inneren Ende des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements ausgebildet, ein erster, integral mit oder separat von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement vorgesehener Vorsprung ist bzw. wird geschmolzen, um einen ersten Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt in der ersten Lücke zu bilden, und ein zweiter, integral mit oder separat von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement vorgesehener Vorsprung ist bzw. wird geschmolzen, um einen zweiten Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt in der zweiten Lücke zu bilden.
In der vorliegenden Erfindung ist die Zwischenschicht an dem äußeren Randabschnitt der Festpolymer-Elektrolyt-Membran vorgesehen, der von dem äußeren Ende der ersten Elektrode nach außen frei liegt. Zusätzlich ist die Zwischenschicht zwischen dem äußeren Ende der ersten Elektrode und dem inneren Ende von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement vorgesehen, und zwischen dem äußeren Ende der zweiten Elektrode und dem inneren Ende von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement, auf eine zusammenhängende Weise.
Im Vergleich zu dem Fall, in welchem das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement durch Adhäsion mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verbunden wird, ist bei der Struktur die Verbindungsstärke zum Verbinden des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements an der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode auf geeignete Weise verbessert, und es ist möglich, das Auftreten eines Abschälens oder dergleichen so weit wie möglich zu unterdrücken. Weiterhin ist keine Lücke zwischen dem äußeren Ende der ersten Elektrode und dem inneren Ende von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement ausgebildet, und keine Lücke ist zwischen dem äußeren Ende der zweiten Elektrode und dem inneren Ende des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements ausgebildet. Daher wird es möglich, die gewünschte Dichtungsleistung aufrechtzuerhalten, um die Gas-Leckage zu verhindern. Mit der einfachen und ökonomischen Struktur kann eine Mischung des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases so weit wie möglich unterdrückt werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche Hauptkomponenten von einer Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle zeigt, einschließlich einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittansicht, welche die Brennstoffzelle zeigt, genommen entlang einer Linie II-II in 1.
3 ist eine Vorderansicht, die eine Kathode der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
4 ist eine Vorderansicht, die eine Anode der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
5 ist eine Ansicht, die ein Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
6 ist eine Ansicht, welche das Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
7 ist eine Ansicht, welche das Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Poren-Füllrate und der Gas-Strömungsrate zeigt.
9 ist eine Ansicht, die ein anderes Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
10 ist eine Ansicht, die ein anderes Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
11 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche Hauptkomponenten einer Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist eine Querschnittansicht, die eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist eine Querschnittansicht, die eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle zeigt, einschließlich von einer mit einem Harz-/ Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Querschnittansicht, welche eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle zeigt, einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine Ansicht, die ein Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
16 ist eine Ansicht, welche das Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt.
17 ist eine Ansicht, welche das Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung zeigt, und
18 ist eine Ansicht, welche eine Membran-Elektroden-Anordnung zeigt, die in der japanischen Schrift JP 2007-066 766 A offenbart ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 12 einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet, indem die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 10 zwischen einem ersten Separator 14 und einem zweiten Separator 16 aufgenommen wird. Beispielsweise sind der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 aus Metallplatten, beispielsweise Stahlplatten, Platten aus rostfreiem Stahl, Aluminiumplatten, plattierten Stahlblechen oder Metallplatten mit Anti-Rost-Flächen durch Oberflächenbehandlung ausgeführt.
Alternativ können Kohlenstoff-Elemente als der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 verwendet werden.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 10 eine Membran-Elektroden-Anordnung 10a, und die Membran-Elektroden-Anordnung 10a umfasst eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18, und eine Anode (zweite Elektrode) 20 und eine Kathode (erste Elektrode) 22, welche die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 zwischen sich aufnehmen. Die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 wird beispielsweise dadurch gebildet, dass eine dünne Membran einer Perfluorsulfon-Säure mit Wasser imprägniert wird. Ein Elektrolyt auf Fluor-Basis kann als die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 verwendet werden. Alternativ kann ein Elektrolyt auf KW (Kohlenwasserstoff) Basis als die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 eingesetzt werden.
Der Oberflächenbereich der Kathode 22 ist kleiner als die Oberflächenbereiche der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 und der Anode 20. Alternativ kann der Oberflächenbereich der Kathode 22 größer sein als der Oberflächenbereich der Anode 20. Solange der äußere Randabschnitt der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 über das äußere Ende der kleineren Elektrode hinaus vorsteht, also das äußere Ende der Kathode 22, kann der äußere Randabschnitt von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 nicht zu dem Ende der äußeren Elektrode ausgerichtet sein, also dem Ende der Anode 20.
