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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
und auf ein Herstellungsverfahren, und bezieht sich im Spezielleren
auf eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die eine Zwischenschicht
enthält,
die es ermöglicht,
dass der elektrische Zellenwirkungsgrad erhöht werden kann, und es auch ermöglicht,
dass die Bindefähigkeit
zwischen Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten verbessert werden
kann, indem ermöglicht
wird, dass den Katalysatorschichten wirksam und durchgehend Gas
zugeführt werden
kann, und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zelle.
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In
den letzten Jahren wurde der Ruf nach sauberen Stromerzeugungssystemen
aufgrund des zunehmenden Bewusstwerdens von Umweltproblemen laut,
und Brennstoffzellen zogen als ein solches System die Aufmerksamkeit
auf sich. Diese Brennstoffzellen lassen sich je nach Art des verwendeten
Elektrolyts in Phosphorsäure-,
Schmelzcarbonat-, Festelektrolyt-, Polymerelektrolytbrennstoffzellen,
usw. einteilen, und von diesen wird die sich auf Polymerelektrolytbrennstoffzellen
beziehende Forschung und Entwicklung aktiv gefördert, da diese insofern überlegen
sind, als sie niedrige Stromerzeugungstemperaturen haben und kompakt
sind.
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Polymerelektrolytbrennstoffzellen
dieser Art weisen auf: eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran;
eine Anodenkatalysatorschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht,
die auf beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran angeordnet sind;
und eine erste und zweite Gasdiffusionsschicht, die außerhalb
der jeweiligen Katalysatorschichten vorgesehen sind und Gas aus
einem ersten und zweiten Gaszufuhrkanal zu den Katalysatorschichten
diffundieren. Oftmals sind Zwischenschichten zwischen den Katalysatorschichten
und den Gasdiffusionsschichten vorgesehen. Zusätzlich sind eine erste und
zweite Separatorplatte, in die gaszuführende Gaskanäle eingearbeitet
sind, außerhalb
der Gasdiffusionsschichten vorgesehen.
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Diese
Polymerelektrolytbrennstoffzellen können als Brennstoffzellen betrieben
werden, indem ein Brennstoffgas (wie beispielsweise Wasserstoffgas
oder ein reformiertes Gas) der Anodenkatalysatorschicht bzw. ein
Oxidationsvermittler (wie beispielsweise Luft oder Sauerstoffgas)
der Kathodenkatalysatorschicht zugeführt wird und die beiden Elektroden
an einen externen Kreislauf angeschlossen werden. Speziell wird
beispielsweise zuerst Wasserstoffgas aus dem ersten auf der ersten
Separatorplatte ausgebildeten Gaskanal durch die Gasdiffusionsschicht
zur Anodenschicht zugeführt.
Wasserstoffgas, das die Anodenkatalysatorschicht erreicht hat, erzeugt
dann durch eine Oxidationsreaktion mit dem Katalysator ein Proton
und ein Elektron. Dieses Proton durchdringt die Festpolymerelektrolytmembran
und begibt sich zur Kathodenkatalysatorschicht. Das Elektron hingegen
wandert durch den externen Kreislauf und erreicht die Kathodenkatalysatorschicht.
An der Kathodenkatalysatorschicht reagieren das Proton, das die
Festpolymerelektrolytmembran durchdrungen hat, ein Elektron, das
aus dem externen Kreislauf geschickt wurde, und Sauerstoff, der
beispielsweise durch die zweite Gasdiffusionsschicht aus dem zweiten,
auf der zweiten Separatorplatte ausgebildeten Gaskanal zugeführt wurde,
an der Oberfläche
des Katalysators und werden in Wasser umgewandelt. Dabei entsteht
eine elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden, die als elektrische
Energie abgezogen werden kann.
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Um
die vorstehend beschriebenen Reaktionen wirksam und durchgehend
ablaufen zu lassen, ist es wichtig, den Ionenleitfähigkeitswiderstand
und den Elektronenleitfähigkeitwiderstand
zu senken und den Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten die Gase
durchgehend zuzuführen.
Um den Ionenleitfähigkeitswiderstand
zu senken, müssen
die Polymerelektrolytbestandteile unter Verwendung von Wasser ständig feucht
gehalten werden. Um den Elektronenleitfähigkeitswiderstand zu senken,
muss der Widerstand jedes der Teile einschließlich der Katalysatorschichten,
der Gasdiffusionsschichten und der Separatorplatten gesenkt werden, und
es ist auch notwendig, den Kontaktwiderstand zwischen jedem der
Teile so niedrig wie möglich
auszulegen. Da es sich bei den Gasdiffusionsschichten jedoch um
poröse,
aus Kohlenstofffasern usw. bestehende Schichten handelt, ist es
schwierig, den Kontaktwiderstand zwischen den Teilen zu senken.
Deswegen wurden Anpassungsmaßnahmen
vorgenommen, wie etwa poröse
Zwischenschichten, die aus elektronenleitfähigen Materialien bestehen,
auf den Flächen
der Gasdiffusionsschichten vorzusehen, um den Kontakt mit den Katalysatorschichten
zu verbessern und den Elektronenwiderstand zu senken.
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Andererseits
muss durchgehend Wasser abgeleitet werden, das von der Kathodenkatalysatorschicht erzeugt
wurde, denn der Kontakt zwischen dem Gas und der Katalysatorschicht
wird blockiert, falls sich Wasser auf der Fläche der Katalysatorschicht
sammelt oder Hohlraumabschnitte in der Gasdiffusionsschicht durch das
Wasser usw. verstopft werden. Um zu verhindern, dass die Hohlraumabschnitte
in den Gasdiffusionsschichten durch Wasser verstopft werden, sind
die Elektrodenmaterialien unter Verwendung wasserabweisender Materialien
wie Fluorharzen usw. größtenteils
wasserabweisend ausgelegt. Die Gasdiffusionsschichten sind insbesondere
Zufuhrwege, die das Gas, das aus den Zufuhrkanälen zugeführt wurde, die Katalysatorschichten
erreichen lassen, und sind im Allgemeinen wasserabweisend ausgelegt.
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Bei
den wie vorstehend beschriebenen Polymerelektrolytbrennstoffzellen
ist der Ionenleitfähigkeitswiderstand
gesenkt und der Wirkungsgrad verbessert, weil der Feuchtigkeitsgehalt
in der Polymerelektrolytmembran erhöht ist. Aus diesem Grund werden
die reagierenden Gase bevor sie zugeführt werden unter Verwendung
externer Befeuchter befeuchtet, um die Polymerelektrolytmembran
in einem feuchten Zustand zu halten. Werden die Polymerelektrolytbrennstoffzellen
unter Bedingungen geringer Feuchtigkeit betrieben, ist der Feuchtigkeitsgehalt
der Polymerelektrolytmembran gesenkt und die Leistung deutlich herabgesetzt.
Deswegen ist es wünschenswerter,
die Polymerelektrolytbrennstoffzellen unter Bedingungen hoher Feuchtigkeit
so nahe wie möglich
am Dampfsättigungsdruck
bei jeder beliebigen Temperatur zu betreiben. Wenn Wasserdampf jedoch
nahe am Dampfsättigungsdruck
liegt, ist es wahrscheinlicher, dass sich das Wasser in den Poren
der Gasdiffusionsschichten, Zwischenschichten und Katalysatorschichten,
usw. aufgrund des Einflusses der Zellentemperatur, des erzeugten
Wassers usw. verflüssigt,
und es besteht die Möglichkeiten,
dass die Poren sich verstopfen können.
Aus diesem Grund sind Anpassungsmaßnahmen erforderlich, so dass
sich möglichst
wenig flüssige
Feuchtigkeit in den Poren der Zwischenschichten usw. sammelt. Allgemein
bekannte Beispiele für
solche Verfahren umfassen die folgenden Methoden.
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Bei
einem ersten herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen werden bei der Ausbildung
der Zwischenschichten zwei Arten (große und kleine) Kohlenstoffpartikel,
die unterschiedliche Partikeldurchmesserverteilungsmittelpunkte
haben, miteinander gemischt, um einen Aufbau zu bilden, der mindestens
zwei Verteilungsmittelpunkte im Hinblick auf die Gashohlraumdurchmesserverteilung
hat (siehe z. B. Patentschrift 1).
