DE102016212912B4

DE102016212912B4 - Mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016212912B4
Application number: DE102016212912.0A
Authority: DE
Inventors: Suguru OHMORI; Masashi Sugishita; Takashi Kato; Yukihito Tanaka; Seiji Sugiura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: CN106356545A; US10381661B2; CN109980244B; US20170018785A1; CN106356545B; DE102016212912A1; CN109980244A

Abstract

Mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung (10) für eine Brennstoffzelle, welche aufweist:eine MEA (10a), enthaltend eine erste Elektrode (20) auf einer Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), und eine zweite Elektrode (22) auf der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), wobei die erste Elektrode (20) eine erste Elektroden-Katalysatorschicht (20a) und eine erste Gasdiffusionsschicht (20b) enthält, wobei die zweite Elektrode (22) eine zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) und eine zweite Gasdiffusionsschicht (22b) enthält, wobei eine Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode (20) größer ist als eine Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode (22); undein Kunststoffrahmenelement (24), das die Festpolymerelektrolytmembran (18) umgibt,wobei das Kunststoffrahmenelement (24) eine innere Verlängerung (24a) aufweist, die zur zweiten Elektrode (22) hin verlängert ist;eine Lücke (CL) zwischen einem Außenende (22be) der zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) und einem Innenende der inneren Verlängerung (24a) ausgebildet ist;die zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) an der Lücke (CL) einen rahmenförmigen Außenrandabschnitt (22aR) aufweist, der sich vom Außenende (22be) der zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) auswärts erstreckt; undeine Bruchdichte von Brüchen (28), die in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt (22aR) gebildet sind, 30 Brüche/mm2oder weniger beträgt, und das Intervall zwischen den Brüchen (28) 0,06mm oder mehr beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Verlängerung (24a) in Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung (10) mit Abstand von der zweiten Elektrode (22) angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle. Die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung enthält eine MEA, deren Komponenten unterschiedliche Größen haben, d.h. eine MEA, die eine Festpolymerelektrolytmembran und eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode mit unterschiedlichen Oberflächengrößen enthält, welche die Festpolymerelektrolytmembran zwischen sich aufnehmen. Ferner enthält die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung ein Kunststoffrahmenelement, das um die MEA herum vorgesehen ist.
Beschreibung der verwandten Technik
Allgemein verwendet eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle eine Festpolymerelektrolytmembran. Die Festpolymerelektrolytmembran ist eine Polymerionenaustauschermembran. Die Brennstoffzelle enthält eine Membranelektrodenanordnung (MEA), wobei eine Anode und eine Kathode an beiden Seiten der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen sind. Die Anode und die Kathode enthalten jeweils eine Katalysatorschicht (Elektroden-Katalysatorschicht) und eine Gasdiffusionsschicht (porösen Kohlenstoff).
In der Brennstoffzelle ist die Membranelektrodenanordnung zwischen Separatoren (Bipolarplatten) geschichtet, um eine Stromerzeugungszelle (Zelleneinheit) zu bilden. Eine vorbestimmte Anzahl der Stromerzeugungszellen sind zur Bildung des Brennstoffzellenstapels zusammen gestapelt. Im Gebrauch ist der Brennstoffzellenstapel zum Beispiel in einem Fahrzeug als fahrzeugeigener Brennstoffzellenstapel angebracht.
In einigen Fällen hat die Membranelektrodenanordnung eine Struktur, wo die Komponenten der MEA unterschiedliche Größen haben, d.h. die Oberflächenausdehnung an einer der Gasdiffusionsschichten kleiner ist als die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembran, und die Oberflächenausdehnung der anderen der Gasdiffusionsschichten ist die gleiche wie die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembran. Zu dem Zweck, die Menge des teuren Materials zu reduzieren, das für die Festpolymerelektrolytmembranen verwendet wird, und die empfindlichen dünnen Festpolymerelektrolytmembranen zu schützen, sind mit Rahmen ausgestattete MEAs angewendet worden, die Kunststoffrahmenelemente um die Festpolymerelektrolytmembranen herum enthalten.
Die US 2013/0183604 A1 zeigt eine Membranelektrodenanordnung mit Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1, 2 und 3. Dort steht die innere Verlängerung des Rahmens in direktem Kontakt mit der zweiten Elektrode.
Die US 2007/0287044 A1 offenbart ein System und Verfahren zum Begrenzen der Menge an Wasserstoff, der von einer Anodenaustragsleitung abgelassen wird. Das Verfahren umfasst, dass eine Druckvorspannung zwischen einem Anodenauslass und einem Kathodenauslass eines Brennstoffzellenstapels beibehalten wird, so dass, wenn ein Anodenabgas von der Anodenaustragsleitung abgelassen und mit dem Kathodenabgas gemischt wird, die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Gas unter einem vorbestimmten Prozentsatz gehalten wird. Die Druckvorspannung ist derart, dass das Anodenabgas einen höheren Gasdruck als das Kathodenabgas besitzt.
Zum Beispiel ist aus der JP 2007-066 766 A eine Membranelektrodenanordnung bekannt, worin eine Anoden-Katalysatorschicht und eine Anoden-Gasdiffusionsschicht auf einer Oberfläche einer Membran vorgesehen sind, und eine Kathoden-Katalysatorschicht und eine Kathoden-Gasdiffusionsschicht auf der andere Oberfläche der Membran vorgesehen sind, um eine MEA zu bilden. Die Außenabmessungen der Anoden-Katalysatorschicht und der Anoden-Gasdiffusionsschicht sind gleich der Außenabmessung der Membran. Die Außenabmessungen der Kathoden-Katalysatorschicht und der Kathoden-Gasdiffusionsschicht sind kleiner als die Außenabmessung der Membran. Somit sind die Abmessungen der Komponenten der MEA unterschiedlich.
Die Oberflächenausdehnung der Anoden-Gasdiffusionsschicht ist größer als die Oberflächenausdehnung der Kathoden-Gasdiffusionsschicht. Die Außenenden der Membran benachbart der Kathoden-Gasdiffusionsschicht und ein Dichtungsstrukturkörper sind durch einen Haftabschnitt miteinander verbunden. In der Struktur sind das Außenende der Kathoden-Gasdiffusionsschicht und das Innenende des Dichtungsstruktorkörpers einander gegenüberliegend angeordnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Falle der Verbindung der Membran mit dem Dichtungsstrukturkörper entsteht tendenziell eine Lücke (Spalt) zwischen dem Außenende der Kathoden-Gasdiffusionsschicht und dem Innenende des Dichtungsstruktorkörpers. Wenn daher Brüche, die in der Kathoden-Katalysatorschicht benachbart der Membran ausgebildet sind, sich an der Lücke befinden, tritt in einigen Fällen eine Belastungskonzentration in der Membran auf, die einen geringeren Elastizitätsmodul hat als die Kathoden-Katalysatorschicht.
Daher wird zum Beispiel, durch die Druckdifferenz zwischen dem Zufuhrdruck des Brenngases zur Anode und dem Zufuhrdruck des sauerstoffhaltigen Gases zur Kathode, die Membran verformt und demzufolge könnte unerwünscht eine mechanische Verschlechterung der Membran auftreten. Insbesondere in dem Fall, wo der Druck vom Brenngas größer als der Druck vom sauerstoffhaltigen Gas ist, verformt sich die Membran leicht, und demzufolge kann unerwünscht eine mechanische Verschlechterung der Membran auftreten. Ferner treten, aufgrund von Feuchtigkeitsbedingungen, starke Dimensionsänderungen eher in der Membran auf als in anderen Elementen. Im Ergebnis könnten in der Membran unerwünschte Belastungskonzentrationen, Brüche, etc., auftreten.