Die Anode 20 ist an einer Oberfläche 18a von der Festpolymer-Elektrolyt- Membran 18 vorgesehen, und die Kathode 22 ist an einer anderen Oberfläche 18b der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 so vorgesehen, dass ein Rahmen-förmiges äußeres Ende 18be der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 frei liegt.
Die Anode 20 umfasst eine Elektroden-Katalysatorschicht 20a, die mit der Oberfläche 18a von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 und einer auf die Elektroden-Katalysatorschicht 20a gestapelten Gasdiffusionsschicht 20b verbunden ist. Die Kathode 22 umfasst eine Elektroden-Katalysatorschicht 22a, die mit der Oberfläche 18b der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 und einer Gasdiffusionsschicht 22b verbunden ist, welche auf die Elektroden-Katalysatorschicht 22a gestapelt ist.
Jede der Elektroden-Katalysatorschichten 20a, 22a ist durch Ruß tragende Platin-Teilchen als Katalysator-Teilchen gebildet. Als Ionen-leitender Binder wird ein Polymer-Elektrolyt verwendet. Eine Katalysator-Paste, die gebildet wird, indem die Katalysator-Teilchen gleichmäßig in der Lösung von diesem Polymer-Elektrolyten gemischt werden, wird auf beide Oberflächen der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 gedruckt, aufgetragen (beschichtet) oder übertragen, um die Elektroden-Katalysatorschichten 20a, 22a zu bilden. Die Gasdiffusionsschichten 20b, 22b sind aus Kohlepapier oder dergleichen hergestellt, und die Oberflächengröße der Gasdiffusionsschicht 20b ist größer als die Oberflächengröße der Gasdiffusionsschicht 22b.
Wie in 2 bis 4 gezeigt, umfasst die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 10 ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24, welches um das äußere Ende der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 herum vorgesehen und mit der Kathode 22 und der Anode 20 verbunden ist. Beispielsweise ist das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 aus PPS (Polyphenylensulfid), PPA (Polyphthalamid) usw. hergestellt. Alternativ kann das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 aus einem Polymermaterial ausgebildet sein, welches eine Elastizität aufweist.
Eine gestufte Öffnung ist innerhalb von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 ausgebildet und umfasst ein erstes inneres Ende 24a, das auf der inneren Seite angeordnet ist, und ein zweites inneres Ende 24b, das außerhalb von dem ersten inneren Ende 24a angeordnet ist. Eine Zwischenschicht 26 ist zwischen dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10a vorgesehen.
Die Zwischenschicht 26 umfasst einen ersten Plattenabschnitt 26a, einen zweiten Plattenabschnitt 26b, und einen dritten Plattenabschnitt 26c, die miteinander zusammenhängen. Der erste Plattenabschnitt 26a ist zwischen einem äußeren Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 und dem ersten inneren Ende 24a von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 vorgesehen. Der zweite Plattenabschnitt 26b ist an dem äußeren Ende 18be von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 vorgesehen, das von dem äußeren Ende 22be nach außen frei liegt. Der dritte Plattenabschnitt 26c ist zwischen einem äußeren Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 und dem zweiten inneren Ende 24b von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 vorgesehen.
Die Zwischenschicht 26 weist im Querschnitt im Wesentlichen eine Z-Form auf und ist aus einem Material hergestellt, das sich von demjenigen des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements 24 unterscheidet. Insbesondere können ein Gummi auf Silikon-Basis (Elastomer) ein Fluor-Gummi (Elastomer), ein Harz/Kunstharz auf Epoxid-Basis (Elastomer), ein Harz auf Urethan-Basis (Elastomer), ein modifiziertes PET (Polyethylenterephtalat) Harz/Kunstharz (Elastomer), ein PVDF (Polyvinylidenfluorid) Harz/Kunstharz (Elastomer), ein Harz/Kunstharz auf Olefin-Basis (Elastomer) oder ein Heißschmelzmaterial für die Zwischenschicht 26 verwendet werden.
Ein äußerer Randabschnitt der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 ist mit der gleichen Materialzusammensetzung imprägniert wie diejenige von der Zwischenschicht 26, um eine erste Imprägnierungsschicht 28a zu bilden. Die erste Imprägnierungsschicht 28a weist einen vorbestimmten Bereich innerhalb von der äußeren Endposition auf. Ein äußerer Randabschnitt der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 ist mit der gleichen MaterialZusammensetzung imprägniert wie diejenige von der Zwischenschicht 26, um eine zweite Imprägnierungsschicht 28b zu bilden. Die zweite Imprägnierungsschicht 28b weist einen vorbestimmten Bereich innerhalb von der äußeren Endposition auf. Die Gasdiffusionsschicht 22b und die Gasdiffusionsschicht 20b sind mit der ersten Imprägnierungsschicht 28a und der zweiten Imprägnierungsschicht 28b jeweils mit einer Poren-Füllrate von 85 % oder mehr imprägniert.