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Bei
einem zweiten herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen werden bei der Ausbildung
der Zwischenschichten Hohlräume
gebildet, indem eine nasse Paste auf Wasserbasis hergestellt wird, dann
noch ein zweites Lösungsmittel
zugesetzt und fein verteilt wird, das in Wasser unlöslich ist
und einen hohen Siedepunkt hat, die Paste aufgetragen und dann so
getrocknet wird, dass nur das Wasser verdunstet, und die Paste dann
auf eine Weise getrocknet wird, dass das zweite Lösungsmittel
verdunstet (siehe z. B. Patentschrift 2).
- Patentschrift
1: japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2001-057215
(Patentblatt)
- Patentschrift 2: japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
2002-367617 (Patentblatt)
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Jedoch
wurden beim ersten herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen zwei Arten (große und kleine)
Kohlenstoffpartikel, die unterschiedliche Durchmesser haben, miteinander
gemischt, und ein Problem bestand darin, dass es schwierig ist,
Hohlraumdurchmesser nach dieser Auslegung einfach durch Mischen
allein auszubilden, weil die Partikel mit dem kleineren Durchmesser
in die Hohlraumabschnitte eindringen, die die Partikel mit dem größeren Durchmesser
bilden.
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Beim
zweiten herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen ist es schwierig,
das zweite Lösungsmittel
stabil in der Paste fein zu verteilen, und ein weiteres Problem
besteht darin, dass die Herstellungsprozesse kompliziert sind, wie
etwa die Regelung der Trocknungstemperatur usw.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehenden Probleme
zu lösen,
und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, die es ermöglicht, die
anfänglichen
elektrischen Zelleneigenschaften eine lange Zeit aufrechtzuerhalten,
indem ein Aufbau übernommen
wird, der die Strömung
der an der Reaktion teilnehmenden Gase von den Gasdiffusionsschichten
zu den Katalysatorschichten verbessert, und der die Ansammlung von
Feuchtigkeit, die durch die Elektrodenreaktionen entsteht, und Kondenswasser
von Wasserdampf in den befeuchteten Gasen usw. in den Katalysator- und
Zwischenschichten usw. unterdrückt,
und ein Verfahren bereitzustellen, durch welches sich eine solche Polymerelektrolytbrennstoffzelle
einfach herstellen lässt.
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Um
die vorstehende Aufgabe zu lösen,
wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine protonenleitfähige Polymerelektrolytmembran;
eine Anoden- und eine Kathodenkatalysatorschicht, die auf beiden
Seiten der Polymerelektrolytmembran vorgesehen sind; Gasdiffusionsschichten,
die auf Seiten der Anoden- und Kathodenschichten, die der Polymerelektrolytmembran
entgegengesetzt sind, vorgesehen sind und Reaktionsgase zu der Anoden- und
Kathodenschicht diffundieren; und eine Zwischenschicht, die zwischen
mindestens einer Katalysatorschicht der Anode und den Kathodenkatalysatorschichten
und mindestens einer der Gasdiffusionsschichten vorgesehen ist und
einen elektronenleitfähigen
Füllstoff
und ein Bindemittel enthält.
Die Zwischenschicht hat Hohlräume,
die in einer Dickenrichtung durchgehend verteilt sind, und besitzt
einen Feststoffvolumenprozentanteil, der größer als oder gleich 3 Prozent
und kleiner als oder gleich 30 Prozent ist. Ein Volumenverhältnis, das
die Hohlräume
einnehmen, die einen Hohlraumdurchmesser haben, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
ist, ist größer als
oder gleich 50 Prozent eines Zwischenschichtgesamtvolumens.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Polymerelektrolytbrennstoffzellenherstellungsverfahren
zur Herstellung einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitgestellt,
die Folgendes umfasst: eine protonenleitfähige Polymerelektrolytmembran;
eine Anoden- und eine Kathodenschicht, die auf beiden Seiten der
Polymerelektrolytmembran vorgesehen sind; Gasdiffusionsschichten,
die auf Seiten der Anoden- und Kathodenschichten, die der Polymerelektrolytmembran
entgegengesetzt sind, vorgesehen sind und Reaktionsgase zu der Anoden-
und Kathodenschicht diffundieren; und eine Zwischenschicht, die
zwischen mindestens einer Katalysatorschicht der Anode und den Kathodenkatalysatorschichten
und mindestens einer der Gasdiffusionsschichten vorgesehen ist und
einen elektronenleitfähigen
Füllstoff
und ein Bindemittel enthält.
Das Polymerelektrolytbrennstoffzellenherstellungsverfahren umfasst
die folgenden Schritte: Auftragen einer Paste, die den elektronenleitfähigen Füllstoff,
das Bindemittel, einen sich bei Wärme verflüchtigenden Füllstoff,
einen Zusatzstoff und ein Lösungsmittel
enthält,
auf eine Fläche
der Gasdiffusionsschicht; Trocknen der Paste, die auf die Gasdiffusionsschicht
aufgetragen wurde, durch Verdunsten des Lösungsmittels; und integrales
Ausbilden der Zwischenschicht auf der Fläche der Gasdiffusionsschicht
durch Wärmebehandeln
der Gasdiffusionsschicht, auf die die getrocknete Paste aufgetragen
wurde, bei einer Temperatur, die höher als oder gleich 200 Grad
Celsius und niedriger als oder gleich 450 Grad Celsius ist, um den
sich bei Wärme
verflüchtigenden
Füllstoff
sich verflüchtigen
zu lassen.
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Da
nach der vorliegenden Erfindung die Hohlräume durchgehend in einer Dickenrichtung
in der Zwischenschicht verteilt sind, und das Volumenverhältnis, das
von den Hohlräumen
angenommen wird, die einen Hohlraumdurchmesser haben, der größer oder
gleich 1 μm
oder kleiner oder gleich 30 μm
ist, größer als
oder gleich 50 Prozent des Zwischenschichtgesamtvolumens ist, ist
es unwahrscheinlicher, dass Feuchtigkeit, die durch die Elektrodenreaktionen
entsteht, und Kondenswasser von Wasserdampf in den befeuchteten
Gasen sich in der Zwischenschicht ansammeln. Somit können die
Reaktionsgase wirksam aus den Gasdiffusionsschichten zu den Katalysatorschichten
diffundieren, wodurch die anfänglichen
elektrischen Zelleneigenschaften lange Zeit aufrechterhalten werden
können.
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Da
nach der vorliegenden Erfindung die Gasdiffusionsschicht, auf welche
die getrocknete Paste aufgetragen wurde, bei einer Temperatur wärmebehandelt
wird, die höher
als oder gleich 200 Grad Celsius und niedriger als oder gleich 450
Grad Celsius ist, verflüchtigt
sich der in der Paste enthaltende, sich bei Wärme verflüchtigende Füllstoff aufgrund der Wärmebehandlung.
Dadurch entstehen Hohlräume,
die Durchmesser haben, die gleich denjenigen der sich bei Wärme verflüchtigenden
Füllstoffpartikel
sind, in der Zwischenschicht durch das Verflüchtigen des sich bei Wärme verflüchtigenden
Füllstoffs,
zusätzlich
zu den Hohlräumen,
die durch den elektronenleitfähigen
Füllstoff
gebildet werden. Somit kann eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die
eine Zwischenschicht aufweist, die einen Aufbau hat, der den Fluss
der Reaktionsgase aus den Gasdiffusionsschichten zu den Katalysatorschichten
verbessert und eine Ansammlung von Feuchtigkeit unterdrückt, die
durch Elektrodenreaktionen und Kondenswasser von Wasserdampf in
den befeuchteten Gasen usw. in den Katalysator- und den Zwischenschichten
usw. entsteht, einfach hergestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Querschnitt, der einen Aufbau einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle
nach der vorliegenden Erfindung erläutert;
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2 ist
ein Teilquerschnitt, der die unmittelbare Umgebung einer Zwischenschicht
in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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3 ist
ein Querschnittsbild eines Zwischenschichtvorläufers vor der Wärmebehandlung
in einem Polymerelektrolytbrennstoffzellenherstellungsverfahren
nach der vorliegenden Erfindung; und
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4 ist
ein Querschnittsbild der Zwischenschicht nach der Wärmebehandlung
in einem Polymerelektrolytbrennstoffzellenherstellungsverfahren
nach der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
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1 ist
ein Querschnitt, der einen Aufbau einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle
nach der vorliegenden Erfindung erläutert, und 2 ist
ein Teilquerschnitt, der die unmittelbare Umgebung einer Zwischenschicht
in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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In
Figur umfasst die Polymerelektrolytbrennstoffzelle 1: eine
protonenleitfähige
Polymerelektrolytmembran 2; eine Anodenkatalysatorschicht 3 und
eine Kathodenkatalysatorschicht 4, die auf beiden Seiten der
Polymerelektrolytmembran 2 vorgesehen sind; eine erste
und eine zweite Zwischenschicht 5a und 5b, die auf
den Seiten der Anodenkatalysatorschicht 3 bzw. Kathodenkatalysatorschicht 4 vorgesehen
sind, die der Polymerelektrolytmembran entgegengesetzt sind; eine
erste und eine zweite Gasdiffusionsschicht 6a und 6b, die
außerhalb
der ersten und zweiten Zwischenschicht 5a und 5b vorgesehen
sind; eine erste und eine zweite Separatorplatte 7a und 7b,
die außerhalb
der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht 6a und 6b vorgesehen sind,
und in welchen ein erster und ein zweiter Gaskanal 8a und 8b ausgebildet
sind, die Gase zuführen;
und Gasdichtungsabschnitte 9.