Ferner bildet sich, wie oben beschrieben, während des Verbindens der Membran mit dem Dichtungsstrukturkörper, tendenziell eine Lücke (Spalt) zwischen dem Außenende der Kathoden-Gasdiffusionsschicht und dem Innenende des Dichtungsstruktorkörpers. Daher nimmt die Festigkeit der Membran an der Lücke ab. Zum Beispiel könnte die Membran aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Zufuhrdruck vom Brenngas zur Anode und dem Zufuhrdruck vom sauerstoffhaltigen Gas zur Kathode unerwünscht verformt werden.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um dieses Problem zu lösen, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle anzugeben, womit es mit einer einfachen Struktur möglich wird, eine Belastungskonzentration in einer Festpolymerelektrolytmembran aufgrund von Brüchen einer Elektrodenkatalystorschicht, die an einer Lücke einer Kunststoffrahmen-Membran vorgesehen ist, zu verhindern, und eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran geeignet zu vermeiden.
Ferner ist es eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung anzugeben, worin es mit einer einfachen Struktur möglich wird, eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran geeignet zu vermeiden, indem die Dichtkraft verbessert wird, um die an einem Spalt des Kunststoffrahmenelements vorgesehene Festpolymerelektrolytmembran mit einer Elektrodenkatalystorschicht abzudichten.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, 2 und 3 angegeben.
Gemäß einer ersten Ausführung nach Anspruch 1 enthält die Anordnung eine MEA, deren Größen unterschiedliche Abmessungen haben, sowie ein Kunststoffrahmenelement. Die MEA enthält eine erste Elektrode, die auf einer Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine zweite Elektrode, die auf der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist. Die erste Elektrode enthält eine erste Elektrodenkatalystorschicht und eine erste Gasdiffusionsschicht. Die zweite Elektrode enthält eine zweite Elektrodenkatalystorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht. Eine Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode ist größer als eine Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode. Ein Kunststoffrahmenelement ist um die Festpolymerelektrolytmembran herum vorgesehen.
Das Kunststoffrahmenelement hat eine innere Verlängerung, die zur zweiten Elektrode hin verlängert ist, wobei eine Lücke zwischen einem Außenende der zweiten Gasdiffusionsschicht und einem Innenende der inneren Verlängerung ausgebildet ist. Die zweite Elektrodenkatalystorschicht hat einen rahmenförmigen Außenrandabschnitt, der sich vom Außenende der zweiten Gasdiffusionsschicht nach außen erstreckt. Der rahmenförmige Außenrandabschnitt ist an der Lücke vorgesehen. Ferner beträgt eine Bruchdichte von in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt gebildeten Brüchen 30 Brüche/mm² oder weniger, und das Intervall zwischen den Brüchen beträgt 0,06mm oder mehr.
In der ersten Ausführung weist die zweite Elektrodenkatalystorschicht den rahmenförmigen Außenrandabschnitt auf, der an der Lücke vorgesehen ist. Die Druchdichte von Brüchen, die in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt gebildet werden, beträgt 30 Brüche/mm² oder weniger, und ein Intervall zwischen den Brüchen beträgt 0,06mm oder mehr. In der Struktur wird es möglich, das Auftreten einer Belastungskonzentration in der Festpolymerelektrolytmembran geeignet zu unterdrücken und eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran zu vermeiden.
Wenn daher eine externe Last auf die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung einwirkt, ist es mit der einfachen Struktur möglich, eine Belastungskonzentration in der Festpolymerelektrolytmembran aufgrund von Brüchen der Elektrodenkatalystorschicht zu verhindern, die an der Lücke des Kunststoffrahmenelements vorgesehen ist. Demzufolge wird es möglich, eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran geeignet zu unterdrücken und eine mechanische Verschlechterung der Festpolymerelektrolytmembran zu verhindern.
Gemäß einer zweiten Ausführung nach Anspruch 2 enthält die Anordnung eine MEA, deren Komponenten unterschiedliche Größen aufweisen, sowie ein Kunststoffrahmenelement. Die MEA enthält eine erste Elektrode, die auf einer Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine zweite Elektrode, die auf der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist. Die erste Elektrode enthält eine erste Elektrodenkatalystorschicht und eine erste Gasdiffusionsschicht. Die zweite Elektrode enthält eine zweite Elektrodenkatalystorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht. Eine Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode ist größer als eine Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode. Ein Kunststoffrahmenelement ist um die Festpolymerelektrolytmembran herum vorgesehen.
Das Kunststoffrahmenelement hat eine innere Verlängerung, die zur zweiten Elektrode hin verlängert ist, wobei eine Lücke zwischen einem Außenende der zweiten Gasdiffusionsschicht und einem Innenende der inneren Verlängerung ausgebildet ist. Die zweite Elektrodenkatalystorschicht hat einen rahmenförmigen Außenrandabschnitt, der sich vom Außenende der zweiten Gasdiffusionsschicht auswärts erstreckt. Der rahmenförmige Außenrandabschnitt ist an der Lücke vorgesehen. Die Länge von Brüchen, die in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt entlang einer Innenseite des Kunststoffrahmenelements gebildet werden, beträgt 300µm oder weniger.
In der zweiten Ausführung werden die Brüche in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt gebildet, der an der Lücke vorgesehen ist. Die Länge der Brüche entlang einer Innenseite des Kunststoffrahmenelements beträgt 300µm oder weniger. Mit der Struktur ist es möglich, das Auftreten einer Belastungskonzentration in der Festpolymerelektrolytmembran geeignet zu unterdrücken und eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran zu verhindern. Wenn daher eine externe Last auf den mit einer Membranelektrodenanordnung ausgestatteten Kunststoffrahmen einwirkt, ist es mit der einfachen Struktur möglich, eine Belastungskonzentration in der Festpolymerelektrolytmembran aufgrund von Brüchen der Elektrodenkatalystorschicht, die an der Lücke des Kunststoffrahmenelements vorgesehen ist, zu verhindern. Dementsprechend wird es möglich, eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran geeignet zu unterdrücken und eine mechanische Verschlechterung der Festpolymerelektrolytmembran zu verhindern.
Gemäß einer dritten Ausführung nach Anspruch 3 enthält die Anordnung eine MEA, deren Komponenten unterschiedliche Abmessungen aufweisen, sowie ein Kunststoffrahmenelement. Die MEA enthält eine erste Elektrode, die auf einer Oberfläche einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, und eine zweite Elektrode, die auf der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist. Die erste Elektrode enthält eine erste Elektrodenkatalystorschicht und eine erste Gasdiffusionsschicht. Die zweite Elektrode enthält eine zweite Elektrodenkatalystorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht. Eine Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode ist größer als eine Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode. Ein Kunststoffrahmenelement ist um die Festpolymerelektrolytmembran herum vorgesehen.
Das Kunststoffrahmenelement hat eine innere Verlängerung, die zur zweiten Elektrode hin verlängert ist. Eine Lücke ist zwischen einem Außenende der zweiten Gasdiffusionsschicht und einem Innenende der inneren Verlängerung ausgebildet ist. In Dickenrichtung der MEA, an einem zur Lücke der ersten Elektrode weisenden Abschnitt, sind die Festpolymerelektrolytmembran und die erste Elektrodenkatalystorschicht so konfiguriert, dass sie durch eine Dichtkraft von 0,2N/mm oder mehr aneinander abgedichtet werden.
Ferner ist bevorzugt die zweite Elektrodenkatalystorschicht vorgesehen, um die Festpolymerelektrolytmembran in Dickenrichtung der Festpolymerelektrolytmembran an der Lücke zu überdecken.