Wie in 3 gezeigt, ist die erste Imprägnierungsschicht 28a über den gesamten Umfang der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 ausgebildet. Wie in 4 gezeigt, ist die zweite Imprägnierungsschicht 28b über den gesamten Umfang der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 ausgebildet.
Wie in 1 gezeigt, sind an einem Randabschnitt an einem Ende der Brennstoffzelle 12 in einer Richtung, die durch einen Pfeil B angegeben wird (horizontale Richtung in 1) ein sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 30a zum Zuführen sauerstoffhaltigen Gases, ein Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a zum Zuführen eines Kühlmittels und ein Brenngas-Ausgabedurchgang 34b zum Ausgeben eines Brenngases wie beispielsweise eines wasserstoffhaltigen Gases in einer vertikalen Richtung angeordnet, die durch einen Pfeil C angegeben ist. Der sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 30a, der Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a, und der Brenngas-Ausgabedurchgang 34b erstrecken sich durch die Brennstoffzelle 12 in einer durch einen Pfeil A angegebenen Stapelrichtung.
An dem Randabschnitt am anderen Ende der Brennstoffzelle 12 in der Richtung, die durch den Pfeil B angegeben wird, sind ein Brenngas-Zufuhrdurchgang 34a zum Zuführen des Brenngases, ein Kühlmittel-Ausgabedurchgang 32b zum Ausgeben des Kühlmittels und ein sauerstoffhaltiges-Gas-Ausgabedurchgang 30b zum Ausgeben des sauerstoffhaltigen Gases in der Richtung angeordnet, die durch den Pfeil C angegeben ist. Der Brenngas-Zufuhrdurchgang 34a, der Kühlmittel-Ausgabedurchgang 32b und der sauerstoffhaltiges-Gas-Ausgabedurchgang 30b erstrecken sich durch die Brennstoffzelle 12 in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung.
Der zweite Separator 16 weist ein sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 36 auf dessen Oberfläche 16a auf, welche zu der mit dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 10 hin weist. Das sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 36 ist mit dem sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 30a und dem sauerstoffhaltiges-Gas-Ausgabedurchgang 30b verbunden.
Der erste Separator 14 weist ein Brenngas-Strömungsfeld 38 auf dessen Oberfläche 14a auf, welche zu der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 10 hin weist.
Das Brenngas-Strömungsfeld 38 ist mit dem Brenngas-Zufuhrdurchgang 34a und dem Brenngas-Ausgabedurchgang 34b verbunden. Ein Kühlmittel-Strömungsfeld 40 ist zwischen einer Oberfläche 14b des ersten Separators 14 und einer Oberfläche 16b des zweiten Separators 16 ausgebildet. Das Kühlmittel-Strömungsfeld 40 ist mit dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a und dem Kühlmittel-Ausgabedurchgang 32b verbunden.
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist ein erstes Dichtungselement 42 integral mit den Oberflächen 14a, 14b von dem ersten Separator 14 um das äußere Ende von dem ersten Separator 14 herum ausgebildet. Ein zweites Dichtungselement 44 ist integral mit den Oberflächen 16a, 16b des zweiten Separators 16 um das äußere Ende von dem zweiten Separator 16 herum ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt, umfasst das erste Dichtungselement 42 eine erste Rippendichtung 42a, welche in Kontakt mit dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 von der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 10 steht, und eine zweite Rippendichtung 42b, welche in Kontakt mit dem zweiten Dichtungselement 44 von dem zweiten Separator 16 steht. Das zweite Dichtungselement 44 ist eine flache Oberflächendichtung. Anstelle die zweite Rippendichtung 42b vorzusehen, kann das zweite Dichtungselement 44 eine (nicht gezeigte) Rippendichtung aufweisen.
Jedes von dem ersten Dichtungselement 42 und dem zweiten Dichtungselement 44 ist aus einem elastischen Dichtungselement hergestellt, zum Beispiel einem Dichtungsmaterial, einem Dämpfungsmaterial oder einem Packmaterial wie einem EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) Gummi, einem NBR (Nitril-Butadien-Gummi), einem Fluor-Gummi, einem Silikon-Gummi, einem Fluorsilikon-Gummi, einem Butyl-Gummi, einem natürlichen Gummi, einem Styren-Gummi, einem Chloropren-Gummi oder einem Acryl-Gummi.