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Bei
dieser Polymerelektrolytbrennstoffzelle 1 haben die Zwischenschichten 5a und 5b einen
Feststoffvolumenprozentanteil, der größer als oder gleich 3 Prozent
und kleiner als oder gleich 30 Prozent beträgt, und besitzen Hohlräume, die
in einer Dickenrichtung in den Zwischenschichten durchgehend sind,
und zusätzlich sind
die Hohlräume
derart ausgebildet, dass ein Volumenverhältnis, das die Hohlräume einnehmen,
die einen Hohlraumdurchmesser haben, der größer als oder gleich 1 μm und kleiner
als oder gleich 30 μm
ist, größer als oder
gleich 50 Prozent eines Zwischenschichtgesamtvolumens beträgt. Zusätzlich sind
die Zwischenschichten 5a und 5b so ausgebildet,
dass sie eine Gasdurchlässigkeit
(nach dem Internationalen Standardisierungsorganisations- (ISO-)
Standard) haben, die größer als
oder gleich 100 μm/(Pa·s) ist.
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Hier
ist es bei dem Werkstoff für
die Polymerelektrolytmembran 2 möglich, jeden beliebigen Werkstoff ohne
bestimmte Einschränkung
zu verwenden, vorausgesetzt, der Werkstoff ist auch in der Umgebung
innerhalb der Brennstoffzelle chemisch stabil und besitzt eine hohe
Protonenleitfähigkeit
und Gasdurchlässigkeit, besitzt
jedoch auch keine Elektronenleitfähigkeit. Im Allgemeinen werden
oft Polymerelektrolytmembranen verwendet, bei denen Sulfonsäuregruppen
an Perfluorgrundgerüste
gebunden sind, der Werkstoff ist aber nicht auf diese beschränkt, und
es ist auch möglich,
Kohlenwasserstoffe usw. zu verwenden.
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Beispiele
für Bestandteile,
die in der Anodenkatalysatorschicht 3 enthalten sind, umfassen
beispielsweise Katalysatoren, die eine katalytische Eignung haben,
Wasserstoff oder andere Gase oder Flüssigkeiten reagieren zu lassen,
die als Brennstoff für
die Brennstoffzelle verwendet werden. Anodenkatalysatoren, die sich
verwenden lassen, umfassen, sind aber nicht speziell beschränkt auf:
Platin; Legierungen von Platin und Edelmetallen (wie Ruthenium,
Rhodium, Iridium, usw.); und Legierungen von Platin und Grundmetallen
(wie Vanadium, Chrom, Cobalt, Nickel, Eisen, usw.), usw., die beispielsweise
auf den Oberflächen
von Kohlenstoffschwarzmikropartikeln mitgeführt werden. Beispiele für andere
Bestandteile umfassen Polymerelektrolytbestandteile. Wasserabweisende
Stoffe wie Polytetrafluorethylenpartikel (PTFE-Partikel), usw.,
ein Bindemittel, das die Partikel miteinander verbindet, und Leitfähigkeitsvermittler
wie Kohlenstoffschwarz usw., die die elektrische Leitfähigkeit
usw. verbessern, können
auch mit aufgenommen werden.
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Beispiele
für Bestandteile,
die in der Kathodenkatalysatorschicht 4 enthalten sind,
umfassen beispielsweise Katalysatoren, die eine katalytische Eignung
haben, Sauerstoff reagieren zu lassen. Kathodenkatalysatoren, die
sich verwenden lassen, umfassen, sind aber nicht speziell beschränkt auf:
Platin; Legierungen von Platin und Edelmetallen (wie Ruthenium,
Rhodium, Iridium, usw.); und Legierungen von Platin und Grundmetallen
(wie Vanadium, Chrom, Cobalt, Nickel, Eisen, usw.), usw., die beispielsweise
auf den Oberflächen
von Kohlenstoffschwarzmikropartikeln mitgeführt werden; und beispielsweise
Platinschwarz usw. Beispiele anderer Bestandteile umfassen Polymerelektrolytbestandteile.
Wasserabweisende Stoffe wie Polytetrafluorethylenpartikel (PTFE-Partikel),
usw., ein Bindemittel, das die Partikel miteinander verbindet, und
Leitfähigkeitsvermittler
wie Kohlenstoffschwarz usw., die die elektrische Leitfähigkeit
usw. verbessern, können
auch mit aufgenommen werden.
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Diese
Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten 3 und 4 können auf
der Polymerelektrolytmembran 2, auf Flächen der Zwischenschichten 5a und 5b,
die auf den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b ausgebildet sind,
oder als Flächenkörper ausgebildet
und zwischen der Polymerelektrolytmembran 2 und den Zwischenschichten 5a und 5b angeordnet
werden.
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Die
Gasdiffusionsschichten 6a und 6b sind nicht speziell
eingeschränkt,
vorausgesetzt, sie besitzen eine Elektronenleitfähigkeit und weisen Werkstoffe
und Aufbauweisen auf, die es ermöglichen,
dass die Reaktionsgase aus den Gaskanälen 8a und 8b zu
den Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten 3 und 4 diffundieren
können,
in den meisten Fällen
liegen sie jedoch als poröse
Schichten vor, die hauptsächlich
aus kohlenstoffhaltigen Materialien bestehen, und speziell können poröse Materialien
verwendet werden, die unter Verwendung von Kohlenstofffasern hergestellt
werden wie etwa Kohlepapier, Kohlegewebe, Kohleverbundware, usw.
Darüber
hinaus können Oberflächenaufbereitungen
wie wasserabweisende, wasseranziehende Aufbereitungen, usw. an den
Oberflächen
dieser Gasdiffusionsschichten vorgenommen werden.
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Die
Separatorplatten 7a und 7a, auf deren Flächen die
Gaskanäle 8a und 8b ausgebildet
sind, sind nicht speziell eingeschränkt, vorausgesetzt, sie besitzen
eine Elektronenleitfähigkeit
und ermöglichen
es, dass die Gaskanäle 8a und 8b und
(nicht gezeigte) Kühlwasserströmungskanäle ausgebildet
werden können,
sie können
aber als Metall vorliegen, wie rostfreie Legierungen, usw., als
Platten, die aus Kohlenstoff hergestellt sind, oder als Materialien,
die aus Gemischen von Kohlenstoff und Harzen hergestellt sind.
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Die
Zwischenschichten 5a und 5b nach der vorliegenden
Erfindung, die zwischen den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b und
den Katalysatorschichten 3 und 4 vorgesehen sind,
müssen
Elektronenleitfähigkeit besitzen,
da ein Funktionsablauf zur Senkung des Kontaktwiderstands zwischen
den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b und den Katalysatorschichten 3 und 4 am
wichtigsten ist. Folglich ist das Material eines Füllstoffs, der
einen Teil eines Gerüsts 14 der
Zwischenschichten 5a und 5b bildet, nicht speziell
eingeschränkt,
vorausgesetzt, es besitzt Elektronenleitfähigkeit, Kohlenstoffmaterialien
sind aber bevorzugt, weil sie eine gute Formbarkeit und auch elektrische
Leitfähigkeit
besitzen und in ihrer chemischen Stabilität überlegen sind, und Kohlenstoffmikropartikel,
insbesondere Kohlenstoffschwarz, usw., sind noch mehr vorzuziehen,
weil sie diese Bedingungen erfüllen.