Ferner ist die erste Elektrode eine Anode, der Brenngas zugeführt wird, und die die zweite Elektrode eine Kathode, der sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wobei der Zufuhrdruck des Brenngases zur ersten Elektrode größer ist als der Zufuhrdruck des sauerstoffhaltigen Gases zur zweiten Elektrode.
In der dritten Ausführung sind, in Dickenrichtung der MEA, an einem zur Lücke der ersten Elektrode weisenden Abschnitt, die Festpolymerelektrolytmembran und die erste Elektrodenkatalystorschicht so konfiguriert, dass sie durch eine Dichtkraft von 0,2N/mm oder mehr aneinander abgedichtet werden. Daher wird es mit der einfachen Struktur möglich, die Dichtkraft geeignet zu verbessern, um die zur Lücke weisende Festpolymerelektrolytmembran und die erste Elektrodenschicht aneinander abzudichten. Wenn daher eine externe Last auf die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung einwirkt, ist es möglich, eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran, die zu der Lücke weist, zuverlässig zu verhindern, und eine mechanische Verschlechterung der Festpolymerelektrolytmembran zu verhindern.
Die Merkmale der ersten bis dritten Ausführungen sind auch kombinierbar.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung als Illustrationsbeispiel gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist eine Explosionsperspektivansicht von Hauptteilen einer Festpolymer-Stromerzeugungszelle, welche eine mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält;
2 ist eine Querschnittsansicht der Stromerzeugungszelle entlang Linie II-II in 1;
3 ist eine Querschnittsansicht von Hauptkomponenten der mit Kunststoffrahmen ausgestatteten Membranelektrodenanordnung;
4 ist eine partiell quergeschnittene Perspektivansicht eines Kunststoffrahmens der mit Kunststoffrahmen ausgestatteten Membranelektrodenanordnung;
5 ist eine Vorderansicht, welche die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung zeigt;
6 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von Brüchen, die in einem Teil des rahmenförmigen Außenrandabschnitts einer zweiten Elektrodenkatalystorschicht ausgebildet sind;
7 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von Brüchen, die im anderen Teil des rahmenförmigen Außenrandabschnitts ausgebildet sind;
8 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Bruchdichte und der Zunahmerate der Belastung, die auf eine Festpolymerelektrolytmembran einwirkt;
9 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Intervall zwischen Brüchen (Bruchintervall) und der Zunahmerate der Belastung, die auf die Festpolymerelektrolytmembran einwirkt (Belastungszunahmerate); und
10 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Länge der Brüche (Bruchlänge) und der Abnahmerate in der Belastung, die auf die Festpolymerelektrolytmembran einwirkt (Belastungsabnahmerate).

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer seitlich langgestreckten (oder längs langgestreckten) rechteckigen Festpolymer-Stromerzeugungszelle 12 enthalten. Eine Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 12 sind in horizontaler Richtung gemäß Pfeil A oder in Schwerkraftrichtung gemäß Pfeil C zusammen gestapelt, um den Brennstoffzellenstapel zu bilden. Zum Beispiel ist der Brennstoffzellenstapel als fahrzeugeigener Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (nicht gezeigt) angebracht.
Die Stromerzeugungszelle 12 wird gebildet, indem die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10 zwischen einem ersten Separator 14 und einem zweiten Separator 16 geschichtet wird. Der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 haben jeweils eine seitlich langgestreckte (oder längs langgestreckte) rechteckige Form. Zum Beispiel sind der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 aus Metallblechen, wie etwa Stahlblechen, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumblechen, galvanisierten Stahlblechen oder Metallblechen, deren Oberflächen durch Oberflächenbehandlung korrosionsbeständig gemacht sind, hergestellt. Alternativ können auch Kohlenstoffelemente als der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 verwendet werden.
Wie in 2 gezeigt, enthält die mit rechteckigem Rahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10 eine MEA (Membranelektrodenanordnung mit unterschiedlichen Abmessungen ihrer Komponenten) 10a. Wie in 2 gezeigt, enthält die MEA 10a eine Festpolymerelektrolytmembran (Kationenaustauscher-Membran) 18, die gebildet wird, indem zum Beispiel eine dünne Perfluorsulfonsäure-Membran mit Wasser imprägniert wird. Die Festpolymerelektrolytmembran 18 ist zwischen einer Anode (ersten Elektrode) 20 und einer Kathode (zweiten Elektrode) 22 eingefügt. Ein Elektrolyt auf Fluor-Basis kann als die zweite Festpolymerelektrolytmembran 18 verwendet werden. Alternativ kann ein KW-(Kohlenwasserstoff)-basierter Elektrolyt als die Festpolymerelektrolytmembran 18 verwendet werden.
Die Oberflächenausdehnung (Außenabmessung) der Kathode 22 ist kleiner als die Oberflächenausdehnungen (Außenabmessungen) der Festpolymerelektrolytmembran 18 und der Anode 20. Anstatt die obige Struktur zu verwenden, kann die Oberflächenausdehnung der Anode 20 auch kleiner sein als die Oberflächenausdehnungen der Festpolymerelektrolytmembran 18 und der Kathode 22. In diesem Fall ist die Anode 20 die zweite Elektrode und ist die Kathode 22 die erste Elektrode.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthält die Anode 20 eine erste Elektrodenkatalystorschicht 20a, die mit einer Oberfläche 178a der Festpolymerelektrolytmembran 18 verbunden ist, sowie eine erste Gasdiffusionsschicht 20b, die auf die erste Elektrodenkatalystorschicht 20a gestapelt ist. Die Oberflächenausdehnung der ersten Elektrodenkatalystorschicht 20a und die Oberflächenausdehnung der ersten Gasdiffusionsschicht 20 sind die gleichen, und sind gleich oder kleiner als die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembran 18.
Die Kathode 22 enthält eine zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a, die mit einer Oberfläche 18b der Festpolymerelektrolytmembran 18 verbunden ist, sowie eine zweite Gasdiffusionsschicht 22b, die auf die zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a gestapelt ist, die zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a steht vom Außenende 22be der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b nach außen vor. Die Oberflächenausdehnung der der zweiten Elektrodenkatalystorschicht 22a ist größer als die Oberflächenausdehnung der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b, und kleiner als die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembran 18. Die zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a ist so vorgesehen, dass sie die Festpolymerelektrolytmembran 18 in Dickenrichtung der Festpolymerelektrolytmembran 18 an einer später beschriebenen Lücke CL (siehe 3) abdeckt (oder darauf vorgesehen ist). Da die Festpolymerelektrolytmembran 18 an der Lücke CL nicht freiliegt, wird die Festpolymerelektrolytmembran 18 geschützt und wird die Festpolymerelektrolytmembran 18 verstärkt.
Zum Beispiel ist die erste Elektrodenkatalystorschicht 20a durch poröse Kohlenstoffpartikel zusammen mit einem ionenleitfähigen Polymer-Bindemittel gebildet, das gleichmäßig auf einer Oberfläche 18a der Festpolymerelektrolytmembran 18 aufgelagert ist. Platinlegierung ist an den porösen Kohlenstoffpartikeln getragen. Zum Beispiel ist die zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a durch poröse Kohlenstoffpartikel zusammen mit einem ionenleitfähigen Polymer-Bindemittel gebildet, das gleichmäßig auf die Oberfläche 18b der Festpolymerelektrolytmembran 18 aufgelagert ist. Auf den porösen Kohlenstoffpartikeln ist Platinlegierung getragen.