Wie in 1 gezeigt, weist der erste Separator 14 Zufuhrlöcher 46 auf, welche den Brenngas-Zufuhrdurchgang 34a mit dem Brenngas-Strömungsfeld 38 verbinden, und Ausgabelöcher 48, welche das Brenngas-Strömungsfeld 38 mit dem Brenngas-Ausgabedurchgang 34b verbinden.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 10 unten beschrieben.
Zunächst, wie in 5 gezeigt, wird die Membran-Elektroden-Anordnung 10a als eine MEA mit unterschiedlich großen Komponenten hergestellt. Genauer werden die Elektroden-Katalysatorschichten 20a, 22a auf beide Oberflächen 18a, 18b von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 geschichtet. Dann wird die Gasdiffusionsschicht 20b auf einer Seite von einer Oberfläche 18a der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 platziert, also wird die Gasdiffusionsschicht 20b auf der Elektroden-Katalysatorschicht 20a platziert.
Die Gasdiffusionsschicht 22b wird auf eine Oberfläche 18b der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 platziert, also wird die Gasdiffusionsschicht 22b auf die Elektroden-Katalysatorschicht 22a platziert. Diese Komponenten werden aufeinander gestapelt und einem Heißpress-Verfahren unterzogen, um die Membran-Elektroden-Anordnung 10a zu bilden.
Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 wird zuvor durch eine nicht gezeigte Spritzguss-Maschine gebildet. Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 wird zu der Membran-Elektroden-Anordnung 10a ausgerichtet. Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 umfasst das erste innere Ende 24a und das zweite innere Ende 24b. In der Membran-Elektroden-Anordnung 10a liegt das Rahmen-förmige äußere Ende 18be von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 frei, und der zweite Plattenabschnitt 26b der Zwischenschicht 26 ist in Entsprechung mit dem äußeren Ende 18be vorgesehen.
Dann, wie in 6 gezeigt, wird die Kathode 22 der Membran-Elektroden-Anordnung 10a an dem ersten inneren Ende 24a von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 positioniert, und die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 und die Anode 20 werden an einem zweiten inneren Ende 24b positioniert. Auf diese Weise werden das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 und die Membran-Elektroden-Anordnung 10a miteinander durch den zweiten Plattenabschnitt 26b verbunden. Weiterhin ist eine Lücke S1 zwischen dem ersten inneren Ende 24a und dem äußeren Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 ausgebildet, und eine Lücke S2 ist zwischen dem zweiten inneren Ende 24b und dem äußeren Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 ausgebildet.
Dann, wie in 7 gezeigt, wird ein Material der Zwischenschicht 26, welches das gleiche ist wie der zweite Plattenabschnitt 26b, in jede der Lücken S1, S2 eingespritzt. Daher wird das in die Lücken S1, S2 gefüllte Material ausgehärtet, um den ersten Plattenabschnitt 26a und den dritten Plattenabschnitt 26c zu bilden, und diese Komponenten werden mit dem zweiten Plattenabschnitt 26b verbunden, um die Zwischenschicht 26 zu bilden. Solange wie der erste Plattenabschnitt 26a, der zweite Plattenabschnitt 26b und der dritten Plattenabschnitt 26c in geeigneter Weise miteinander verbunden werden können, können der erste Plattenabschnitt 26a, der zweite Plattenabschnitt 26b und der dritte Plattenabschnitt 26c unterschiedliche Material-Zusammensetzungen aufweisen.
Die Gasdiffusionsschichten 22b, 20b werden mit dem eingespritzten Material imprägniert. Daher ist die erste Imprägnierungsschicht 28a an dem äußeren Randabschnitt der Gasdiffusionsschicht 22b vorgesehen, in einem vorbestimmten Bereich innerhalb von der äußeren Endposition. Die zweite Imprägnierungsschicht 28b ist an dem äußeren Randabschnitt von der Gasdiffusionsschicht 20b in einem vorbestimmten Bereich innerhalb von der äußeren Endposition vorgesehen.
Zu dieser Zeit werden die Gasdiffusionsschicht 22b und die Gasdiffusionsschicht 20b mit der ersten Imprägnierungsschicht 28a und der zweiten Imprägnierungsschicht 28b jeweils mit der Poren-Füllrate von 85 % oder mehr imprägniert.