Der mittlere Primärpartikeldurchmesser
des Füllstoffs,
der einen Teil des Gerüsts 14 der Zwischenschichten
bildet, d.h. der elektronenleitfähige
Füllstoff,
ist nicht speziell eingeschränkt,
sollte aber in Anbetracht von Formbarkeit und Gasdurchlässigkeit
wünschenswerter
Weise ca. 20 nm bis 500 nm betragen.
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Es
ist notwendig, dass die Zwischenschichten 5a und 5b Porosität besitzen,
weil sie die Reaktionsgase und Feuchtigkeit aus den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b den
Katalysatorschichten 3 und 4 zuführen und die
Feuchtigkeit, die in den Kathodenkatalysatorschichten 4 entstanden
ist, zu den zweiten Gasdiffusionsschichten 6b ableiten
müssen.
Wenn hier das Volumenverhältnis,
das vom Feststoffgehalt in Bezug auf das Gesamtzwischenschichtvolumen
angenommen wird, als Feststoffvolumenanteil ausgedrückt wird,
dann sollte der Feststoffvolumenanteil größer als oder gleich 3 Prozent und
kleiner als oder gleich 30 Prozent sein. Ist der Feststoffvolumengehalt
geringer als 3 Prozent, wird es schwierig, die Form der Zwischenschichten
aufrechtzuerhalten, weil der Feststoffgehalt unzureichend ist, und
falls der Feststoffvolumenanteil größer als 30 Prozent ist, wird
das Porenvolumen unzureichend und die Gasdurchlässigkeit ist reduziert. Allerdings
ist es schwierig, eine zufriedenstellende Gasdurchlässigkeit
nur durch Verwendung von Hohlräumen
aufrechtzuerhalten, die zwischen dem elektronenleitfähigen Füllstoff
entstehen, der einen Teil des Gerüsts 14 der Zwischenschichten
bildet, weil die Hohlraumdurchmesser in diesen zu klein sind. Aus
diesem Grund sollten Hohlräume
gebildet werden, die einen Hohlraumdurchmesser haben, der größer als
oder gleich dem 10-fachen des Hohlraumdurchmessers der Hohlräume ist,
die der elektronenleitfähige
Füllstoff
bildet, d.h. Makroporen 10 (siehe 2). Zusätzlich sollte
es sich bei diesen Makroporen 10 um Hohlräume handeln,
die innerhalb der Zwischenschichten in einer Dickenrichtung durchgehend
sind, und die Hohlräume
sollten ein Volumenverhältnis
haben, das von Hohlräumen
angenommen wird, die einen Hohlraumdurchmesser haben, der größer als oder
gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
ist, das größer als
oder gleich 50 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens ist. Falls
der größte Hohlraumdurchmesser
weniger als 1 μm
beträgt,
ist die Gasdurchlässigkeit
reduziert und es können
keine zufriedenstellende Eigenschaften aufrechterhalten werden.
Sind hingegen Hohlräume
enthalten, die einen maximalen Hohlraumdurchmesser haben, der größer als
30 μm ist, nimmt
der Kontaktwiderstand bei den Katalysatorschichten zu, weil die
Oberflächenrauigkeit
der Zwischenschichten erhöht
und die Flachheit schlecht ist, und dies zu einer Ursache für die Herabsetzung
der Eigenschaften werden kann.
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Als
Ergebnis sorgfältiger
Nachforschung, welchen Grad an Gasdurchlässigkeit die Zwischenschichten 5a und 5b haben
müssen,
um Zwischenschichten zu sein, die es ermöglichen, dass zufriedenstellende
elektrische Zelleneigenschaften eine lange Zeit aufrechterhalten
werden können,
stellte sich heraus, dass die Qualität der Gasdurchdringung bestimmt
werden kann, indem die Gasdurchlässigkeit
in den Zwischenschichten 5a und 5b gemessen wird,
und es bestätigte
sich bei der Gasdurchlässigkeit
nach den ISO-Standards, dass sich die elektrischen Zelleneigenschaften
lange Zeit aufrechterhalten lassen, vorausgesetzt die Gasdurchlässigkeit ist
größer als
oder gleich 100 μm/(Pa·s). Darüber hinaus
wurde die Gasdurchlässigkeit
unter Verwendung einer handelsüblichen
Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung
ermittelt. Hier wird die Gasdurchlässigkeit nach den ISO-Standards
als Strömungsmenge
an Luft ausgedrückt,
die unter einem bestimmten Druckunterschied pro Einheitszeit durch
einen porösen
Flächenkörper/eine
poröse
Platte mit Einheitsfläche
strömt.
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Die
Zwischenschichten 5a und 5b können auch ein Bindemittel enthalten,
um den elektronenleitenden Füllstoff
zu formen, wasserabweisende Stoffe, um Wasserabstoßungseigenschaften
zu verleihen, und wasseranziehende Mittel, um Wasseranziehungseigenschaften
zu verleihen, usw. Wird ein Fluorharz sowohl als Bindeals auch Wasserabstoßungsmittel
verwendet, sollte es auch im Elektrozellensystem vorzugsweise über Stabilität verfügen, und
Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylenhexafluorpropylen-Copolymer
(FEP-Copolymer), usw., sind stärker
vorzuziehen, weil sie bei der Wasserabstoßungsfähigkeit und Wärmebeständigkeit überlegen
sind. Um Wasseranziehungsfähigkeit
zu verleihen, können
auch Polymerelektrolytkomponenten wie Perfluorsulfonsäuren, usw.,
mitaufgenommen werden.
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Die
Zwischenschichten 5a und 5b können auch zu Flächenkörpern geformt
werden, die nur durch die Zwischenschichten gebildet und zwischen
den Katalysatorschichten 3 und 4 und den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b angeordnet
werden. Die so hergestellten Zwischenschichtenflächenkörper können auch mit den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b integriert
werden, indem sie unter Verwendung einer Presse usw. aufgequetscht
werden. Jedoch besteht das einfachste und bequemste Verfahren, die
Zwischenschichten 5a und 5b direkt auf den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b auszubilden,
darin, eine Zwischenschichtpaste auf den Gasdiffusionsschichten 6a und 6b aufzutragen
und wärmezubehandeln,
und dies ist auch vorzuziehen, weil auch der Kontakt mit den Gasdiffusionsschichten
verbessert wird.
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Beispiele
für Verfahren
zur Ausbildung dieser Zwischenschichten 5a und 5b umfassen
Trockenformgebungsverfahren, bei denen der Füllstoff, das Bindemittel, usw.,
in trockener Form miteinander gemischt und geformt werden, und Nasspressen,
wobei sie durch Feinverteilen des Füllstoffs, Bindemittels, usw.,
in einem Lösungsmittel
und Verdunsten des Lösungsmittels
durch Trocknen nach dem Auftragen hergestellt werden. Nasspressen
ist vorzuziehen, wenn problemloses Formen und die Einfachheit und
Angemessenheit der Dickensteuerung, usw., in Betracht gezogen wird.
Wenn Nassverfahren eingesetzt werden, ist es auch möglich, Dispergiermittel
wie Polyoxyethylenderivate, usw., Eindicker wie Cellulosederivate
(wie z. B. Natriumcarboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose,
usw.), usw., vorab in das Lösungsmittel
zusammen mit dem Füllstoff und
Bindemittel einzumischen, und indem diese zugesetzt werden ist es
möglich,
eine Pastenlösung
herzustellen, die stabil und ergiebig ist. Die Zwischenschichtdicke
sollte hier größer als
oder gleich 5 μm
und kleiner als oder gleich 100 μm
sein. Ist die Zwischenschichtdicke größer als 100 μm, nimmt
der Gasdurchlässigkeitswiderstand
zu, wodurch die Gaszufuhr, das Ableiten, usw., herabgesetzt wird.
Ist die Zwischenschichtdicke geringer als 5 μm, sind die Energieausbeutewirkungen
reduziert, wodurch die Spannungseigenschaften herabgesetzt werden.