Die erste Gasdiffusionsschicht 20b enthält eine mikroporöse Schicht 20b(m), die porös ist und elektrisch leitfähig ist, sowie eine Kohlenstoffschicht 20b(c), wie etwa Kohlepapier oder Kohlenstofftuch. Die zweite Gasdiffusionsschicht 22b enthält eine mikroporöse Schicht 22b(m) und eine Kohlenstoffschicht 22b(c), wie etwa Kohlepapier oder Kohlenstofftuch. Die Oberflächenausdehnung der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der ersten Gasdiffusionsschicht 20b. Die erste Elektrodenkatalystorschicht 20a und die zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a sind auf beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembran 18 ausgebildet. Die mikroporösen Schichten 20b(m), 22b(m) sollten bei Bedarf verwendet werden und können auch nicht verwendet werden.
Wie in 3 gezeigt, sind für die Anode 20 die Dicke t1 der ersten Elektrodenkatalystorschicht 20a, die Dicke t2 der mikroporösen Schicht 20b(m) und die Dicke t3 der Kohlenstoffschicht 20b(c) bestimmt. Für die Anode 22 sind die Dicke t4 der zweiten Elektrodenkatalystorschicht 22a, die Dicke t5 der mikroporösen Schicht 22b(m) und die Dicke t6 der Kohlenstoffschicht 22b(c) bestimmt.
Diese Dicken t1 bis t6 erfüllen die folgende Beziehung: t3 oder t6 > t4 > t2 oder t5 > t1.
Insbesondere liegt die Dicke t1 im Bereich von 2µm bis 10µm, liegen die Dicken t2 und t5 im Bereich von 10µm bis 40µm, liegen die Dicken t3 und t4 im Bereich von 100µm bis 300µm, und liegt die Dicke t4 im Bereich von 10µm bis 40µm.
Das Biegeelastizitätsmodul ist so bestimmt, dass es die folgende Beziehung erfüllt: Kohlenstoffschicht 20b(c) oder Kohlenstoffschicht 22b(c) > zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a ≥ mikroporöse Schicht 20b(m) oder mikroporöse Schicht 22b(m) > erste Elektrodenkatalystorschicht 20a.
Die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10 ist um die Festpolymerelektrolytmembran 18 herum ausgebildet und enthält ein Kunststoffrahmenelement 24, das mit der Anode 20 und der Kathode 22 verbunden ist. Anstatt des Kunststoffrahmenelements 24 kann auch ein Kunststoff-Film, etc., mit einer gleichmäßigen Dicke verwendet werden.
Zum Beispiel ist das Kunststoffrahmenelement 24 hergestellt aus PPS (Polyphenylensulfid), PPA (Polyphthalamid), PEN (Polyethylennaphthalat), PES (Polyethersulfon), LCP (Flüssigkristallpolymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid), Silikonharz, Fluorharz oder m-PPE-(modifiziertes Polyphenylenether) Harz. Alternativ kann das Kunststoffrahmenelement 24 aus PET (Polyethylennaphthalat), PBT (Polybutylenterephthalat) oder einem modifiziertem Polyolefin hergestellt werden.
Wie in den 1 und 4 gezeigt, ist das Kunststoffrahmenelement 24 rahmenförmig. Wie in den 2 und 3 gezeigt, hat das Kunststoffrahmenelement 24 eine dünnere innere Verlängerung 24a, die durch eine Stufe von einem inneren proximalen Ende 24s des Kunststoffrahmenelements 24 zur Anode 22 hin verlängert ist. Die innere Verlängerung 24a erstreckt sich vom inneren proximalen Ende 24s um eine vorbestimmte Länge einwärts und bedeckt eine äußere Endoberfläche 18be der Festpolymerelektrolytmembran 18. Die innere Verlängerung 24a hat eine innere Endoberfläche 24ae (Innenseiten 24aB, 24aC) mit einem gerundeten Abschnitt (gekrümmten Oberfläche) in ihrer inneren Ecke.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Kunststoffvorsprung 24t einstückig mit dem Kunststoffrahmenelement 24 benachbart dem inneren proximalen Ende 24s vorgesehen (siehe 2). Wie später beschrieben, wird der Kunststoffvorsprung 24t geschmolzen, und wird der Außenrandabschnitt der ersten Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 mit dem geschmolzenen Kunststoff des Kunststoffvorsprungs 24t imprägniert, um einen rahmenförmigen Kunststoff-Imprägnierabschnitt 27 zu bilden (siehe 2 und 3).
Wie in 5 gezeigt, ist die Innenseite 24aB eine lange innere Seite des Kunststoffrahmenelements 24, die sich in der mit Pfeil B angegebenen Längsrichtung erstreckt. Die Innenseite 24aC ist eine kurze innere Seite des Kunststoffrahmenelements 24, die sich entlang der mit Pfeil C angegebenen Querrichtung erstreckt.
Wie in 2 gezeigt, ist eine Füllkammer 25 zwischen der inneren Verlängerung 24a und der MEA 10a vorgesehen, und eine Klebstoffschicht 26 ist in der Füllkammer 25 ausgebildet. Als die Klebstoffschicht 26 ist zum Beispiel eine flüssige Dichtung oder Heißschmelzklebstoff vorgesehen. Der Klebstoff ist nicht auf flüssigen oder festen Klebstoff beschränkt, und ist nicht auf thermoplastischen oder thermohärtenden Kunststoff beschränkt.
Wie in 5 gezeigt, ist die Lücke CL zwischen dem Außenende 22be der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b und den Innenseiten 24aB, 24aC (der inneren Endoberfläche 24ae) der inneren Verlängerung 24a ausgebildet. Die Innenseiten 24aB, 24aC sind jeweils um einen Abstand S vom Außenende 22be der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b angeordnet. Die Breite der Lücke CL ist gleich dem Abstand S in jeder der Innenseiten 24aB, 24aC. Jedoch kann die Lücke CL auch unterschiedliche Breiten in den jeweiligen Innenseiten 24aB, 24aC aufweisen. Die zweite Elektrodenkatalystorschicht 22a enthält einen rahmenförmigen Außenrandabschnitt 22aR, der an der Lücke CL vorgesehen ist (siehe 2 und 5). Der rahmenförmige Außenrandabschnitt 22aR erstreckt sich außerhalb vom Außenende 22be der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b. Der rahmenförmige Außenrandabschnitt 22aR und die innere Verlängerung 24a enthalten Abschnitte, die in der Stapelrichtung einander überlappen. Der rahmenförmige Außenrandabschnitt 22aR enthält einen Abschnitt, der mit einem Innenumfangsabschnitt der inneren Verlängerung 24a überlappt, wenn man in der Stapelrichtung blickt, und der rahmenförmige Außenrandabschnitt 22aR ist zwischen der Festpolymerelektrolytmembran 18 und der Klebstoffschicht 26 geschichtet.
Beim Herstellungsprozess der zweiten Elektrodenkatalystorschicht 22a entstehen in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt 22aR unvermeidlich zahlreiche Brüche 28 (siehe 5). Die Bruchdichte der Brüche 28 hat einen vorbestimmten Wert, und das Intervall zwischen den Brüchen 28 ist ein vorbestimmtes Intervall oder mehr. Die Bruchdichte bezeichnet die Anzahl von Brüchen 28, die sich in einer vorbestimmten Flächeneinheit befindet. Das Intervall zwischen den Brüchen 28 ist der kürzeste Abstand zwischen den Brüchen 28, unabhängig von den Formen oder Abmessungen der Brüche 28.
