DE112006002510T5

DE112006002510T5 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006002510T5
Application number: DE112006002510T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Toyota Kuwabara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: JP2007087617A; CN101268573A; WO2007034934A1; DE112006002510B4; JP4851761B2; US20090253011A1; CA2622963A1

Abstract

Brennstoffzelle (10), die eine anodenseitige Diffusionsschicht (13), eine anodenseitige Katalysatorschicht (14), eine Elektrolytmembran (11), einen kathodenseitigen Katalysator (17) und eine kathodenseitige Diffusionsschicht (16) einschließt und in dieser Reihenfolge geschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Katalysatorschicht (14) einen Pt-Ru-Katalysator einschließt, und ein Katalysatorschichtabschnitt (14a) der anodenseitigen Katalysatorschicht (14), der von der Elektrolytmembran (11) entfernt ist, und/oder die anodenseitige Diffusionsschicht (13) ein Metallelement (50) mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotentials als Wasserstoff enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die sowohl der Vorbeugung einer Vergiftung eines Pt-Ru-Katalysators durch CO als auch der Vorbeugung einer Kontamination einer Elektrolytmembran Genüge tut.
Stand der Technik
Herkömmlich wird eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle durch Konstruieren einer Elektroden-Membran-Einheit (MEA) hegestellt, indem eine Anode an einer Oberfläche einer Elektrolytmembran und eine Kathode an der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet werden. Die Elektroden-Membran-Einheit (MEA) ist dann sandwichartig von Separatoren umgeben. Wenn Brenngas, das Wasserstoff einschließt, zu der Anode, und gasförmiges Oxidationsmittel, das Sauerstoff einschließt, zu der Kathode, geführt werden, wird der Wasserstoff an der Anode in Wasserstoffionen (d. h. Protonen) und Elektronen umgewandelt. Dann wandern die Wasserstoffionen durch die Elektrolytmembran zu der Kathode, wo sie mit dem zugeführten Sauerstoff und den Elektronen (die an einer Anode der benachbarten MEA erzeugt werden und durch einen Separator zu der Kathode der aktuellen MEA wandern oder die an einer Anode einer Brennstoffzelle erzeugt werden, die an einem ersten Ende eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, und durch einen äußeren elektrischen Stromkreis zu einer Kathode einer Brennstoffzelle wandern, die an einem zweiten, entgegen gesetzten Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist) unter Bildung von Wasser reagieren, wodurch Strom erzeugt wird.
Als Elektrolyt kann eine Ionenaustauschmembran, die eine Sulfonsäuregruppe mit Protonenübertragungsvermögen einschließt, verwendet werden.
Wenn der mittels Dampfreformierung von Methan, Methanol oder Erdgas erhaltene Wasserstoff als Brenngas für die Brennstoffzelle verwendet wird, enthält das reformierte Gas CO. Das CO vergiftet Pt (Platin), das eine Katalysatorkomponente der Anode ist (d. h. eine CO-Schicht um Pt gebildet und die CO-Schicht verhindert das In-Kontakt-Kommen von Wasserstoff mit Pt), wodurch sich die Leistung der Brennstoffzelle verringert. Es ist bekannt, dass, wie in 8 veranschaulicht, Ru (Ruthenium) zu dem Katalysator gegeben wird und der Katalysator in die Form einer Pt-Ru-Legierung 1 umgewandelt und von dem Träger 2 getragen werden kann. Der Katalysator kann wirksam eine Vergiftung von Pt durch CO unterdrücken (da Ru eine Umwandlung von CO zu CO₂ bewirkt).
Da Ru jedoch ein niedrigeres elektrochemisches Standardpotential aufweist als Pt, wandelt sich Ru bei Zunahme des Anodenpotentials infolge einer übermäßig hohen Spannung der Brennstoffzelle auf annähernd das Standardpotential von Ru in Ru² ⁺-Ionen um und schmilzt aus. Als Folge davon nimmt die Menge an Ru ab und der Effekt, der den Katalysator in die Form einer Pt-Ru-Legierung umwandelt (Unterdrückung einer Vergiftung von Pt durch CO), nimmt ebenso ab.
Die japanische Patentveröffentlichung 2001-76742 schlägt vor, zum Unterdrücken einer Vergiftung des Pt-Ru-Katalysators der Anode eine Re (Rhenium) enthaltende Katalysatorschicht an der Anode zu bilden. Da Re ein niedrigeres elektrochemisches Standardpotential als Ru aufweist, beginnt Re bei ansteigendem – Anodenpotential schneller zu schmelzen als Ru, so dass Re als Opferanode fungiert, um ein Schmelzen zu unterdrücken.