Als Ergebnis einer Auswertung, beispielsweise durch ein Permporometer wurde bewiesen, dass die Poren-Füllrate und die Gas-Strömungsrate einer Gasdiffusionsschicht eine Beziehung haben, die in 8 gezeigt ist. Wie auf 8 ersichtlich ist, kann bei der Poren-Füllrate von 85 % oder mehr die Gas-Leckage auf zuverlässiger Weise verhindert werden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Zwischenschicht 26 zwischen dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10a vorgesehen. Die Zwischenschicht 26 umfasst den ersten Plattenabschnitt 26a, den zweiten Plattenabschnitt 26b und den dritten Plattenabschnitt 26c, die miteinander zusammenhängen. Der erste Plattenabschnitt 26a ist zwischen dem äußeren Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 und dem ersten inneren Ende 24a von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 ohne jede Lücke vorgesehen. Der zweite Plattenabschnitt 26b ist an dem äußeren Ende 18be von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 vorgesehen, welches von dem äußeren Ende 22be nach außen frei liegt. Der dritte Plattenabschnitt 26c ist zwischen dem äußeren Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 und dem zweiten inneren Ende 24b von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 ohne jede Lücke vorgesehen.
Weiterhin sind die erste Imprägnierungsschicht 28a und die zweite Imprägnierungsschicht 28b an der Gasdiffusionsschicht 22b und der Gasdiffusionsschicht 20b vorgesehen. Es sollte festgehalten werden, dass nur die erste Imprägnierungsschicht 28a oder die zweite Imprägnierungsschicht 28b vorgesehen werden können.
Daher wird im Vergleich zu dem Fall, in welchem das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 mit der Kathode 22 und der Anode 20 durch Adhäsion verbunden ist, die Verbindungsstärke zum Verbinden des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements 24 mit der Kathode 22 und der Anode 20 in geeigneter Weise verbessert, und es ist möglich, ein Auftreten eines Abschälens oder dergleichen so weit wie möglich zu unterdrücken.
Weiterhin ist keine Lücke zwischen dem ersten inneren Ende 24a und dem äußeren Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 ausgebildet, und keine Lücke ist zwischen dem zweiten inneren Ende 24b und dem äußeren Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 ausgebildet. Daher wird es möglich, die gewünschte Dichtungsleistung aufrechtzuerhalten, um die Gas-Leckage zu verhindern. Mit der einfachen und ökonomischen Struktur kann auf vorteilhafte Weise eine Mischung des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases so weit wie möglich unterdrückt werden.
Ein Betrieb der Brennstoffzelle 12 mit der obigen Struktur wird beschrieben.
Zunächst, wie in 1 gezeigt, wird ein sauerstoffhaltiges Gas dem sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 30a zugeführt, und ein Brenngas, beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, wird dem Brenngas-Zufuhrdurchgang 34a zugeführt. Weiterhin wird ein Kühlmittel wie beispielsweise reines Wasser, Ethylenglykol oder Öl dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a zugeführt.
Auf diese Weise strömt das sauerstoffhaltige Gas von dem sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 30a zu dem sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsfeld 36 von dem zweiten Separator 16. Das sauerstoffhaltige Gas bewegt sich in der Richtung, die durch den Pfeil B angegeben wird, und das sauerstoffhaltige Gas wird der Kathode 22 der Membran-Elektroden-Anordnung 10a zugeführt. Währenddessen strömt das Brenngas von dem Brenngas-Zufuhrdurchgang 34a durch die Zufuhrlöcher 46 in das Brenngas-Strömungsfeld 38 von dem ersten Separator 14. Das Brenngas strömt entlang von dem Brenngas-Strömungsfeld 38 in die Richtung, welche durch den Pfeil B angegeben ist, und das Brenngas wird der Anode 20 der Membran-Elektroden-Anordnung 10a zugeführt.
Daher werden in jeder der Membran-Elektroden-Anordnungen 10a das der Kathode 22 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 20 zugeführte Brenngas in den elektrochemischen Reaktionen in den Elektroden-Katalysatorschichten teilweise verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Dann strömt das teilweise an der Kathode 22 verbrauchte sauerstoffhaltige Gas entlang dem sauerstoffhaltiges-Gas-Ausgabedurchgang 30b, und das sauerstoffhaltige Gas wird in die durch den Pfeil A angegebene Richtung ausgegeben. Ähnlich strömt das teilweise an der Anode 20 verbrauchte Brenngas durch die Ausgabelöcher 48. Dann strömt das Brenngas entlang dem Brenngas-Ausgabedurchgang 34b, und das Brenngas wird in die durch den Pfeil A angegebene Richtung ausgegeben.