Insbesondere beträgt die Bruchdichte 30 Brüche/mm² oder weniger, bevorzugt 20 Brüche/mm² oder weniger, und besonders bevorzugt 13 Brüche/mm² oder weniger. Das Intervall zwischen den Brüchen 28 beträgt 0,06mm oder mehr, bevorzugt 0,07mm oder mehr und besonders bevorzugt 0,08mm oder mehr.
Wie in 5 gezeigt, sind mehrere Brüche 28c, 28b in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt 22aR ausgebildet. Die Brüche 28c werden in einem kurzen Abschnitt 22aRc des rahmenförmigen Außenrandabschnitts 22aR ausgebildet, der sich in der mit Pfeil C angegebenen Richtung erstreckt, und Brüche 28b werden in einem langen Abschnitt 22aRb des rahmenförmigen Außenrandabschnitts 22aR ausgebildet, der sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung erstreckt. Die Brüche 28b, 28c bilden sich während des Herstellungsprozesses der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 22a.
Wie in 6 gezeigt, werden in dem kurzen Abschnitt 22aRc Brüche 28c1, 28c2, etc., mit unterschiedlichen Formen, als die Brüche 28c, ausgebildet. Der Bruch 28c1 hat eine Länge Lb1 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung, und hat eine Länge Lc1 in der mit Pfeil C angegebenen Richtung.
Der Bruch 28c2 hat eine Länge Lb2 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung und eine Länge Lc2 in der mit Pfeil C angegebenen Richtung. Die Längen Lc1, Lc2 der Brüche 28c1, 28c2 entlang der Innenseite 24aC des Kunststoffrahmenelements 24 haben einen vorbestimmten Wert oder weniger. Insbesondere beträgt der vorbestimmte Wert 300µm oder weniger, und bevorzugt 120µm oder weniger.
Wie in 7 gezeigt, werden in dem langen Abschnitt 2aRb Brüche 28b1, 28b2, etc., mit unterschiedlichen Formen, als die Brüche 28b ausgebildet. Der Bruch 28b1 hat eine Länge Lb3 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung und hat eine Länge Lc3 in der mit Pfeil C angegebenen Richtung. Der Bruch 28b2 hat eine Länge Lb4 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung und hat eine Länge Lc4 in der mit Pfeil C angegebenen Richtung. Die Längen Lb3, Lb4 der Brüche 28b1, 28b2 entlang der Innenseite 24aB des Kunststoffrahmenelements 24 hat einen vorbestimmten Wert oder weniger. Insbesondere beträgt der vorbestimmte Wert 300µm oder weniger, und bevorzugt 120µm oder weniger.
In 2 liegt der Abstand S im Bereich von 0,5mm bis 1,2mm, und besonders bevorzugt im Bereich von 0,6mm bis 1,0mm. Der Abstand S ist die Breite der Lücke CL, die eine Rahmenform aufweist.
Wie in 3 gezeigt, ist der rahmenförmige Abschnitt CLr, der zur Lücke CL der Anode 20 weist, in der Dickenrichtung der MEA 10a vorgesehen, welche mit Pfeil A angegeben ist. Der Abschnitt CLr hat eine Fläche, die die Lücke CL mit dem Abstand S überdeckt, und die Abmessung des Abschnitts CLr (in der mit Pfeil C angegebenen Richtung) ist größer als der Abstand S, zum Beispiel um 1,0mm bis 2,0mm (Breite). Die Festpolymerelektrolytmembran 18 und die erste Elektroden-Katalysatorschicht 20a sind so konfiguriert, dass sie mit einer Dichtkraft von 0,2N/mm oder mehr aneinander abgedichtet werden.
Insbesondere werden die Last und die Temperatur zum Heißpressen der Festpolymerelektrolytmembran 18 und der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a eingestellt. Wenn die Last größer wird, wird die Dichtkraft größer. Wenn die Temperatur höher wird, wird die Dichtkraft größer. Ferner wird die Menge der Ionenaustauscher-Komponente für den Kohlenstoff tragenden Katalysator in der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a eingestellt. Wenn die Menge der Ionenaustauscher-Komponente zunimmt, wird die Dichtkraft größer.
In dem Abschnitt CLr werden die Position P1 der Verbindung der Festpolymerelektrolytmembran 18 mit der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 22a, und die Position P2 der Verbindung der Festpolymerelektrolytmembran 18 mit der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a bestimmt. Ferner werden für den Abschnitt CLr die Position P3 der Verbindung der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a mit der mikroporösen Schicht 20b(m) und die Position P4 der Verbindung der mikroporösen Schicht 20b(m) mit der Kohlenstoffschicht 20b(c) bestimmt. Die Verbindungsfestigkeiten an den Verbindungspositionen P1 bis P4 werden so bestimmt, dass sie die folgende Beziehung erfüllen: P1 < P2 < P3 < P4.
Wie in 1 gezeigt, sind, am einen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der mit Pfeil B angegebenen horizontalen Richtung, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a, ein Kühlmittelzuführkanal 32a sowie ein Brenngasabführkanal 34b vorgesehen. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a, der Kühlmittelzuführkanal 32a und der Brenngasabführkanal 34b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der mit Pfeil A angegebenen Stapelrichtung. Das sauerstoffhaltige Gas wird durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a zugeführt, und das Kühlmittel wird durch den Kühlmittelzuführkanal 32a zugeführt. Ein Brenngas, wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, wird durch den Brenngasabführkanal 34b abgegeben. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a, der Kühlmittelzuführkanal 32a und der Brenngasabführkanal 34b sind in der mit Pfeil C angegebenen vertikalen Richtung angeordnet.
Am anderen Ende der Stromerzeugungszelle 12 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung sind ein Brenngaszuführkanal 34a zum Zuführen des Brenngases, ein Kühlmittelabführkanal 32b zum Abführen des Kühlmittels sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen. Der Brenngaszuführkanal 34a, der Kühlmittelabführkanal 32b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b erstrecken sich durch die Stromerzeugungszelle 12 in der mit Pfeil A angegebenen Richtung. Der Brenngaszuführkanal 34a, der Kühlmittelabführkanal 32b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b sind in der mit Pfeil C angegebenen Richtung angeordnet.
Der zweite Separator 16 hat auf seiner zur mit Kunststoffrahmen ausgestatteten Membranelektrodenanordnung 10 ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b verbunden. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 erstreckt sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung.
Der erste Separator 14 hat auf seiner zur mit Kunststoffrahmen ausgestatteten Membranelektrodenanordnung 10 weisenden Oberfläche 14a ein Brenngasfließfeld 38. Das Brenngasfließfeld 38 ist mit dem Brenngaszuführkanal 34a und dem Brenngasabführkanal 34b verbunden. Das Brenngasfließfeld 38 erstreckt sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung. Der Zufuhrdruck des Brenngases, das durch das Brenngasfließfeld 38 fließt, ist größer als der Zufuhrdruck vom sauerstoffhaltigen Gas, das durch das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 fließt. In der MEA 10a kann die Druckdifferenz zwischen der Anode 20 und der Kathode 22 (Druckdifferenz zwischen den Elektroden) durch die unterschiedlichen Zufuhrdrücke der Reaktionsgase erzeugt werden.