Wenn Re ausschmilzt und Re-Ionen (positive Ionen) zu der Elektrolytmembran diffundieren, reagieren die Re-Ionen unter Verschlechtern des Protonenübertragungsvermögens der Sulfonsäuregruppe chemisch mit der Sulfonsäuregruppe der Ionenaustauschmembran, wodurch sich das Protonenübertragungsvermögen der Elektrolytmembran verschlechtert und die Leistung der Brennstoffzelle abnimmt. Anders ausgedrückt kann es, wenn die Katalysatorschicht an der Anode Re (Rhenium) enthält, schwierig sein, sowohl der Unterdrückung einer Vergiftung des Pt-Ru-Katalysators durch CO als auch der Unterdrückung einer Kontamination der Elektrolytmembran Genüge zu tun. Dieses Problem kann mit bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angegangen werden.
Kurzzusammenfassung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die sowohl der Unterdrückung einer Vergiftung des Pt-Ru-Katalysators durch CO als auch der Unterdrückung einer Kontamination einer Elektrolytmembran Genüge tun kann.
Eine Brennstoffzelle gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die das oben beschriebene Problem angehen und die oben beschriebene Aufgabe ausführen können, kann eine anodenseitige Diffusionsschicht, eine anodenseitige Katalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, einen kathodenseitigen Katalysator und eine kathodenseitige Diffusionssicht, die in der Reihenfolge geschichtet sind, einschließen. In der Brennstoffzelle kann die anodenseitige Katalysatorschicht einen Pt-Ru-Katalysator und einen Katalysatorschichtabschnitt der anodenseitigen Katalysatorschicht, der von der Elektrolytmembran entfernt ist, einschließen und/oder die anodenseitige Diffusionsschicht kann ein Metallelement einschließen, das ein niedrigeres Standardpotential als Ru und ein höheres Standardpotential als Wasserstoff besitzt.
Bevorzugt ist das Metallelement ein Metallelement, dessen Standardpotential kleiner als 0,46 V und höher als 0,10 V ist.
Bevorzugt ist das Metallelement ein Metallelement, dessen Standardpotential kleiner als 0,46 V und höher als 0,20 V ist.
Bevorzugt ist das Metallelement mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff wenigstens ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cu, Re und Ge.
Bevorzugt ist das Metallelement mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff Cu.
Das Metallelement kann in die anodenseitige Katalysatorschicht und/oder die anodenseitige Diffusionsschicht gemischt sein.
Das Metallelement kann von einem Kohlenstoffpartikel oder einer Kohlenstofffaser der anodenseitigen Diffusionsschicht und/oder einem Katalysatorträger der anodenseitigen Katalysatorschicht getragen werden.
Ein Teil der Brennstoffzelle, in dem das Metallelement enthalten ist, kann irgendeiner der folgenden ersten bis dritten Fälle sein:
In dem ersten Fall ist das Metallelement nur in der anodenseitigen Diffusionsschicht und nicht in der anodenseitigen Katalysatorschicht enthalten.
In dem zweiten Fall ist die kathodenseitige Katalysatorschicht eine einzelne Schicht und das Metallelement ist in dem Katalysatorschichtabschnitt der anodenseitigen Katalysatorschicht, der von der Elektrolytmembran entfernt ist, angeordnet.
In dem dritten Fall ist die anodenseitige Katalysatorschicht eine doppelte Schicht und das Metallelement ist in der Schicht der doppelten anodenseitigen Katalysatorschicht, die von der Elektrolytmembran entfernt ist, angeordnet.
Das Metallelement ist nicht in der kathodenseitigen Katalysatorschicht und in der kathodenseitigen Diffusionsschicht enthalten.
Das Metallelement bildet eine elektrische Verbindung zu Ru über den Kohlenstoff der anodenseitigen Diffusionsschicht (13) und/oder der anodenseitigen Katalysatorschicht.
Gemäß einer Brennstoffzelle anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schmilzt das Metallelement, das mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff bereitgestellt wird, früher aus als Ru, um das Schmelzen von Ru zu unterdrücken, so dass die Unterdrückung einer Vergiftung von Pt durch CO mit Ru beibehalten wird. Da das Metallelement mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff in dem Katalysatorschichtabschnitt der anodenseitigen Katalysatorschicht, der von der Elektrolytmembran entfernt ist, und/oder der anodenseitigen Diffusionsschicht enthalten ist, ist es ferner, wenn das Metallelement in Form von Ionen ausschmilzt, unwahrscheinlich, dass die Ionen des Metallelements zu der Elektrolytmembran gelangen und sich das Protonenübertragungsvermögen der Elektrolytmembran verschlechtert. Als Folge davon kann sowohl der Unterdrückung einer Vergiftung eines Pt-Ru-Katalysators durch CO als auch der Unterdrückung einer Kontamination einer Elektrolytmembran Genüge getan werden.
Als Metallelement mit einem geringeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff kann beispielsweise Cu, Re oder Ge eingesetzt werden.