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Bei
den Zwischenschichten 5a und 5b besteht ein Verfahren
als Mittel zum zusätzlichen
Erzeugen von Hohlräumen
(Makroporen), die einen größeren Hohlraumdurchmesser
haben als die Hohlräume,
die durch den elektronenleitfähigen
Füllstoff
gebildet werden, der einen Teil des Gerüsts 14 darstellt,
darin, der Zwischenschichtvorpaste einen sich bei Wärme verflüchtigenden
Füllstoff
zuzusetzen. Ein "sich
bei Wärme
verflüchtigender
Füllstoff" bedeutet einen Füllstoff,
der aus einem Material besteht, das sich durch Verbrennen (durch
eine Oxidationsreaktion) oder durch Wärme bei einer Temperatur zersetzt,
die höher
oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist. Spezielle Beispiele,
die Füllstoffe
als sich bei Wärme
verflüchtigende
Füllstoffe qualifizieren,
umfassen Polymermaterialien, Sublimationsmaterialien, usw. Folglich
können,
indem einer Zwischenschichtvorpaste ein sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
zugesetzt wird, der einen vorbestimmten Partikeldurchmesser hat,
und eine Wärmebehandlung
an der aufgetragenen Pastenschicht bei der Temperatur vorgenommen
wird, bei der sich der sich bei Wärme verflüchtigende Füllstoff durch Verbrennen oder
Wärme zersetzt,
Hohlräume
hergestellt werden, die Partikeldurchmesser und Rauminhalte haben,
die denjenigen des sich bei Wärme
verflüchtigenden
Füllstoffs
entsprechen. Hier lassen sich, wenn der Volumenanteil des sich bei Wärme verflüchtigenden
Füllstoffs
in der Paste größer als
oder gleich 50 Prozent ist, durchgehende Poren erzielen, weil die
jeweiligen Partikel des sich bei Wärme verflüchtigenden Füllstoffs
einander in der aufgetragenen Pastenschicht berühren. Somit können Zwischenschichten 5a und 5b erhalten
werden, die Hohlräume
besitzen, die innerhalb der Zwischenschichten in der Dickenrichtung
durchgehend sind. Es ist vorzuziehen, dass der mittlere Partikeldurchmesser
des sich bei Wärme
verflüchtigenden
Füllstoffs
größer als
oder gleich 1 μm und
kleiner als oder gleich 30 μm
ist, weil Hohlräume
entstehen werden, die diesen Durchmesser haben.
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Es
ist vorzuziehen, dass es sich bei dem bei Wärme verflüchtigenden Füllstoff
um ein Material handelt, wovon sich mehr als oder gleich 90 Prozent
durch Verbrennen (durch eine Oxidationsreaktion) oder durch Wärme bei
einer Temperatur zwischen 200 und 450 Grad Celsius zersetzen, weil
dann die Wärmebehandlung letztendlich
möglich
ist, ohne das elektronenleitfähige
Füll- und
Bindemittel zu beeinträchtigen,
die die Zwischenschicht bilden. Das Material des sich bei Wärme verflüchtigenden
Füllstoffs
ist nicht speziell eingeschränkt,
vorausgesetzt, es handelt sich um ein Material, wovon sich mehr
als oder gleich 90 Prozent durch Verbrennen (durch eine Oxidationsreaktion)
oder durch Wärme
bei einer Temperatur zwischen 200 und 450 Grad Celsius zersetzen,
aber Polymermaterialien sind leicht zu gewinnen, unschädlich und
einfach zu handhaben, weil es sich bei ihren Zersetzungsprodukten
auch nur um Kohlendioxidgas, Feuchtigkeit, usw. handelt. Insbesondere
lassen sich Polymere von Methacrylatestern (z. B. Methylmethacrylat,
Butylmethacrylat, usw.), Derivate solcher Polymere oder Gemische
von diesen als Material für
den sich bei Wärme
verflüchtigenden Füllstoff
hernehmen, weil sie sich in dem vorstehend beschriebenen Temperaturbereich
verflüchtigen.
Die Form des sich bei Wärme
verflüchtigenden
Füllstoffs
ist nicht speziell eingeschränkt,
sondern kann rund, kugelförmig,
nicht kugelförmig,
schalenförmig,
faserförmig
oder schuppenförmig,
usw. sein. Darüber
hinaus kann der mittlere Partikeldurchmesser als Mittelwert einer
langen und einer kurzen Achse genommen werden.
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Beim
vorstehend beschriebenen Nasspressen wird eine Paste, in die ein
elektronenleitfähiger
Füllstoff,
ein Bindemittel, ein sich bei Wärme
verflüchtigender
Füllstoff,
ein Dispergiermittel, ein Eindicker, usw., zusammen in ein Lösungsmittel
eingemischt sind, beispielsweise auf eine Gasdiffusionsschicht aufgetragen, dann
in einer Trockenvorrichtung so getrocknet, dass nur das Lösungsmittel
zuerst verdunstet, um einen Zwischenschichtvorläufer 11 auf der Oberfläche der
Gasdiffusionsschicht zu bilden, wie in 3 gezeigt
ist. In diesem Zustand verbinden sich die gemischten Bestandteile 12,
wie der elektronenleitfähige
Füllstoff,
das Bindemittel, das Dispergiermittel, usw., miteinander um den
sich bei Wärme
verflüchtigenden
Füllstoff 13,
um eine Schicht zu bilden. Indem eine Wärmebehandlung an der Gasdiffusionsschicht
mit dem daran gebundenen Zwischenschichtvorläufer bei einer Temperatur vorgenommen
wird, bei der der sich bei Wärme
verflüchtigende Füllstoff 13 und
die Dispergiermittel, Eindicker, usw., reagieren bzw. sich zersetzen
können,
ist es möglich,
Zwischenschichten 5a und 5b auszubilden, die ein
zufriedenstellende Gasdurchlässigkeit
haben. In diesem wie in 4 gezeigten Zustand verflüchtigen
sich die Partikel des sich bei Wärme
verflüchtigenden
Füllstoffs 13,
die so angeordnet wurden, dass sie einander berühren, um Makroporen 10 (Hohlräume) zu
bilden, die in einer Dickenrichtung der Zwischenschichten 5a und 5b in
einem Gerüst 14 durchgehend
sind, das aus dem elektronenleitfähigen Füllstoff und Bindemittel besteht.
Hier sollte das vorläufige
Trocknen, bei dem das Lösungsmittel verdunstet,
vorzugsweise zwischen 40 und 150 Grad Celsius durchgeführt werden,
und die anschließende Wärmebehandlungstemperatur
sollte zwischen 200 und 450 Grad Celsius liegen. Die Wärmebehandlungstemperatur
sollte nicht höher
als 450 Grad Celsius sein, weil eine Zersetzung durch Verbrennung
oder Wärme
im elektronenleitfähigen
Füllstoff,
Bindemittel, usw., die das Gerüst 14 bilden,
auftreten kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Verwendung von Beispielen weiter
erläutert.
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Beispiel 1
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(Herstellung von Zwischenschichten,
die auf den Flächen
von Gasdiffusionsschichten ausgebildet werden.
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Kohlepapier
(TGP-H-090, hergestellt von Toray Industries, Inc.) wurde in eine
verdünnte
Lösung
aus wässriger
Polytetrafluorethylendispersion (PTFE-Dispersion) (hergestellt von
Daikin Industries, Ltd.) eingetaucht, getrocknet, dann bei 360 Grad
Celsius wärmebehandelt,
um eine Gasdiffusionsschicht herzustellen, auf die eine Wasserabstoßungsbehandlung
angewendet worden war. Acetylenschwarz, bei dem der mittlere Partikeldurchmesser
der Primärpartikel
ca. 35 nm betrug (Denka Black, hergestellt von Denki Kagaku Kogyo K.
K.), der als elektronenleitfähiger
Füllstoff
fungierte, eine wässrige
PTFE-Dispersion, ein nichtionisches Dispergiermittel, 2%-ige wässrige Hydroxyethylcelluloselösung (HEC-Lösung), die
als Eindicker fungierte, und destilliertes Wasser, das als Lösungsmittel
fungierte, wurden miteinander vermischt und fein verteilt, um eine Paste
zu bilden, dann wurden kugelförmige
Polymethylmethacrylatmikropartikel (PMMA-Mikropartikel) mit einem
mittleren Partikeldurchmesser von 8 μm (Techpolymer, hergestellt
von Sekisui Plastics Co., Ltd.), die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt, dass ein Feststoffgehaltverhältnis (der
Volumenanteil der PMMA-Partikel in der Paste) 80 Prozent betrug.