Ein Kühlmittelfließfeld 40 ist zwischen einer Oberfläche 14b des ersten Separators 14 und einer Oberfläche 16b des zweiten Separators 16 ausgebildet. Das Kühlmittelfließfeld 40 ist mit dem Kühlmittelzuführkanal 32a und dem Kühlmittelabführkanal 32b verbunden. Das Kühlmittelfließfeld 40 erstreckt sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein erstes Dichtungselement 42 integriert mit den Oberflächen 14a, 14b des ersten Separators 14 um das Außenende des ersten Separators 14 herum ausgebildet. Ein zweites Dichtungselement 44 ist integriert mit den Oberflächen 16a, 16b des zweiten Separators 16 um das Außenende des zweiten Separators 16 herum ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt, enthält das erste Dichtungselement 42 eine erste Rippendichtung 42a, die das Kunststoffrahmenelement 24 des mit einer Membranelektrodenanordnung ausgestatteten Kunststoffrahmens 10 kontaktiert, sowie eine zweite Rippendichtung 42b, die das zweite Dichtungselement 44 des zweiten Separators 16 kontaktiert. Die Oberfläche des zweiten Dichtungselements 44, die die zweite Rippendichtung 42b kontaktiert, bildet eine Flachdichtung mit einer flachen Oberfläche, die sich entlang der Separatoroberfläche erstreckt. Es sollte angemerkt werden, dass anstelle der zweiten Rippendichtung 42b auch eine Rippendichtung (nicht gezeigt) in dem zweiten Dichtungselement 44 vorgesehen sein kann.
Das erste Dichtungselement 42 und das zweite Dichtungselement 44 ist jeweils ein elastisches Dichtungselement, das aus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterial oder Packungsmaterial hergestellt ist, wie etwa EPDM (Ethylenpropylendien-Monomer)-Gummi, NBR (Nitrilbutadien-Gummi), Fluorgummi, Silikongummi, Fluorosilikongummi, Butylgummi, Naturgummi, Styrolgummi, Chloropren-Gummi oder Acrylgummi.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der mit Kunststoffrahmen ausgestatteten Membranelektrodenanordnung 10 beschrieben.
Zuerst wird die MEA 10a hergestellt, und dann wird das Kunststoffrahmenelement 24 durch Spritzguss mittels einer Form (nicht gezeigt) ausgebildet. In der MEA 10a wird eine Schlämme als Gemisch von Ruß und PTFE (Polytetrafuorethylen)-Partikeln auf die flache Oberfläche des Kohlepapiers aufgetragen und getrocknet, um eine mikroporöse Schicht 20b(m) als Unterlageschicht zu bilden.
Die Kohlenstoffschicht 20b(c) wird mit der mikroporösen Schicht 20b(m) verbunden, um die erste Gasdiffusionsschicht 20b zu bilden. Ähnlich wird die mikroporöse Schicht 22b(m) gebildet, und wird die Kohlenstoffschicht 22b(c) mit der mikroporösen Schicht 22b(m) verbunden, um die zweite Gasdiffusionsschicht 22b zu bilden.
Unterdessen wird, nachdem ein Lösungsmittel zu dem Elektrodenkatalystor hinzugefügt wurde, als ionenleitfähige Bindemittellösung, zum Beispiel eine Lösung einer Perfluoralkylensulfonsäure-Polymerverbindung hinzugefügt. Dann wird das Lösungsmittel hinzugefügt, bis die Viskosität eine vorbestimmte Tinten-Viskosität erreicht, um Anodentinte und Kathodentinte zu erzeugen.
Dann wird die Anodentinte durch Siebdruck auf einen PET-Film aufgetragen und durch Erhitzen getrocknet, um ein Anoden-Blatt zu bilden, das die erste Elektroden-Katalysatorschicht 20a aufweist. Die Oberflächenausdehnung der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a ist gleich der Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembran 18.
Ähnlich wird die Kathodentinte durch Siebdruck auf den PET-Film aufgetragen und durch Erhitzen getrocknet, um ein Kathoden-Blatt zu bilden, das die zweite Elektroden-Katalysatorschicht 22a aufweist. Die Oberflächenausdehnung der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 22a ist kleiner als die Oberflächenausdehnung der Festpolymerelektrolytmembran 18.
Dann wird in dem Zustand, wo die Festpolymerelektrolytmembran 18 zwischen dem Anoden-Blatt und dem Kathoden-Blatt geschichtet ist, eine Heißpressung durchgeführt. Dann wird durch Abschälen des PET-Films die katalysatorbeschichtete Membran (CCM) gebildet. Dann wird die CCM zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht 20b und der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b geschichtet, und diese Komponenten werden durch Heißpressen miteinander verbunden, um die MEA 10a zu bilden.
Dann wird Klebstoff auf die äußere Endoberfläche 18be der Festpolymerelektrolytmembran 18 zum Beispiel mittels eines Spenders (nicht gezeigt) aufgetragen. In dem Zustand, wo der Klebstoff auf die äußere Endoberfläche 18be der Festpolymerelektrolytmembran 18 aufgetragen ist, wird der Verbindungsabschnitt der äußeren Endoberfläche 18be der Festpolymerelektrolytmembran 18 mit der inneren Verlängerung 24a des Kunststoffrahmenelements 24 erhitzt und gepresst. Im Ergebnis härtet der Klebstoff aus, um eine Klebstoffschicht 26 zu bilden.
Dann wird der Kunststoffvorsprung 24t des Kunststoffrahmenelements 24 erhitzt und in einer Form (nicht gezeigt) gepresst, welche den Kunststoffvorsprung 24t kontaktiert. Als Erhitzungsverfahren können Laser-Heizen, Infrarot-Heizen, Impuls-Heizen, Heizer-Heizen, etc., verwendet werden. Daher wird der Kunststoffvorsprung 24t durch das Erhitzen geschmolzen, und die erste Gasdiffusionsschicht 20b der Anode 20 wird mit dem geschmolzenen Harz des Kunststoffvorsprungs 24t imprägniert, um den Kunststoff-Imprägnierabschnitt 27 herzustellen. Auf diese Weise wird der mit einer Membranelektrodenanordnung ausgestattete Kunststoffrahmen 10 hergestellt.
Wie in 2 gezeigt, ist die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10 zwischen dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16 geschichtet. Der zweite Separator 16 kontaktiert die innere Verlängerung 24a des Kunststoffrahmenelements 24. Der zweite Separator 16 und der erste Separator 14 übertragen die Last auf die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10. Ferner werden eine vorbestimmte Anzahl der Stromerzeugungszellen 12 aufeinander gestapelt, und wird eine Dichtziehlast auf Komponenten zwischen den Endplatten (nicht gezeigt) ausgeübt.
Nachfolgend wird der Betrieb der Stromerzeugungszelle 12 mit der obigen Struktur beschrieben.
Zuerst wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges Gas dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a zugeführt, und wird ein Brenngas, wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, dem Brenngaszuführkanal 34a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel, wie etwa reines Wasser, Ethylenglykol oder Öl, dem Kühlmittelzuführkanal 32a zugeführt.
Somit fließt das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 30a zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 36 des zweiten Separators 16. Das sauerstoffhaltige Gas bewegt sich in der mit Pfeil B angegebenen Richtung, und das sauerstoffhaltige Gas wird der Kathode 22 der MEA 10a zugeführt. Unterdessen wird das Brenngas von dem Brenngaszuführkanal 34a dem Brenngasfließfeld 38 des ersten Separators 14 zugeführt. Das Brenngas fließt entlang dem Brenngasfließfeld 38 in der mit Pfeil B angegebenen Richtung, und das Brenngas wird der Anode 20 der MEA 10a zugeführt.
Somit werden in jeder MEA 10a das der Kathode 22 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 20 zugeführte Brenngas durch elektrochemische Reaktionen in der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 22a und der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a partiell verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
Dann wird das an der Kathode 22 teilweise verbrauchte sauerstoffhaltige Gas entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 30b in der mit Pfeil A angegebenen Richtung abgeführt. Ähnlich wird das an der Anode 20 teilweise verbrauchte Brenngas entlang dem Brenngasabführkanal 34b in der mit Pfeil A angegebenen Richtung abgeführt.