Die Erfindung kann durch zahlreiche andere Vorrichtungen und Verfahren ausgeführt werden. Die hierin bereitgestellte Beschreibung offenbart in Verbindung mit den beigefügten Figuren Beispiele für die Erfindung. Es sind auch andere Ausführungsformen, die einige oder alle der hierin offenbarten Schritte beinhalten, möglich.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es wird auf die Figuren Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden:
1 ist ein Querschnitt eines Teils einer MEA und einer Diffusionsschicht einer Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Querschnitt eines Teils einer MEA und einer Diffusionsschicht einer Brennstoffzelle gemäß den Ausführungsformen 2 und 3 der vorliegenden Erfindung, in denen eine Katalysatorschicht in eine Schicht, die mit der Elektrolytmembran in Kontakt steht, und eine Schicht, die von der Elektrolytschicht entfernt ist, unterteilt ist, und die beiden Schichten geschichtet sind;
3 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Katalysators, eines Katalysatorträgers und des eingemischten Metallelements in der Katalysatorschicht gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Katalysators, eines Katalysatorträgers und des eingemischten Metallelements in der Katalysatorschicht gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Stapels von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Querschnitt eines Teils des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Vorderansicht der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung; und
8 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Katalysators und eines Katalysatorträgers in einer Katalysatorschicht einer herkömmlichen Brennstoffzelle.
Ausführliche Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 wird eine Brennstoffzelle gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
1 veranschaulicht die Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung; die 2 und 3 veranschaulichen die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung; und die 2 und 4 veranschaulichen die Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Die 5 bis 7 sind auf alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar. Strukturelemente, die allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemeinsam sind, sind in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit den gleichen Bezugszeichen angegeben.
Unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 werden zunächst Elemente, die allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemeinsam sind, und die technischen Vorteile derselben erläutert.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 10 ist zum Beispiel eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle 10 ist eine nicht-bewegbare Brennstoffzelle, die zu Hause verwendet wird, oder eine Brennstoffzelle, die für ein Kraftfahrzeug verwendet wird.
Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (Brennstoffzelle) 10 schließt einen Schichtaufbau aus einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 19 und einem Separator 18 ein.
Die MEA 19 schließt eine Elektrolytmembran 11, die aus einer Ionenaustauschmembran hergestellt ist, eine erste Elektrode (eine Anode, eine Brennstoffelektrode) 14, die an einer ersten Oberfläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, und eine erste Katalysatorschicht einschließt, und eine zweite Elektrode (eine Kathode, eine Luftelektrode) 17, die an einer zweiten, entgegen gesetzten Oberfläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist und eine zweite Katalysatorschicht einschließt, ein. Eine erste Diffusionsschicht 13 ist zwischen der Anode der MEA und dem Separator 18 angeordnet und eine zweite Diffusionsschicht 16 ist zwischen der Kathode der MEA und dem Separator 18 angeordnet.
Ein Brennstoffzellenmodul wird durch Schichten der MEA 19 und der Separatoren 18 konstruiert (und im Fall eines Brennstoffzellenmoduls entspricht das Brennstoffzellenmodul der Brennstoffzelle). Ein Brennstoffzellenstapel wird durch Schichten von Brennstoffzellenmodulen konstruiert. Ein Brennstoffzellenstapel 23 wird durch Anordnen eines Anschlusselements 20, eines Isolators 21 und einer Abschlussleiste 22 an jedem der entgegen gesetzten Enden des Brennstoffzellenstapels und Befestigen der entgegen gesetzten Abschlussleisten 22 über einen Bolzen und eine Mutter 25 an einem Befestigungselement (zum Beispiel einer Zuglasche 24) konstruiert. Eine Befestigungsbelastung, die in einer Richtung des Schichtaufbaus der Brennstoffzelle wirkt, wird dem Brennstoffzellenstapel durch eine Verstellschraube, die an einer Anschlussleiste 22 angeordnet ist, die an einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, über eine Feder, die zwischen der Verstellschraube und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, auferlegt.
Der Separator 18 ist aus irgendeinem von einem Kohlenstoffseparator, einem Metallseparator, einem Harzseparator, der ein leitfähiges Material enthält, und einer Kombination aus einem Metallseparator und einem Harzrahmen hergestellt.