Weiterhin strömt das dem Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a zugeführte Kühlmittel in das Kühlmittel-Strömungsfeld 40 zwischen den ersten Separator 14 und den zweiten Separator 16. Dann strömt das Kühlmittel in die durch den Pfeil B angegebene Richtung. Nachdem das Kühlmittel die Membran-Elektroden-Anordnung 10a kühlt, wird das Kühlmittel in den Kühlmittel-Ausgabedurchgang 32b ausgegeben.
Danach wird ein anderes Herstellungsverfahren für die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 10 unten beschrieben.
Zunächst, wie in 9 gezeigt, wird die Membran-Elektroden-Anordnung 10a auf die gleiche Weise hergestellt, wie oben beschrieben. Danach wird eine Flüssigkeitsdichtung LS, die aus dem gleichen Material hergestellt ist wie die Zwischenschicht 26, integral mit dem äußeren Ende der Membran-Elektroden-Anordnung 10a ausgebildet. Die Flüssigkeitsdichtung LS deckt das äußere Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22, das äußere Ende 18be der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 und das äußere Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 ab. Die erste Imprägnierungsschicht 28a und die zweite Imprägnierungsschicht 28b werden miteinander durch die Flüssigkeitsdichtung LS verbunden.
Nachdem die Flüssigkeitsdichtung LS halb ausgehärtet ist, wie in 10 gezeigt, werden das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 und die Membran-Elektroden-Anordnung 10a miteinander verbunden. Daher fließt die halb ausgehärtete Flüssigkeitsdichtung LS in die zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 10a und dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 ausgebildeten Lücken S1, S2 und wird dort ausgehärtet. Daher wird durch Entfernen von (nicht gezeigten) Graten, die außerhalb von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 24 vorliegen, die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 10 erhalten.
11 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die Hauptkomponenten einer Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 62 zeigen, einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 60 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Bauteile, die identisch zu denen der Brennstoffzelle 12 einschließlich von der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und Beschreibungen davon werden weggelassen. Ähnlich werden auch in den dritten und nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die später beschrieben werden, die Bauteile, die identisch zu denen der Brennstoffzelle 12 einschließlich der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und Beschreibungen davon werden weggelassen.
Die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 60 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 10a und ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 64. Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 64 ist um das äußere Ende der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 herum vorgesehen und mit der Kathode 22 und der Anode 20 verbunden. Die äußere Größe von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 64 ist die gleiche wie die äußeren Größen von dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16. Der sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrdurchgang 30a, der Kühlmittel-Zufuhrdurchgang 32a, der Brenngas-Ausgabedurchgang 34b, der Brenngas-Zufuhrdurchgang 34a, der Kühlmittel-Ausgabedurchgang 32b, und der sauerstoffhaltiges-Gas-Ausgabedurchgang 30b werden in dem äußeren Randabschnitt von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 64 ausgebildet.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel mit der obigen Struktur ist die Zwischenschicht 26 zwischen dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 64 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10a vorgesehen, und die erste Imprägnierungsschicht 28a und die zweite Imprägnierungsschicht 28b sind jeweils für die Gasdiffusionsschicht 22b und die Gasdiffusionsschicht 20b vorgesehen.
Im Vergleich zu dem Fall, in dem das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 64 durch Adhäsion mit der Kathode 22 und der Anode 20 verbunden ist, wird daher die Verbindungsstärke zum Verbinden des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements 64 mit der Kathode 22 und der Anode 20 geeignet verbessert, und es ist möglich, das Auftreten von Abschälen oder dergleichen so weit wie möglich zu unterdrücken. Weiter werden die gleichen Vorteile erhalten, wie in dem Fall von dem ersten Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann mit der einfachen und ökonomischen Struktur eine Mischung von dem Brenngas und dem sauerstoffhaltigen Gas so weit wie möglich unterdrückt werden.
12 ist eine Querschnittansicht, die eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 72 zeigt, einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 70 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 70, die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattet ist, umfasst einen Membran-Elektroden-Anordnung 10a und ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 74. Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 74 ist um das äußere Ende von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 herum angeordnet und mit der Kathode 22 und der Anode 20 verbunden. Die äußere Größe von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 74 ist die gleiche wie die äußeren Größen von dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16. Ein Dichtungselement 76a ist zwischen dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 74 und dem ersten Separator 14 vorgesehen, und ein Dichtungselement 76b ist zwischen dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 74 und dem zweiten Separator 16 vorgesehen.