Ferner wird das dem Kühlmittelzuführkanal 32a zugeführte Kühlmittel in das Kühlmittelfließfeld 40 zwischen dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16 geleitet. Dann fließt das Kühlmittel in der mit Pfeil B angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel die MEA 10a gekühlt hat, wird das Kühlmittel von dem Kühlmittelabführkanal 32b abgeführt.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung beträgt die Bruchdichte der Brüche 28 30 Brüche/mm² oder weniger, bevorzugt 20 Brüche/mm² oder weniger und besonders bevorzugt 13 Brüche/mm² oder weniger. In dieser Hinsicht zeigt 8 die Beziehung zwischen der Bruchdichte und der Zunahmerate in der auf die Festpolymerelektrolytmembran 18 einwirkenden Belastung (Belastungszunahmerate). Wenn die Bruchdichte 30 Brüche/mm² überschreitet, steigt die Belastungszunahmerate scharf an, und kann in der Festpolymerelektrolytmembran 18 eine Belastungskonzentration auftreten. Wenn die Bruchdichte 20 Brüche/mm² beträgt, ist die Belastungszunahmerate sehr klein. Wenn ferner die Bruchdichte 13 Brüche/mm² oder weniger beträgt, hat die Belastungszunahmerate einen im Wesentlichen konstanten Wert. Die Belastungszunahmerate ist nicht von den Materialcharakteristiken der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a und der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 22a abhängig.
Ferner beträgt in der Ausführung der vorliegenden Erfindung das Intervall zwischen den Brüchen 28 0,06mm oder mehr, bevorzugt 0,07mm oder mehr, und besonders bevorzugt 0,08mm oder mehr. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Bruchintervall und der Belastungszunahmerate der Festpolymerelektrolytmembran 18. Wenn das Intervall zwischen den Brüchen 28 0,06mm oder weniger beträgt, steigt die Belastungszunahmerate scharf an, und in der Festpolymerelektrolytmembran 18 kann eine Belastungskonzentration auftreten. Wenn das Bruchintervall 0,07mm oder mehr beträgt, ist die Belastungszunahmerate relativ gering. Wenn das Bruchintervall 0,08mm oder mehr beträgt, hat die Belastungszunahmerate einen im Wesentlichen konstanten Wert. Die Belastungszunahmerate ist nicht von den Materialcharakteristiken der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a und der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 22a abhängig.
Wie oben beschrieben, ist die Ausführung der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass sie eine kleine Bruchdichte hat und ein großes Bruchintervall hat. Wenn, anders als in der Ausführung der vorliegenden Erfindung, die Bruchdichte groß ist und das Bruchintervall klein ist, wird die Funktion der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht 22a (des rahmenförmigen Außenrandabschnitts 22aR) entsprechend der Lücke CL als Stützkörper verschlechtert. Daher kann in der Festpolymerelektrolytmembran 18 eine Belastungskonzentration auftreten.
Wie oben beschrieben, wird in der Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran 18, die ein relativ geringes Elastizitätsmodul aufweist, geeignet unterdrückt, und es wird vorteilhaft möglich, eine mechanische Verschlechterung der Festpolymerelektrolytmembran 18 zu verhindern. Ferner ist es möglich, eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran 18 aufgrund von Ausdehnung oder Kontraktion der Festpolymerelektrolytmembran 18 zu verhindern.
Ferner haben in der Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie in 6 gezeigt, die Längen Lc1, Lc2 der Brüche 28c1, 28c2 entlang den kurzen Innenseiten 24aC des Kunststoffrahmenelements 24 einen vorbestimmten Wert oder weniger. Insbesondere ist der vorbestimmte Wert 300µm oder weniger, und bevorzugt 120µm oder weniger. Wie in 7 gezeigt, haben die Längen Lb3, Lb4 der Brüche 28b1, 28b2 entlang der inneren langen Seite 24aB des Kunststoffrahmenelements 24 einen vorbestimmten Wert oder weniger. Insbesondere ist der vorbestimmte Wert 300µm oder weniger und bevorzugt 120µm oder weniger.
Dann zeigt 10 die Beziehung zwischen der Bruchlänge und der Abnahmerate in der auf die Festpolymerelektrolytmembran 18 einwirkenden Belastung (Belastungsabnahmerate). Wenn die Bruchlänge kürzer wird, wird die Belastungsabnahme groß (Abnahmerate wird klein). Wenn die Bruchlänge 300µm oder weniger wird, wird die Belastungsabnahme merklich. Wenn ferner die Bruchlänge 120µm oder weniger wird, wird die Belastungsabnahme signifikant.
Wie in 2 gezeigt, besteht in der MEA 10a bei Vorhandensein der Lücke CL eine Tendenz, dass eine Last, die aus der Druckdifferenz zwischen den Elektroden resultiert, von der Anode 20 auf die Kathode 22 einwirkt. Ferner wird die Festpolymerelektrolytmembran 18 durch Ausdehnung oder Kontraktion, im Vergleich zu anderen Elemente, tendenziell leicht verformt.
Insbesondere ist in der Ausführung der vorliegenden Erfindung die Länge Lc1, Lc2 der Brücke 28c1, 28c2 entlang der Innenseite 28aC des Kunststoffrahmenelements 24 300µm oder weniger (siehe 6). Ferner ist die Länge Lb3, Lb4 der Brüche 28b1, 28b2 entlang der Innenseite 24aB des Kunststoffrahmenelements 24 300µm oder weniger (siehe 7).
Daher wird die Belastungsabnahmerate durch die Längen Lc1, Lc2, Lb3 und Lb4 nicht signifikant beeinflusst. Es genügt daher, die Werte der Längen Lc1, Lc2, Lb3 und Lb4 zu begrenzen. Dies ist so, weil der Verformungsbetrag der Festpolymerelektrolytmembran 18 bei den Längen Lc1, Lc2, Lb3 und Lb4 groß ist, und die Belastungsabnahmerate durch die Längen Lc1, Lc2, Lb3 und Lb4 signifikant beeinflusst wird.
Wenn daher eine externe Last auf die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10 einwirkt, kann, durch das Begrenzen der Bruchlänge der in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt 22aR gebildeten Brüche 28c, 28b, das Auftreten einer Belastungskonzentration in der Festpolymerelektrolytmembran 18 verhindert werden.
In der Struktur ist es möglich, eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran 18, die einen relativ geringen Elastizitätsmodul aufweist, geeignet zu unterdrücken und eine mechanische Verschlechterung der Festpolymerelektrolytmembran 18 vorteilhaft zu verhindern. Ferner ist es möglich, eine Verformung der Festpolymerelektrolytmembran 18 aufgrund von Ausdehnung oder Kontraktion der Festpolymerelektrolytmembran 18 zu unterdrücken.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, wie in 3 gezeigt, die Lücke CL zwischen der inneren Endoberfläche 24ae der inneren Verlängerung 24a des Kunststoffrahmenelements 24 und dem Außenende 22be der zweiten Gasdiffusionsschicht 22b ausgebildet. In der Struktur ist es durch Ausbildung der Klebstoffschicht 26 an der Lücke CL möglich, die MEA 10a und das Kunststoffrahmenelement 24 fest und geeignet zu verbinden.