In einem Strom erzeugenden Bereich ist ein Brenngasdurchlass 27 zum Zuführen von Brenngas (das Wasserstoff einschließt) zu der Anode 14 in dem Separator 18 gebildet und ein Durchlass 28 für gasförmiges Oxidationsmittel zum Zuführen von gasförmigem Oxidationsmittel (das Sauerstoff, gewöhnlich Luft, einschließt) ist in dem Separator 18 gebildet. Das Brenngas kann reformiertes Gas sein, das Wasserstoff einschließt, das mittels Dampfreformierung von Methan, Methanol oder Erdgas erhalten wurde. In dem Fall von reformiertem Gas ist CO in dem reformierten Gas enthalten. Zum Fließen eines Kühlmittels (gewöhnlich Wasser) ist ferner auch ein Kühlmitteldurchlass 26 in dem Separator 18 gebildet. In einem nicht-Stromerzeugenden Bereich sind ein Sammelrohr 30 für das Brenngas, ein Sammelrohr 31 für das gasförmige Oxidationsmittel und ein Sammelrohr 29 für das Kühlmittel in dem Separator 18 gebildet. Das Sammelrohr 30 für das Brenngas ist mit dem Brenngasdurchlass 27 verbunden und das Sammelrohr 31 für das gasförmige Oxidationsmittel mit dem Durchlass 28 für das gasförmige Oxidationsmittel. Das Sammelrohr 29 für das Kühlmittel ist mit dem Kühlmitteldurchlass 26 verbunden.
Das Brenngas, das gasförmige Oxidationsmittel und das Kühlmittel sind in der Brennstoffzelle voneinander abgedichtet. Ein erstes Abdichtungselement (zum Beispiel ein Klebstoff) 33 dichtet eine Lücke zwischen den beiden Separatoren, die die MEA von jedem Brennstoffzellenmodul sandwichartig umgeben, ab und ein zweites Abdichtungselement (zum Beispiel ein Dichtring) 32 dichtet eine Lücke zwischen benachbarten Brennstoffzellenmodulen ab. Das erste Element 33 kann aus einem Dichtring hergestellt sein und das zweite Abdichtungselement 32 kann aus einem Klebstoff hergestellt sein.
An der Anode 14 jeder Brennstoffzelle 10 läuft die Ionisierungsreaktion für die Umwandlung von Wasserstoff in Wasserstoffionen (d. h. Protonen) und Elektronen ab. Dann wandern die Wasserstoffionen durch die Elektrolytmembran 11 zu der Kathode 17, wo die Wasserstoffionen mit dem zugeführten Sauerstoff und den Elektronen (die an der Anode der benachbarten MEA erzeugt werden und durch einen Separator zu der Kathode der aktuellen MEA wandern oder die an einer Anode einer Brennstoffzelle erzeugt werden, die an einem ersten Ende eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, und durch einen äußeren elektrischen Stromkreis zu einer Kathode einer Brennstoffzelle wandern, die an einem zweiten, entgegen gesetzten Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist) unter Bilden von Wasser und Erzeugen von Strom nach den folgenden Gleichungen reagieren: An der Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e^– An der Kathode: 2H⁺ + 2e^– + (1/2) O₂ → H₂O
Die Elektrolytmembran 11 ist aus einer Ionenaustauschmembran hergestellt, die eine Sulfonsäuregruppe einschließt, zum Beispiel eine Ionenaustauschmembran des Perfluorkohlenstoffsulfonsäure-Typs, die das Wandern eines Protons in der Elektrolytmembran 11 veranlasst.
Die Elektroden 14 und 17, die Katalysatorschichten sind, schließen eine Pt-Ru-Legierung 1 als Katalysator, einen Katalysatorträger (zum Beispiel Kohlenstoff) 2 und einen Elektrolyten (bevorzugt das gleiche Material wie das der Elektrolytmembran 11) ein Ru ist zum Vorbeugen oder Unterdrücken einer Vergiftung von Pt durch CO und in Form einer Pt-Ru-Legierung enthalten. Das Verhältnis von Pt zu Ru ist nicht besonders beschränkt, beträgt jedoch bevorzugt ungefähr (90:10) – (30:70) von Pt zu Ru. Die Diffusionsschichten 13 und 16 besitzen Leitfähigkeit, Gasdurchlässigkeit und Wasserdurchlässigkeit und sind zum Beispiel aus Kohlenstofffasern hergestellt.
Ein Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff ist folgendermaßen enthalten:

(a) in der anodenseitigen Diffusionsschicht 13 oder
(b) in der anodenseitigen Diffusionsschicht 13 und einem Katalysatorschichtabschnitt 14a der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt angeordnet ist (in einem Fall, in dem die Katalysatorschicht 14 in einem Abschnitt 14b, der mit der Elektrolytmembran 11 in Kontakt steht, und einen Katalysatorabschnitt 14a, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, unterteilt ist, der Katalysatorabschnitt 14a, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist) oder
(c) in dem Katalysatorschichtabschnitt 14a der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt angeordnet ist.

Es ist bevorzugt, dass das Metallelement 50 in der anodenseitigen Katalysatorschicht 14 und der anodenseitigen Diffusionsschicht 13 enthalten ist, in die wahrscheinlich CO eindringt. Es ist nicht erforderlich, dass die kathodenseitige Katalysatorschicht 17 und die kathodenseitige Diffusionsschicht 16 das Metallelement 50 enthalten.