13 ist eine Querschnittansicht, die eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 82 zeigt, einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 80 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 80 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 10a und ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 84. Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 84 ist um das äußere Ende von der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 herum vorgesehen und ist mit der Kathode 22 und der Anode 20 verbunden. Die äußere Größe von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 84 ist größer als die äußeren Größen von dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16. Ein Dichtungselement 86a ist zwischen dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 84 und dem ersten Separator 14 vorgesehen, und ein Dichtungselement 86b ist zwischen dem benachbarten Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 84 außerhalb von dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16 vorgesehen.
In dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel mit der obigen Struktur werden die gleichen Vorteile erhalten wie in dem Fall von dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.
14 ist eine Querschnittansicht, die eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 92 zeigt, einschließlich von einer mit einem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 90 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Eine Zwischenschicht 94 ist zwischen einem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10a von der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 90 vorgesehen. Die Zwischenschicht 94 ist aus dem gleichen Material hergestellt wie die Zwischenschicht 26 und weist im Querschnitt eine Z-Form auf. Eine erste Lücke 96a ist zwischen einem Ende der Zwischenschicht 94 und dem äußeren Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 und einem ersten inneren Ende 93a von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 vorgesehen.
Eine zweite Lücke 96b ist zwischen dem anderen Ende der Zwischenschicht 94, dem äußeren Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 und einem zweiten inneren Ende 93b von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 ausgebildet.
Wie später beschrieben, wird ein erster Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt 100a in der ersten Lücke 96a ausgebildet, indem ein erster Vorsprung 98a, der integral mit oder separat von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 vorgesehen ist, geschmolzen wird. Wie später beschrieben, wird ein zweiter Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt 100b in der zweiten Lücke 96b ausgebildet, indem ein zweiter Vorsprung 98b geschmolzen wird, der integral mit oder separat von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 ausgebildet ist.
Der erste Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt 100a überlappt teilweise mit einem Ende der Zwischenschicht 94 durch Imprägnierung innerhalb von der Gasdiffusionsschicht 22b. Der zweite Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt 100b überlappt teilweise mit dem anderen Ende der Zwischenschicht 94 durch Imprägnierung innerhalb der Gasdiffusionsschicht 20b. Adhäsionsschichten 102a, 102b sind an den Gasdiffusionsschichten 22b, 20b vorgesehen. Die Gasdiffusionsschichten 22b, 20b sind teilweise mit der Zwischenschicht 94 imprägniert, um die Adhäsionsschichten 102a, 102b zu bilden.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 90 unten beschrieben.
Zunächst, wie in 15 gezeigt, wird das erste Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 durch eine (nicht gezeigte) Spritzguss-Maschine zuvor gebildet. Der Rahmen-förmige erste Vorsprung 98a wird integral mit einer Außenfläche von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 (äußeren Fläche benachbart zu dem ersten inneren Ende 93a) um das erste innere Ende 93a herum gebildet. Der Rahmen-förmige zweite Vorsprung 98b wird integral mit der anderen Außenfläche von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 (äußeren Fläche benachbart zu dem zweiten inneren Ende 93b) um das zweite innere Ende 93b herum gebildet. Alternativ können der erste Vorsprung 98a und der zweite Vorsprung 98b als Rahmen-Elemente separat von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 vorgesehen sein und mit dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 überlappen.
Das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 ist bezüglich der Membran-Elektroden-Anordnung 10a ausgerichtet, und ein Plattenelement 94a der Zwischenschicht 94 ist entsprechend dem äußeren Ende 18be der Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 vorgesehen.
Dann, wie in 16 gezeigt, werden das Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 und die Membran-Elektroden-Anordnung 10a miteinander durch das Plattenelement 94a verbunden, so dass die Kathode 22 an dem ersten inneren Ende 93a vorgesehen ist, und die Festpolymer-Elektrolyt-Membran 18 und die Anode 20 an dem zweiten inneren Ende 93b vorgesehen sind.
Zu dieser Zeit ist das Plattenelement 94a zwischen dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10a aufgenommen. Daher tritt das Plattenelement 94a zwischen das erste innere Ende 93a und das äußere Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22, und zwischen das zweite innere Ende 93b und das äußere Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20. Im Ergebnis wird die Zwischenschicht 94 erhalten, die im Querschnitt im Wesentlichen in Z-Form ausgebildet ist.