Die Paste wurde dann auf eine Fläche
der Gasdiffusionsschicht, die aus dem wasserabweisend behandelten
Kohlepapier bestand, durch Siebdruck aufgetragen, dann wurde die
Paste durch Verdunsten des Lösungsmittels
getrocknet. Anschließend
wurde ein Kohlepapier mit einer daran gebundenen porösen Zwischenschicht
hergestellt, indem es bei 380 Grad Celsius wärmebehandelt wurde, um den
sich bei Wärme
verflüchtigenden
Füllstoff,
das Dispergiermittel und den Eindicker durch Wärme zu zersetzen. Hier betrug
die ausgebildete Dicke der Zwischenschicht ca. 25 μm. Die unter
Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung
ermittelte Gasdurchlässigkeit
dieses Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht betrug
ca. 200 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 80 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 10 Prozent.
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(Ausbildung der Katalysatorschichten
auf Elektrolytmembranen)
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An
Kohlenstoffschwarz (Vulcan XC-72R, hergestellt von Cabot) gebundene
katalytische Metalle wurden für
die Katalysatoren verwendet. Kohlenstoffschwarz, an das 50 Gewichtsprozent
Platin gebunden waren, wurde für
den Kathodenkatalysator verwendet, und Kohlenstoffschwarz, an das
50 Gewichtsprozent Platin/Ruthenium/Grund-metall gebunden waren,
wurde für
den Anodenkatalysator verwendet.
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Einheitliche
Pasten wurden durch Zusatz von Perfluorsulfonsäure-Polyelektrolytlösung (eine
Lösung namens
Nafion (eingetragenes Warenzeichen), hergestellt von DuPont) zu
jeder Katalysatorpartikelart und Mischen erhalten. Jede dieser Katalysatorpasten
wurden durch Siebdruck auf eine Polyethylenterephthalatschicht (PET-Schicht) mit einer
Dicke von 50 μm
aufgetragen und dann getrocknet. Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten
wurden auf beiden Flächen
der Polymerelektrolytmembran ausgebildet, indem eine Polymerelektrolytschicht
(eine Membran 112 aus Nafion (eingetragenes Warenzeichen), hergestellt
von DuPont) zwischen den beiden Schichten mit den daran gebundenen
Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten sandwichartig eingeschlossen,
bei 130 Grad Celsius zwei Minuten lang heiß gepresst wurde, und dann
die PET-Schichten abgezogen wurden. Jede der Katalysatorschichten
war so geformt, dass sie eine Quadratform mit einer Länge und
Breite von 50 mm hatte.
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(Ausbildung der Zelle)
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Eine
Polymerelektrolytbrennstoffzelle wie die in 1 gezeigte,
wurde hergestellt, indem eine Polymerelektrolytmembran mit den vorstehend
beschriebenen, daran gebundenen Katalysatorschichten sandwichartig
zwischen einem Paar Gasdiffusionsschichten mit daran gebundenen
Zwischenschichten eingeschlossen wurde, und diese dann noch sandwichartig
zwischen einem Paar Kohlenstoffplatten eingeschlossen wurden, in
denen Gaskanalrinnen angeordnet waren.
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(Betrieb der Zelle)
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Wasserstoffgas
wurde einer Anodenelektrodenseite dieser Brennstoffzelle zugeführt, und
Luft mit Normaldruck wurde einer Kathodenelektrodenseite zugeführt. Die
Strömungsraten
waren so eingestellt, dass der Nutzungsgrad des Wasserstoffgases
70 Prozent und der Sauerstoffnutzungsgrad auf der Luftseite 40 Prozent betrug.
Bevor sie in die Zelle eingeleitet wurden, wurden die beiden Gase
unter Verwendung jeweiliger (nicht gezeigter) externer Befeuchter
befeuchtet. Die Temperatur wurde so geregelt, dass die Temperatur
der Zelle 80 Grad Celsius betrug. Die Feuchtigkeit der zugeführten Gase wurde
von den externen Befeuchtern so geregelt, dass ein Taupunkt von
75 Grad Celsius auf der Anodenseite und ein Taupunkt von 70 Grad
Celsius auf der Kathodenseite aufrechterhalten wurde. Die Zelle
wurde mit einer elektrischen Stromdichte von 300 mA/cm2 betrieben,
und nach 24 Stunden und 1.000 Stunden nach dem Anlaufen wurde eine
Ausgangsspannung gemessen. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 2
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 8 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis bei
der Herstellung der Zwischenschichten 50 Prozent betrug. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 100 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht bestand,
und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde, betrug das
Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 50 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 30 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 3
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 8 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis bei
der Herstellung der Zwischenschichten 87 Prozent betrug. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 230 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht bestand,
und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde, betrug das
Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 87 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 5 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 4
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 5 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis bei
der Herstellung der Zwischenschichten 87 Prozent betrug. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 210 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht bestand,
und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde, betrug das
Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 87 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 5 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 5
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 12 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis bei
der Herstellung der Zwischenschichten 87 Prozent betrug. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 220 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht bestand,
und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde, betrug das
Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 87 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 5 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 6
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis 87
Prozent betrug und die Zwischenschichten bei der Herstellung der
Zwischenschichten mit einer Dicke von 30 μm ausgebildet wurden. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 200 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 87 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 5 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 7
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 30 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis 87
Prozent betrug und die Zwischenschichten bei der Herstellung der
Zwischenschichten mit einer Dicke von 40 μm ausgebildet wurden. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 240 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 87 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 5 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 8
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 40 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis 87
Prozent betrug und die Zwischenschichten bei der Herstellung der
Zwischenschichten mit einer Dicke von 50 μm ausgebildet wurden. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 250 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 87 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 5 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 9
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass die Zwischenschichten
bei der Ausbildung der Zwischenschichten mit einer Dicke von 110 μm ausgebildet
wurden. Hier betrug die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 95 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 80 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 5 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 10
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 4 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis 80
Prozent betrug und die Zwischenschichten bei der Herstellung der
Zwischenschichten mit einer Dicke von 4 μm ausgebildet wurden. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 295 μm/(Pa·s). Als eine
Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht bestand,
und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde, betrug das
Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 80 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 7 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Beispiel 11
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass Acetylenschwarz, Perfluorsulfonsäure-Elektrolytlösung, Ethanol
als Lösungsmittel und
destilliertes Wasser miteinander gemischt und fein verteilt wurden,
um eine Paste zu bilden, dann sich bei niedriger Temperatur bei
Wärme verflüchtigende
kugelförmige
Mikropartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 8 μm (Techpolymer,
hergestellt von Sekisui Plastics Co., Ltd.), die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis (der
Volumenanteil der sich bei Wärme
verflüchtigenden
Mikropartikel in der Paste) 80 Prozent betrug, dann wurde die Paste
aufgetragen und das Lösungsmittel
getrocknet, und anschließend
wurde ein Kohlepapier mit einer daran gebundenen porösen Zwischenschicht
durch Wärmebehandlung
bei 250 Grad Celsius hergestellt, um den sich bei Wärme verflüchtigenden
Füllstoff
bei der Herstellung der Zwischenschichten durch Wärme zu zersetzen.
Hier betrug die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 200 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 80 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 10 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 8 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis bei
der Herstellung der Zwischenschichten 30 Prozent betrug. Hier betrug
die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 60 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 30 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 33 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 2
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass PMMA-Mikropartikel
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 8 μm, die als sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
fungierten, so zugesetzt wurden, dass das Feststoffgehaltverhältnis bei
der Herstellung der Zwischenschichten 95 Prozent betrug. Es war
jedoch nicht möglich,
Zwischenschichten auszubilden, weil der Feststoffgehalt unzureichend
war.