Das Metallelement 50 bildet eine elektrische Verbindung mit Ru über den in der Diffusionsschicht 13 und/oder der Katalysatorschicht 14 enthaltenen Kohlenstoff.
Das Metallelement 50 ist in Form von feinen Partikeln, Pulvern, feinen Füllstoffen oder feinen Fasern usw. hergestellt.

(a) Das Metallelement 50 kann in die anodenseitige Diffusionsschicht 13 und/oder den Katalysatorschichtabschnitt 14a der Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, gemischt sein (ohne, wie in den 1 und 3 veranschaulicht, von der Katalysatorschicht 2 getragen zu werden) oder
(b) das Metallelement 50 kann von den Kohlenstoffpartikeln und den Kohlenstofffasern der anodenseitigen Katalysatorschicht 14 oder von dem Katalysatorträger 2 (Kohlenstoffpartikel und Kohlenstofffasern) des Katalysatorschichtabschnitts 14a der Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, getragen werden (4).

Beim Mischen des Metallelements 50 in die Katalysatorschicht 14 wird

(a) die Katalysatorschicht 14 in Form einer einzelnen Schicht hergestellt und das Metallelement 50 kann in den Katalysatorschichtabschnitt 14a der einzelnen Katalysatorschicht, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, gemischt werden (1) oder
(b) die Katalysatorschicht in Form einer Doppel-Schicht hergestellt, die einen ersten Katalysatorschichtabschnitt 14a und einen zweiten Katalysatorschichtabschnitt 14b der Katalysatorschicht einschließt, die in verschiedenen Schichten hergestellt und übereinander geschichtet sind, und das Metallelement 50 kann nur in den Katalysatorschichtabschnitt 14a, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, gemischt werden (2).

Das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff (das niedriger als das Standardpotential von Ru, 0,46 V, und höher als das Standardpotential von Wasserstoff, 0 V; stärker bevorzugt niedriger als 0,46 V und höher als 0,10 V; und noch stärker bevorzugt höher als 0,20 V Standardpotential ist) ist wenigstens eines Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cu (Kupfer), Re (Rhenium) und Ge (Germanium). Das Metallelement 50 ist bevorzugt Cu, das das höchste Standardpotential von Cu, Re und Ge besitzt.
Die Standardpotentiale von Pt, Ru, Cu, Re, Ge und H betragen entsprechend 1,32 V (Volt), 0,46 V, 0,337 V, 0,30 V, 0,247 V und 0 V (das Standardpotential von Wasserstoff ist ein Referenz-Standardpotential).
Der Grund dafür, dass der minimale Wert der Standardpotentiale der Metallelemente hoch sein soll ist, dass, wenn das Standardpotential des Metallelements zu niedrig ist, das Metallelement wahrscheinlich ausschmilzt und verloren geht, es kann daher gewünscht sein, einem solchen Vorfall vorzubeugen. Der Grund dafür, dass der maximale Wert der Standardpotentiale der Metallelemente niedriger als 0,46 V sein soll, ist, dass, wenn das Standardpotential des Metallelements gleich oder höher als 0,46 V ist, das Metallelement nicht als Opferanode fungieren wird, um ein Schmelzen von Ru zu unterdrücken.
Als nächstes werden der Betrieb und technische Vorteile, die allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemeinsam sind, beschrieben.
Da das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff vorgesehen ist, fungiert das Metallelement 50 bei signifikanter Zunahme des Anodenpotentials infolge eines übermäßig hohen Anstiegs der Anodenspannung als Opferanode und schmilzt früher aus als Ru, um ein Schmelzen von Ru zu unterdrücken, so dass die Unterdrückung einer Vergiftung von Pt durch CO mittels Ru beibehalten werden kann. Wenn reformiertes Gas, das Wasserstoff enthält, als Brenngas verwendet wird, kann eine Vergiftung von Pt durch CO daher so unterdrückt werden, dass eine ausreichende Spannung des erzeugten Stroms für eine lange Zeit erhalten wird.
Da das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff in der anodenseitigen Diffusionsschicht 13 und/oder dem Katalysatorschichtabschnitt 14a der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, enthalten ist, ist es ferner, wenn das Metallelement 50 in Form von Ionen in Wasser (Wasser zum Befeuchten des Gases und Produktwasser, das durch die Membran 11 gelangt), das mit der Katalysatorschicht 14 und der Diffusionsschicht 13 in Kontakt steht, unwahrscheinlich, dass die Ionen des Metallelements zu der Elektrolytmembran 11 gelangen, da die Katalysatorschicht 14 oder der Katalysatorschichtabschnitt 14b vorgesehen sind, und es ist unwahrscheinlich, dass sich das Protonenübertragungsvermögen der Elektrolytmembran 11 verschlechtert. Als Folge davon kann sowohl der Unterdrückung einer Vergiftung des Pt-Ru-Katalysators 1 durch CO als auch der Unterdrückung einer Kontamination einer Elektrolytmembran 11 mit Metallionen Genüge getan werden.