Die erste Lücke 96a wird zwischen einem Ende der Zwischenschicht 94, dem äußeren Ende 22be der Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 und dem ersten inneren Ende 93a von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 ausgebildet. Weiterhin ist die zweite Lücke 96b zwischen dem anderen Ende der Zwischenschicht 94, dem äußeren Ende 20be der Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 und den zweiten inneren Ende 93b von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 ausgebildet.
Dann, wie in 17 gezeigt, werden der erste Vorsprung 98a und der zweite Vorsprung 98b von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement 93 erhitzt. Als Heizverfahren wird ein Verfahren aus Laser-Schweißen, Infrarot-Schweißen und Impuls-Schweißen usw. verwendet.
Daher wird die erste Vorsprung 98a durch Erwärmung geschmolzen, um die erste Lücke 96 abzudecken. Die Gasdiffusionsschicht 22b der Kathode 22 wird mit dem ersten Vorsprung 98a imprägniert. Der zweite Abschnitt 98b wird durch Erwärmung geschmolzen, um die zweite Lücke 96b abzudecken. Die Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 wird mit dem zweiten Vorsprung 98b imprägniert. Auf diese Weise, wird die mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung 90 hergestellt.
In der mit dem Harz-/Kunstharzrahmen ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 90 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, die hergestellt wird, wie oben beschrieben, werden die gleichen Vorteile erhalten wie in den Fällen von dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel.

Claims

Mit einem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung, umfassend: eine Membran-Elektroden-Anordnung (10a) mit einer ersten Elektrode (22), einer zweiten Elektrode (20) und einer Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18), die zwischen der ersten Elektrode (22) und der zweiten Elektrode (20) angeordnet ist, wobei jede von der ersten Elektrode (22) und der zweiten Elektrode (20) eine Elektroden-Katalysatorschicht (22a, 20a) und eine Gasdiffusionsschicht (22b, 20b) aufweist, wobei die zweite Elektrode (20) die gleiche Oberflächenabmessung hat wie die Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18), und die erste Elektrode (22) außen kleiner ist als die zweite Elektrode (20), ein Harz-/Kunstharz-Rahmenelement (24, 93), das um ein äußeres Ende der Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18) herum vorgesehen ist, und eine zusammenhängende Zwischenschicht (26, 94) aus Dichtungsmaterial in einer ersten Lücke (S1; 96a) zwischen einem äußeren Ende (22be) der ersten Elektrode (22) und einem diesem gegenüberliegenden inneren Ende (24a, 93a) des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements (24, 93), an einem äußeren Randabschnitt (18be) der Festpolymer-Elektrolyt-Membran (18), der von dem äußeren Ende (22be) der ersten Elektrode (22) nach außen frei liegt, und in einer zweiten Lücke (S2; 96b) zwischen einem äußeren Ende (20be) der zweiten Elektrode (20) und einem diesem gegenüberliegenden inneren Ende (24b, 93b) des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements (24, 93) angeordnet ist.
Mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht (26, 94) aus einem Material hergestellt ist, das sich von dem des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements (24, 93) unterscheidet.
Mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Randabschnitt an einem äußeren Ende von wenigstens einer der Gasdiffusionsschichten (22b) mit der gleichen Materialzusammensetzung imprägniert ist wie diejenige von der Zwischenschicht (26), um eine Imprägnierungsschicht (28a) zu bilden.
Mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Gasdiffusionsschicht (22b) mit der Imprägnierungsschicht (28a) mit einer Poren-Füllrate von 85 % oder mehr imprägniert ist.
Mit dem Brennstoffzellen-Harz-/Kunstharzrahmen ausgestattete Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Lücke (96a) zwischen einem Ende der Zwischenschicht (94), dem äußeren Ende (22be) der ersten Elektrode (22) und dem inneren Ende (93a) des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements (93) ausgebildet ist, die zweite Lücke (96b) zwischen einem anderen Ende der Zwischenschicht (94), dem äußeren Ende (20be) der zweiten Elektrode (20) und dem inneren Ende (93b) des Harz-/Kunstharz-Rahmenelements (93) ausgebildet ist, ein integral mit oder separat von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement (93) vorgesehener erster Vorsprung (98a) geschmolzen ist/wird, um einen ersten Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt (100a) in der ersten Lücke (96a) zu bilden, und ein integral mit oder separat von dem Harz-/Kunstharz-Rahmenelement (93) vorgesehener zweiter Vorsprung (98b) geschmolzen ist/wird, um einen zweiten Harz-/Kunstharz-Imprägnierungsabschnitt (100b) in der zweiten Lücke (96b) zu bilden.