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Vergleichsbeispiel 3
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass überhaupt kein sich bei Wärme verflüchtigender
Füllstoff
bei der Herstellung der Zwischenschichten zugesetzt wurde. Hier
betrug die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung ermittelte
Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 50 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm war,
ca. 5 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 35 Prozent. Veränderungen
bei der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle
1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 4
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Die
Herstellung und der Betrieb einer Zelle erfolgten auf eine Ausführungsform
1 entsprechende Weise, mit der Ausnahme, dass ein Polyvinylidenfluoridpulver
(PVDF-Pulver) mit
einem mittleren Partikeldurchmesser von ca. 5 μm bei der Herstellung der Zwischenschichten
als sich bei Wärme
verflüchtigender
Füllstoff verwendet
wurde. Hier betrug die unter Verwendung einer Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung
ermittelte Gasdurchlässigkeit
des Kohlepapiers mit der daran gebundenen Zwischenschicht ca. 50 μm/(Pa·s). Als
eine Membran hergestellt wurde, die nur aus einer Zwischenschicht
bestand, und deren Hohlraumdurchmesserverteilung gemessen wurde,
betrug das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
war, ca. 5 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumens. Der Feststoffvolumenprozentanteil
betrug 35 Prozent. Veränderungen bei
der Zellenspannung und dem Zellenwiderstand sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Als
darüber
hinaus eine Querschnittsbegutachtung der Zwischenschichten nach
dem Herstellen der Zwischenschichten durchgeführt wurde, stellte sich heraus,
dass das PVDF-Pulver, das als Polymerfüllstoff zugesetzt worden war,
ohne sich zu verflüchtigen
praktisch unverändert
erhalten geblieben ist.
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Jedes
der Beispiele wird nun mit Bezug auf Tabelle 1 untersucht.
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Wenn
zuerst Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 verglichen werden, betrug
das Volumenverhältnis, das
von Hohlräumen
mit einem Hohlraumdurchmesser angenommen wurde, der größer als
oder gleich 1 μm und
kleiner als oder gleich 30 μm
war, 5 Prozent im Vergleichsbeispiel 3, wohingegen es im Beispiel
1 80 Prozent betrug. Der Feststoffvolumenanteil betrug 5 Prozent
im Vergleichsbeispiel 3, wohingegen er im Beispiel 1 10 Prozent
betrug. Daraus ist ersichtlich, dass es schwierig ist, das Volumenverhältnis, das
von den Hohlräumen
angenommen wird, die die vorstehend erwähnten Durchmesser haben, zu
erhöhen
und den Feststoffvolumenprozentanteil zu senken, das Volumenverhältnis, das
von den Hohlräumen
angenommen wird, die die vorstehend erwähnten Hohlraumdurchmesser haben
aber erhöht
und der Feststoffvolumenprozentanteil gesenkt werden kann, wenn
PMMA-Partikel zugesetzt werden, die einen sich bei Wärme verflüchtigenden
Füllstoff
darstellen. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass, obwohl der Ausgangswiderstand
im Beispiel 1 etwas höher war
als im Vergleichsbeispiel 3, die Ausgangsspannung hoch war und die
Unterspannung nach 1.000 Stunden deutlich gesenkt werden konnte.
Anders ausgedrückt
konnte im Beispiel 1 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 3 eine
Brennstoffzelle mit extrem stabilen Spannungseigenschaften hergestellt
werden. Dies lässt
sich dadurch erklären,
dass die Gasdurchlässigkeit
der Zwischenmembranen verbessert und eine Wasseransammlung in den
Zwischenschichten ausgeleitet wird, wenn man die zugesetzten PMMA-Partikel
während
der Wärmebehandlung
sich verflüchtigen
lässt,
wodurch die Gaszirkulation verbessert wird.
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Im
Vergleichsbeispiel 4 wurden PVDF-Partikel anstelle von PMMA-Partikeln
verwendet. Da sich die PVDF-Partikel allerdings während der
Wärmebehandlung
nicht verflüchtigten,
führte
die Zugabe von PVDF-Partikeln anstelle von PMMA-Partikel nicht dazu,
dass das Volumenverhältnis,
das von Hohlräumen
angenommen wird, die die vorher erwähnten Hohlraumdurchmesser haben,
erhöht
oder der Feststoffvolumenprozentanteil gesenkt ist. Somit führte, wie
in Tabelle 1 zu sehen ist, das Vergleichsbeispiel 4 im Vergleich
zum Beispiel 1 dazu, dass der Ausgangswiderstand hoch ist und auch
die Unterspannung nach 1.000 Stunden deutlich anstieg. Aus dem Vorstehenden
ist zu sehen, dass sich nicht alle Harzfüllstoffe als Zusatzfüllstoff
verwenden lassen und ein Material verwendet werden muss, das sich
durch Verbrennen (durch eine Oxidationsreaktion) oder Wärme bei
einer vorbestimmten Temperatur zersetzt, in diesem Fall 380 Grad
Celsius.
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Aus
den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 ist
ersichtlich, dass, wenn der Feststoffvolumenprozentanteil erhöht wird,
das Volumenverhältnis,
das von den Hohlräumen
angenommen wird, die die vorstehend erwähnten Hohlraumdurchmesser haben,
gesenkt wird. Es ist auch ersichtlich, dass, wenn der Feststoffvolumenprozentanteil
30 Prozent überschreitet,
das Volumenverhältnis,
das von den Hohlräumen angenommen
wird, die die vorstehend erwähnten
Hohlraumdurchmesser haben, unter 50 Prozent fällt. Es ist auch ersichtlich,
dass keine Zwischenschichten entstehen, wenn der Feststoffvolumenprozentanteil übermäßig gesenkt
wird. Somit muss der Feststoffvolumenprozentanteil als größer als
oder gleich 3 Prozent ausgelegt werden, damit die Zwischenschichten
entstehen.
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Obwohl
der Ausgangswiderstand im Vergleichsbeispiel etwas niedriger war
als im Beispiel 1, war die Ausgangsspannung niedrig und die Unterspannung
nach 1.000 Stunden stieg stark an. Dies lässt sich dadurch erklären, dass
keine ausreichende Gasdurchlässigkeit
erzielt wird und eine Wasseransammlung in den Zwischenschichten
auftritt, wodurch die Gaszirkulation reduziert wird, weil das Volumenverhältnis, das
von den Hohlräumen
angenommen wird, die die zuvor erwähnten Hohlraumdurchmesser haben,
niedrig war und bei 30 Prozent lag und der Feststoffvolumenprozentanteil
hoch war und bei 33 Prozent lag. Aus den Beispielen 1 bis 3 und
dem Vergleichsbeispiel 1 ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung
erhöht
und die Unterspannung nach 1.000 Stunden deutlich gesenkt werden
kann, wenn das Volumenverhältnis,
das von den Hohlräumen angenommen
wird, die die zuvor erwähnten
Hohlraumdurchmesser haben, als größer als oder gleich 50 Prozent
ausgelegt wird. Davon ausgehend muss der Feststoffvolumenprozentanteil,
um die anfänglichen
elektrischen Zelleneigenschaften eine lange Zeit aufrechtzuerhalten,
als kleiner als oder gleich 30 Prozent und das Volumenverhältnis, das
von den Hohlräumen
angenommen wird, die die zuvor erwähnten Hohlraumdurchmesser haben,
als größer als
oder gleich 50 Prozent ausgelegt werden. Darüber hinaus entspricht die Obergrenze des
Volumenverhältnisses,
das von den Hohlräumen
angenommen wird, die die zuvor erwähnten Hohlraumdurchmesser haben,
dem, wenn der Feststoffvolumenprozentanteil auf 3 Prozent eingestellt
wird.
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Aus
Tabelle 1 ist zu sehen, dass die Ausgangsspannung erhöht und die
Unterspannung nach 1.000 Stunden deutlich gesenkt werden kann, wenn
die Gasdurchlässigkeit
größer als
oder gleich 100 μm
(Pa·s)
ist. Mit anderen Worten ist es vom Standpunkt der Stabilisierung
der Spannungseigenschaften her vorzuziehen, die Gasdurchlässigkeit
der Zwischenschichten als größer als
oder gleich 100 μm
(Pa·s)
auszulegen.
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Im
Beispiel 9 war die Unterspannung nach 1.000 Stunden im Vergleich
zum Beispiel 1 besonders erhöht.
Dies lässt
sich dadurch erklären,
dass eine langandauernde Wasseransammlung in den Zwischenschichten
und eine reduzierte Gaszirkulation auftrat, da die Gasdurchlässigkeit
im Beispiel 9 etwas weniger als 95 μm (Pa·s) betrug. Im Beispiel 9
wurde die Gasdurchlässigkeit
von 200 μm
(Pa·s)
auf 95 μm
(Pa·s)
einfach dadurch stark gesenkt, dass die mittlere ausgebildete Dicke
von 25 μm
in den Zwischenschichten von Beispiel 1 auf 110 μm abgeändert wurde. Da die mittlere
ausgebildete Dicke der Zwischenschichten die Gasdurchlässigkeit
auf diese Weise beeinträchtigt,
und der Gasströmungswiderstand
gesenkt wird, wenn die mittlere ausgebildete Dicke der Zwischenschichten
110 μm erreicht,
sollte die mittlere ausgebildete Dicke auf kleiner als oder gleich
100 μm eingestellt
werden.