Als Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff kann beispielsweise Cu, Re oder Ge bereitgestellt werden.
Als nächstes werden Arbeitsabläufe und technische Vorteile, die bei jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einzigartig sind, erläutert.
[Ausführungsform 1] – 1
Wie in 1 veranschaulicht, ist das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff, zum Beispiel Cu, Re oder Ge, das in Form feiner Partikel hergestellt ist, in der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in die anodenseitige Diffusionsschicht 13 gemischt. Die feinen Partikel des Metallelements 50, zum Beispiel Cu, Re oder Ge, können nicht von den Kohlenstoffpartikeln oder den Kohlenstofffasern der Diffusionsschicht 13 getragen sein oder können alternativ von den Kohlenstoffpartikeln oder den Kohlenstofffasern der Diffusionsschicht 13 getragen werden.
Das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff wird nicht in irgendeine der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der kathodenseitigen Diffusionsschicht 16 und der kathodenseitigen Katalysatorschicht 17 gemischt.
Bezüglich des Betriebs und technischen Vorteile der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung kann das Metallelement 50, da es in die anodenseitige Diffusionsschicht 13 gemischt ist, eine elektrische Verbindung zu dem Pt-Ru-Katalysator 1 in der anodenseitigen Katalysatorschicht 14 über den Kohlenstoff in der Diffusionsschicht 13 bilden. Wenn das Anodenpotential ansteigt, fungiert das Metallelement 50 daher als Opferanode und schmilzt in Form von Ionen früher als Ru aus, um ein Schmelzen von Ru des Pt-Ru-Katalysators 1 zu unterdrücken. 1 zeigt, dass Cu, wenn es als Metallelement 50 verwendet wird, in Form von Cu²⁺ schmilzt. Als Folge der Unterdrückung des Schmelzens von Ru kann Ru eine Vergiftung von Pt durch CO für lange Zeit unterdrücken. Das Metallelement 50 kann ferner eine Umwandlung von Ru in Ionen und ein Diffundieren in die Elektrolytmembran 11 unterdrücken, so dass ein Abbau der Elektrolytmembran 11 durch die Ionen (die eine Wanderung der Protonen behindern) und eine Abnahme der Leistung der Brennstoffzelle begrenzt und/oder verhindert werden kann. Selbst wenn sich das Metallelement 50 in Form von Ionen umwandelt und schmilzt, ist es, da die anodenseitige Katalysatorschicht 14 zwischen der anodenseitigen Diffusionsschicht 13 und der Elektrolytmembran vorhanden ist, unwahrscheinlich, dass die Ionen in die Elektrolytmembran 11 diffundieren, so dass das Eintreten eines Abbaus der Elektrolytmembran 11 durch die Ionen unwahrscheinlich ist.
[Ausführungsform 2] – 2 und 3
Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, ist das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff, zum Beispiel Cu, Re oder Ge, das in Form von feinen Partikeln hergestellt ist, in der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung in den Katalysatorschichtabschnitt 14a (in einem Fall, in dem die Katalysatorschicht 14 in den Abschnitt 14b, der mit der Elektrolytmembran 11 in Kontakt steht, und den Katalysatorschichtabschnitt 14a, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, unterteilt ist, den Abschnitt 14a) der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, gemischt. Die feinen Partikel des Metallelements 50, zum Beispiel Cu, Re oder Ge, sind nur eingemischt, ohne von den Kohlenstoffpartikeln oder den Kohlenstofffasern der Katalysatorschicht 14 getragen zu werden. Ein Fall, in dem die feinen Partikel des Metallelements von den Kohlenstoffpartikeln oder den Kohlenstofffasern der Katalysatorschicht 14 getragen sind, wird in Ausführungsform 3 erläutert. Die Katalysatorschichtabschnitte 14a und 14b können verschieden voneinander hergestellt und dann übereinander geschichtet sein (2) oder sie können in einer einzelnen Schicht an einem Abschnitt, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, und an einem Abschnitt, der mit der Elektrolytmembran 11 in Kontakt steht, gebildet sein.
Das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff ist nicht in irgendeines von dem Abschnitt 14b der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der mit der Elektrolytmembran in Kontakt steht, der kathodenseitigen Diffusionsschicht 16 und der kathodenseitigen Katalysatorschicht 17 gemischt. Das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff kann in die anodenseitige Diffusionsschicht 13 gemischt sein oder nicht.