Ferner sind, in der Dickenrichtung der MEA 10a, an dem zur Lücke CL der Anode 20 weisenden Abschnitt CLr, die Festpolymerelektrolytmembran 18 und die erste Elektroden-Katalysatorschicht 20a so konfiguriert, dass sie mit einer Dichtkraft von 0,2N/mm oder mehr aneinander abgedichtet werden.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Druck (zum Beispiel bis zu angenähert 200kPa) der Zufuhr des der Anode 20 zugeführten Brenngases größer als der Druck des Kathode 22 zugeführten sauerstoffhaltigen Gases. Daher wirkt in der MEA 10a die Last F, die aus der Druckdifferenz zwischen den Elektroden resultiert, tendenziell von der Anode 20 zur Kathode 22 auf den Abschnitt CLr, der zu der Lücke CL weist. Ferner wird die Festpolymerelektrolytmembran 18 aufgrund von Ausdehnung oder Kontraktion tendenziell leicht verformt.
In dieser Hinsicht werden an dem Abschnitt CLr die Festpolymerelektrolytmembran 18 und die erste Elektroden-Katalysatorschicht 20a mit einer Dichtkraft von 0,2N/mm oder mehr aneinander abgedichtet. Daher werden die Festpolymerelektrolytmembran 18 und die erste Elektroden-Katalysatorschicht 20a fest fixiert. Somit ist es mit der einfachen Struktur möglich, die Abdichtkraft zum Abdichten der zur Lücke CL weisenden Festpolymerelektrolytmembran 18 mit der ersten Elektroden-Katalysatorschicht 20a geeignet zu verbessern.
Wenn in der Struktur die Last F auf die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung 10 einwirkt, wird eine Verformung der zur Lücke CL weisenden Festpolymerelektrolytmembran 18 zuverlässig verhindert. Daher kann eine mechanische Verschlechterung der Festpolymerelektrolytmembran 18 vorteilhaft verhindert werden. Ferner ist es möglich, eine Verschlechterung der Festpolymerelektrolytmembran aufgrund von Kontraktion oder Ausdehnung der Festpolymerelektrolytmembran 18 zu vermeiden.
Eine mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung (10) enthält eine MEA (10a), deren Komponenten unterschiedliche Abmessungen haben, und ein Kunststoffrahmenelement (24). Eine Lücke (CL) ist zwischen einem Außenende (22be) einer zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) und einer inneren Verlängerung (24a) ausgebildet. Die zweite Elektrodenschicht (22a) hat einen rahmenförmigen Außenrandabschnitt (22aR), der an der Lücke (CL) vorgesehen ist. Die Druchdichte von Brüchen (28) des rahmenförmigen Außenrandabschnitts (22aR) beträgt 30 Brüche/mm² oder weniger, und das Intervall zwischen den Brüchen (28) beträgt 0,06mm oder mehr.

Claims

Mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung (10) für eine Brennstoffzelle, welche aufweist: eine MEA (10a), enthaltend eine erste Elektrode (20) auf einer Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), und eine zweite Elektrode (22) auf der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), wobei die erste Elektrode (20) eine erste Elektroden-Katalysatorschicht (20a) und eine erste Gasdiffusionsschicht (20b) enthält, wobei die zweite Elektrode (22) eine zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) und eine zweite Gasdiffusionsschicht (22b) enthält, wobei eine Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode (20) größer ist als eine Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode (22); und ein Kunststoffrahmenelement (24), das die Festpolymerelektrolytmembran (18) umgibt, wobei das Kunststoffrahmenelement (24) eine innere Verlängerung (24a) aufweist, die zur zweiten Elektrode (22) hin verlängert ist; eine Lücke (CL) zwischen einem Außenende (22be) der zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) und einem Innenende der inneren Verlängerung (24a) ausgebildet ist; die zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) an der Lücke (CL) einen rahmenförmigen Außenrandabschnitt (22aR) aufweist, der sich vom Außenende (22be) der zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) auswärts erstreckt; und eine Bruchdichte von Brüchen (28), die in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt (22aR) gebildet sind, 30 Brüche/mm² oder weniger beträgt, und das Intervall zwischen den Brüchen (28) 0,06mm oder mehr beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Verlängerung (24a) in Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung (10) mit Abstand von der zweiten Elektrode (22) angeordnet ist.
Mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung (10) für eine Brennstoffzelle, welche aufweist: eine MEA (10a), enthaltend eine erste Elektrode (20) auf einer Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), und eine zweite Elektrode (22) auf der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), wobei die erste Elektrode (20) eine erste Elektroden-Katalysatorschicht (20a) und eine erste Gasdiffusionsschicht (20b) enthält, wobei die zweite Elektrode (22) eine zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) und eine zweite Gasdiffusionsschicht (22b) enthält, wobei eine Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode (20) größer ist als eine Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode (22); und ein Kunststoffrahmenelement (24), das die Festpolymerelektrolytmembran (18) umgibt, wobei das Kunststoffrahmenelement (24) eine innere Verlängerung (24a) aufweist, die zur zweiten Elektrode (22) hin verlängert ist; eine Lücke (CL) zwischen einem Außenende (22be) der zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) und einem Innenende der inneren Verlängerung (24a) ausgebildet ist; die zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) an der Lücke (CL) einen rahmenförmigen Außenrandabschnitt (22aR) aufweist, der sich vom Außenende (22be) der zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) auswärts erstreckt; und die Länge von Brüchen (28, 28b, 28c), die in dem rahmenförmigen Außenrandabschnitt (22aR) entlang einer Innenseite des Kunststoffrahmenelements (24) ausgebildet sind, 300pm oder weniger beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Verlängerung (24a) in Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung (10) mit Abstand von der zweiten Elektrode (22) angeordnet ist.
Mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung (10) für eine Brennstoffzelle, welche aufweist: eine MEA (10a), enthaltend eine erste Elektrode (20) auf einer Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), und eine zweite Elektrode (22) auf der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (18), wobei die erste Elektrode (20) eine erste Elektroden-Katalysatorschicht (20a) und eine erste Gasdiffusionsschicht (20b) enthält, wobei die zweite Elektrode (22) eine zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) und eine zweite Gasdiffusionsschicht (22b) enthält, wobei eine Oberflächenausdehnung der ersten Elektrode (20) größer ist als eine Oberflächenausdehnung der zweiten Elektrode (22); und ein Kunststoffrahmenelement (24), das um die Festpolymerelektrolytmembran (18) herum vorgesehen ist, wobei das Kunststoffrahmenelement (24) eine innere Verlängerung (24a) aufweist, die zur zweiten Elektrode (22) hin verlängert ist; eine Lücke (CL) zwischen einem Außenende (22be) der zweiten Gasdiffusionsschicht (22b) und einem Innenende der inneren Verlängerung (24a) ausgebildet ist; und in Dickenrichtung der MEA (10a) an einen zur Lücke (CL) der ersten Elektrode (20) weisenden Abschnitt, die Festpolymerelektrolytmembran (18) und die erste Elektroden-Katalysatorschicht (20a) so konfiguriert sind, dass sie durch eine Dichtkraft von 0,2N/mm oder mehr aneinander abgedichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Verlängerung (24a) in Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung (10) mit Abstand von der zweiten Elektrode (22) angeordnet ist.
Die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung (10) für die Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die zweite Elektroden-Katalysatorschicht (22a) die Festpolymerelektrolytmembran (18) in Dickenrichtung der Festpolymerelektrolytmembran (18) an der Lücke (CL) überdeckt.
Die mit Kunststoffrahmen ausgestattete Membranelektrodenanordnung (10) für die Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrode (20) eine Anode ist, der Brenngas zugeführt wird, und die zweite Elektrode (22) eine Kathode ist, der sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird; und ein Zufuhrdruck des Brenngases zur ersten Elektrode (20) größer ist als ein Zufuhrdruck des sauerstoffhaltigen Gases zur zweiten Elektrode.