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Im
Beispiel 10 war im Vergleich zu Beispiel 1 die Ausgangsspannung
gesenkt, der Ausgangswiderstand hoch und die Unterspannung nach
1.000 Stunden erhöht.
Da die mittlere ausgebildete Dicke der Zwischenschichten im Beispiel
10 dünn
war und bei 4 μm
lag, kann der Schluss gezogen werden, dass die Ausgangsspannung
gesenkt und der Ausgangswiderstand hoch war, weil Unregelmäßigkeiten
in der Grundmaterialoberfläche
nicht mehr ausgeglichen werden konnten und eine Leistungsausbeute
nur teilweise aus den Katalysatorschichten möglich war, was Anlass zu einer
Reaktionskonzentration gab, und es kann auch der Schluss gezogen
werden, dass die Unterspannung erhöht war, weil die Abschnitte,
an denen die Reaktionskonzentration auftritt, im Laufe der Zeit
früher
Schaden nehmen. Folglich sollte die mittlere ausgebildete Dicke der
Zwischenschichten, da Merkmale wie Ausgangsspannung, Ausgangswiderstand,
usw., schlechter werden, wenn die mittlere ausgebildete Dicke der
Zwischenschichten zu dünn
ausgelegt ist, als größer als
oder gleich 5 μm
ausgelegt werden.
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Da
im Beispiel 11 die Merkmale, die im Allgemeinen denjenigen von Beispiel
1 entsprachen, erzielt wurden, ist zu sehen, dass es auch dann kein
Problem gibt, wenn ein Bindemittel verwendet wird, das im Vergleich
wasseranziehende Eigenschaften an den Tag legt.
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Darüber hinaus
sind in der vorstehenden Erläuterung
die Zwischenschichten als zwischen einer Anodenkatalysatorschicht
und einer Gasdiffusionsschicht und zwischen einer Kathodenkatalysatorschicht
und einer Gasdiffusionsschicht vorgesehen erläutert, eine Zwischenschicht
muss aber entweder zwischen der Anodenkatalysatorschicht und der
Gasdiffusionsschicht oder zwischen der Kathodenkatalysatorschicht
und der Gasdiffusionsschicht vorgesehen sein.
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Da
wie vorstehend beschrieben der Feststoffvolumenprozentanteil des
elektronenleitfähigen
Füllstoffs und
des Bindemittels, die in den Zwischenschichten enthalten sind, höher als
oder gleich 3 Prozent und niedriger als oder gleich 30 Prozent ist,
und die Hohlräume,
die in einer Dickerichtung innerhalb der Zwischenschichten enthalten
sind, durchgehend verteilt sind, und das Volumenverhältnis, das
von Hohlräumen
angenommen wird, die einen Hohlraumdurchmesser haben, der größer als
oder gleich 1 μm
oder kleiner als oder gleich 30 μm
ist, größer als
oder gleich 50 Prozent des Gesamtzwischenschichtvolumen ist, lässt sich
eine Polymerelektrolytzelle mit stabilen Spannungseigenschaften
erzielen, weil es möglich
ist, Reaktionsgase effizient aus den Gasdiffusionsschichten den
Katalysatorschichten zuzuführen,
und es auch möglich
ist, Feuchtigkeit effizient auszuleiten, die von den Katalysatorschichten
erzeugt wurde.
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Da
die Gasdurchlässigkeit
(nach ISO-Standard) in der Dickenrichtung der Zwischenschichten
einen Wert hat, der größer als
oder gleich 100 μm/(Pa·s) ist,
lässt sich
eine Polymerelektrolytzelle mit stabilen Spannungseigenschaften
erzielen, weil es möglich
ist, Reaktionsgase effizient aus den Gasdiffusionsschichten den Katalysatorschichten
zuzuführen,
und es auch möglich
ist, Feuchtigkeit effizient auszuleiten, die von den Katalysatorschichten
erzeugt wurde.
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Da
es sich bei dem elektronenleitfähigen
Füllstoff
um ein Kohlenstoffmaterial handelt, kann eine Polymerelektrolytzelle
mit guten Spannungseigenschaften erzielt werden, weil der Kontaktwiderstand
zwischen den Katalysatorschichten und der Gasdiffusionsschicht gesenkt
und auch der Zellenwiderstand gesenkt wird.
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Da
es sich bei dem Bindemittel um ein Fluormaterial handelt, ist es
möglich,
Feuchtigkeit, die durch die Katalysatorschichten erzeugt wurde,
effizient auszuleiten, weil Zwischenschichten erzielt werden, die
eine hohe Wasserabstoßungsfähigkeit
haben.
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Da
die mittlere ausgebildete Dicke der Zwischenschichten größer als
oder gleich 5 μm
und kleiner oder gleich 100 μm
ist, können
Zunahmen beim Gasdurchdringungswiderstand und Abnahmen beim Leistungsausbeutewirkungsgrad
in den Zwischenschichten unterdrückt
werden. Auf diese Weise kann eine Herabsetzung bei der Zufuhr von
Reaktionsgasen und beim Ausleiten unterdrückt werden, und auch eine Herabsetzung
bei den Spannungseigenschaften kann unterdrückt werden.
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Weil
ein Prozess, bei dem eine Paste, die einen elektronenleitfähigen Füllstoff,
ein Bindemittel, einen sich bei Wärme verflüchtigenden Füllstoff,
Zusatzstoffe, und ein Lösungsmittel
auf eine Oberfläche
einer Gasdiffusionsschicht aufgetragen wird, ein Prozess, bei dem
die Paste, die auf die Gasdiffusionsschicht aufgetragen wurde, durch
Verdunsten des Lösungsmittels
getrocknet wird, und ein Prozess, bei dem eine Zwischenschicht integral
auf der Oberfläche
der Gasdiffusionsschicht durch Wärmebehandlung
der Gasdiffusionsschicht, auf die die getrocknete Paste aufgetragen
wurde, mit einer Temperatur ausgebildet wird, die höher als oder
gleich 200 Grad Celsius oder niedriger als oder gleich 450 Grad
Celsius ist, mitaufgenommen sind, kann eine Zwischenschicht mit
guter Gasdurchlässigkeit
wirksam und mühelos
ausgebildet werden.
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Da
der mittlere Partikeldurchmesser des sich bei Wärme verflüchtigenden Füllstoffs
größer als
oder gleich 1 μm
und kleiner als oder gleich 30 μm
ist, können
Hohlräume,
die einen Hohlraumdurchmesser haben, der größer als oder gleich 1 μm und kleiner
als oder gleich 30 μm,
ist auf einfache Weise ausgebildet werden, wodurch eine Zwischenschicht
mit guter Gasdurchlässigkeit
effizient und mühelos
hergestellt werden kann.
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Da
es sich bei dem sich durch Wärme
verflüchtigenden
Füllstoff
um ein Material handelt, wovon sich mehr als oder gleich 90 Prozent
durch Verbrennen (durch eine Oxidationsreaktion) oder Wärme bei
einer Temperatur zersetzen, die höher als oder gleich 200 Grad
Celsius oder niedriger als oder gleich 450 Grad Celsius ist, können Hohlräume auf
einfache Weise ausgebildet werden, wodurch eine Zwischenschicht
mit guter Gasdurchlässigkeit
effizient und mühelos
hergestellt werden kann.
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Da
es sich bei dem sich durch Wärme
verflüchtigenden
Füllstoff
um ein Polymermaterial handelt, lässt sich der sich bei Wärme verflüchtigende
Füllstoff
mühelos erhalten,
und seine Zersetzungsprodukte sind unschädlich, wodurch Zwischenmembranen
kostengünstig
ohne Umweltverschmutzung hergestellt werden können.
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Da
es sich bei dem Polymermaterial um ein Methacrylatesterpolymer,
ein Derivat solcher Polymere oder ein Gemisch von diesen handelt,
können
Zwischenmembranen kostengünstig
hergestellt werden, die eine höhere
Umweltverträglichkeit
haben.
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Da
es sich bei dem Methacrylatesterpolymer um Polymethyl- oder Polybutylmethacrylat
handelt, können
Zwischenmembranen kostengünstig
hergestellt werden, die eine höhere
Umweltverträglichkeit
haben.