Bezüglich der Arbeitsabläufe und technischen Vorteile der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung fungiert das Metallelement 50, da das Metallelement 50, das in den Katalysatorschichtabschnitt 14a der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, gemischt ist, eine elektrische Verbindung zu dem Pt-Ru-Katalysator 1 in der anodenseitigen Katalysatorschicht 14 über den Kohlenstoff in der Katalysatorschicht 14 bildet, bei Ansteigen des Anodenpotentials als Opferanode und schmilzt in Form von Ionen früher als Ru aus, um ein Schmelzen von Ru des Pt-Ru-Katalysators 1 zu unterdrücken. 3 zeigt, dass Cu, wenn es als Metallelement 50 verwendet wird, in Form von Cu²⁺ schmilzt. Als Folge der Unterdrückung des Schmelzens von Ru, kann Ru eine Vergiftung von Pt durch CO für lange Zeit unterdrücken. Das Metallelement 50 unterdrückt ferner die Umwandlung von Ru in Ionen und die Diffusion derselben in die Elektrolytmembran 11, so dass ein Abbau der Elektrolytmembran 11 durch die Ionen (die eine Wanderung der Protonen behindern) und eine Abnahme der Leistung der Brennstoffzelle begrenzt oder verhindert werden kann. Selbst wenn sich das Metallelement 50 in Form von Ionen umwandelt und schmilzt, ist es, da der Katalysatorschichtabschnitt 14b, in dem kein Metallelement enthalten ist, zwischen dem Katalysatorschichtabschnitt 14a und der Elektrolytmembran 11 vorhanden ist, unwahrscheinlich, dass die Ionen in die Elektrolytmembran 11 diffundieren, so dass das Eintreten eines Abbaus der Elektrolytmembran 11 durch die Ionen unwahrscheinlich ist.
[Ausführungsform 3] – 2 und 4
Wie in den 2 und 4 veranschaulicht, ist das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff, zum Beispiel Cu, Re oder Ge, das in Form feiner Partikel hergestellt ist, in der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung in dem Katalysatorschichtabschnitt 14a (in einem Fall, in dem die Katalysatorschicht 14 in den Abschnitt 14b, der mit der Elektrolytmembran 11 in Kontakt steht, und dem Katalysatorschichtabschnitt 14a, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, unterteilt ist, den Abschnitt 14a) der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, enthalten. Die feinen Partikel des Metallelements 50, zum Beispiel Cu, Re oder Ge, werden von dem Katalysatorträger 2 getragen, der die Kohlenstoffpartikel oder die Kohlenstofffasern der Katalysatorschicht 14 einschließt. Ein Fall, in dem die feinen Partikel des Metallelements nicht von dem Katalysatorträger 2 getragen werden, der die Kohlenstoffpartikel oder Kohlenstofffasern der Katalysatorschicht 14 einschließt, wurde in der Ausführungsform 2 beschrieben. Die Katalysatorschichtabschnitte 14a und 14b können verschieden voneinander hergestellt sein und dann übereinander geschichtet sein (2) oder sie können in einer einzelnen Schicht in einem Abschnitt, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, und in einem Abschnitt, der mit der Elektrolytmembran 11 in Kontakt steht, gebildet sein.
Das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff ist nicht in irgendeinem von dem Abschnitt 14b der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der mit der Elektrolytmembran in Kontakt steht, der kathodenseitigen Diffusionsschicht 16 und der kathodenseitigen Katalysatorschicht 17 enthalten. Das Metallelement 50 mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff kann in der anodenseitigen Diffusionsschicht enthalten sein oder nicht.
Bezüglich des Betriebs und technischen Vorteile der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung fungiert das Metallelement 50, da das Metallelement 50, das in den Katalysatorschichtabschnitt 14a der anodenseitigen Katalysatorschicht 14, der von der Elektrolytmembran 11 entfernt ist, enthalten ist, eine elektrische Verbindung zu em Pt-Ru-Katalysator 1 in der anodenseitigen Katalysatorschicht 14 über den Kohlenstoff in der Katalysatorschicht 14 bildet, bei Ansteigen des Anodenpotential als Opferanode und schmilzt in Form von Ionen früher als Ru aus, um ein Schmelzen von Ru des Pt-Ru-Katalysators 1 zu unterdrücken. 4 zeigt, dass Cu, wenn es als Metallelement 50 verwendet wird, in Form von Cu²⁺ schmilzt. Als Folge der Unterdrückung des Schmelzens von Ru, kann Ru eine Vergiftung von Pt durch CO für lange Zeit unterdrücken. Das Metallelement 50 unterdrückt ferner die Umwandlung von Ru in Ionen und die Diffusion derselben in die Elektrolytmembran 11, so dass ein Abbau der Elektrolytmembran 11 durch die Ionen (die eine Wanderung der Protonen behindern) und eine Abnahme des Leistungsvermögens der Brennstoffzelle begrenzt oder verhindert werden kann. Selbst wenn sich das Metallelement 50 in Form von Ionen umwandelt und schmilzt, ist es, da der Katalysatorschichtabschnitt 14b, in dem kein Metallelement enthalten ist, zwischen dem Katalysatorschichtabschnitt 14a und der Elektrolytmembran 11 vorhanden ist, unwahrscheinlich, dass die Ionen in die Elektrolytmembran 11 diffundieren, so dass das Eintreten eines Abbaus der Elektrolytmembran 11 durch die Ionen unwahrscheinlich ist. Die Brennstoffzelle 10 der vorliegenden Erfindung ist auf eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle anwendbar, die eine Brennstoffzelle des Niedrigtemperaturtyps ist und den Pt-Ru-Katalysator 50 als anodenseitigen Katalysator 50 enthält.
Gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung
Die Brennstoffzelle 10 der vorliegenden Erfindung ist auf eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle anwendbar, die eine Brennstoffzelle des Niedrigtemperaturtyps ist und den Pt-Ru-Katalysator 50 als anodenseitigen Katalysator 50 enthält.
Zusammenfassung
Brennstoffzelle (10), die eine anodenseitige Diffusionsschicht (13), eine anodenseitige Katalysatorschicht (14), eine Elektrolytmembran (11), einen kathodenseitigen Katalysator (17) und eine kathodenseitige Diffusionsschicht (16) und in dieser Reihenfolge geschichtet sind, einschließt. Die anodenseitige Katalysatorschicht (14) schließt einen Pt-Ru-Katalysator ein. Ein Katalysatorschichtabschnitt (14a) der anodenseitigen Katalysatorschicht (14), der von der Elektrolytmembran (11) entfernt ist, und/oder die anodenseitige Diffusionsschicht (13) enthalten ein Metallelement (50) mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff. Das Metallelement (50) mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff ist wenigstens ein Element, das zum Beispiel aus Cu, Re und Ge ausgewählt sein kann. Mit diesem Aufbau kann sowohl der Vorbeugung einer Vergiftung des Pt-Ru-Katalysators durch CO als auch der Vorbeugung einer Kontamination einer Elektrolytmembran Genüge getan werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2001-76742 [0006]

Claims

Brennstoffzelle (10), die eine anodenseitige Diffusionsschicht (13), eine anodenseitige Katalysatorschicht (14), eine Elektrolytmembran (11), einen kathodenseitigen Katalysator (17) und eine kathodenseitige Diffusionsschicht (16) einschließt und in dieser Reihenfolge geschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Katalysatorschicht (14) einen Pt-Ru-Katalysator einschließt, und ein Katalysatorschichtabschnitt (14a) der anodenseitigen Katalysatorschicht (14), der von der Elektrolytmembran (11) entfernt ist, und/oder die anodenseitige Diffusionsschicht (13) ein Metallelement (50) mit einem niedrigeren Standardpotential als Ru und einem höheren Standardpotentials als Wasserstoff enthält.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) ein Metallelement ist, dessen Standardpotential niedriger als 0,46 V und höher als 0,10 V ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) ein Metallelement ist, dessen Standardpotential niedriger als 0,46 V und höher als 0,20 V ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) mit einem niedrigeren Standardpotentials als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff wenigstens ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cu, Re und Ge.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) mit einem niedrigeren Standardpotentials als Ru und einem höheren Standardpotential als Wasserstoff Cu ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) in die anodenseitige Katalysatorschicht (14) und/oder die anodenseitige Diffusionsschicht (13) gemischt ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) von einem Kohlenstoffpartikel oder einer Kohlenstofffaser der anodenseitigen Diffusionsschicht (13) und/oder einem Katalysatorträger der anodenseitigen Katalysatorschicht (14) getragen ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) nur in der anodenseitigen Diffusionsschicht (13) und nicht in der anodenseitigen Katalysatorschicht (14) enthalten ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die anodenseitige Katalysatorschicht (14) eine einzelne Schicht ist und das Metallelement (50) in dem Katalysatorschichtabschnitt (14a) der anodenseitigen Katalysatorschicht (14), der von der Elektrolytmembran (11) entfernt ist, enthalten ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die anodenseitige Katalysatorschicht (14) eine doppelte Schicht ist und das Metallelement (50) in einer Schicht (14a) der doppelten, anodenseitigen Katalysatorschicht (14), die von der Elektrolytmembran (11) entfernt ist, enthalten ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) nicht in der kathodenseitigen Katalysatorschicht (17) und in der kathodenseitigen Diffusionsschicht (16) enthalten ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Metallelement (50) eine elektrische Verbindung zu dem Ru über den Kohlenstoff der anodenseitigen Diffusionsschicht (13) und/oder der anodenseitigen Katalysatorschicht (14) bildet.