DE112008001766B4 - Elektrolytmembran und Brennstoffzelle unter Verwendung derselben - Google Patents

Elektrolytmembran und Brennstoffzelle unter Verwendung derselben Download PDF

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Abstract

Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, worin eine expandierte poröse Membran in einem Elektrolytharz als verstärkende Membran eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der auf einer Seite der genannten eingebetteten Membran gebildeten Elektrolytharzschicht größer als die einer auf der anderen Seite gebildeten Elektrolytharzschicht ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle und eine dieselbe enthaltende Brennstoffzelle.
  • Stand der Technik
  • Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) ist als eine Art Brennstoffzelle bekannt. Verglichen mit anderen Brennstoffzellen besitzt eine PEFC eine niedrigere Betriebstemperatur (ungefähr –30 bis 120°C) und ein Potential zum Reduzieren von Kosten und Größe und eine Nutzung als Energiequelle für Kraftfahrzeuge und andere Zwecke wird daher erwartet.
  • Wie in 5 dargestellt ist eine PEFC so aufgebaut, dass eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 2, die eine wesentliche Komponente ist, von einem anodenseitigen Separator 20, welcher einen Brenn-(Wasserstoff-)Gaskanal 21 einschließt, und einen kathodenseitigen Separator 30, der einen Luft-(Sauerstoff-)Kanal 31 einschließt, um eine als Einzelzelle bezeichnete Brennstoffzelle 1 zu bilden. Die Membran-Elektroden-Anordnung 2 besitzt eine Struktur, in der eine anodenseitige Elektrode 15a, die aus einer Katalysatorschicht 13a und einer Gasdiffusionsschicht 14a auf der Anodenseite aufgebaut ist, auf eine Seite der Polymerelektrolytmembran 10, welche eine Ionenaustauschmembran ist, laminiert ist. Auf die andere Seite derselben ist die kathodenseitige Elektrode 15b, die aus der Katalysatorschicht 13b und der Gasdiffusionsschicht 14b aufgebaut ist, laminiert.
  • In einer PEFC wird eine dünne Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymer (Nafion®-Membran, DuPont, USA), welches ein Elektrolytharz auf Fluorbasis ist (Ionenaustauschharz), hauptsächlich als Elektrolytmembran verwendet (siehe Patentdokument 1 etc.). Außerdem wird, da eine dünne, aus einem Elektrolytharz allein aufgebaute Membran keine ausreichende Festigkeit aufweist, eine Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten Membran verwendet, bei der eine expandierte poröse, verstärkte Membran (zum Beispiel eine dünne, von expandiertem PTFE oder Polyolefinharz etc. gebildete Membran) mit einem in einem Lösungsmittel gelösten Elektrolytharz imprägniert und getrocknet wird (Patentdokument 2 und Patentdokument 3 etc.).
  • Außerdem zeigt ein in einer PEFC verwendetes Elektrolytharz auf Fluorbasis Protonenleitfähigkeit, wenn es Wasser enthält. Die Protonenleitfähigkeit variiert in Abhängigkeit vom Wassergehalt, so dass je niedriger der Wassergehalt ist, desto niedriger die Protonenleitfähigkeit ist. Andererseits besteht bei den Brennstoffzellen der vergangenen Jahre zum Zweck der Systemvereinfachung und der Kostenreduktion ein wachsender Bedarf für den Betrieb bei einem niedrigen Befeuchtungsniveau; ein Betrieb bei einem niedrigen Befeuchtungsniveau resultiert jedoch zu einer Abnahme der Protonenleitfähigkeit, was in einer signifikanten Herabsetzung der Energieerzeugungsleistung, verglichen mit einem Betrieb bei einem hohen Befeuchtungsniveau, resultiert.
  • Das bedeutet, dass bei einem Betrieb bei niedrigem Befeuchtungsniveau eine Elektroendosmose eintritt, bei der sich Wasser zusammen mit der Bewegung der Protonen zur Kathodenseite bewegt und die Anodenseite trockener wird. Wenn die Anodenseite trocknet, nimmt die Protonenleitfähigkeit des Elektrolyts auf der Anodenseite ab, wobei sich auch der Widerstand der gesamten Zelle erhöht, was zu einem signifikanten Abfall in der Leistung der Zelle führt. Um ein solches Trocknen der Anodenseite zu vermeiden wurden Versuche unternommen den Effekt der Wasser-Rückdiffusion nutzbar zu machen, wobei das durch die Protonenoxidationsreaktion an der Kathodenseite erzeugt Produktwasser wirksam zur Anodenseite bewegt wird, wodurch eine Leistungsabnahme bei niedrigem Befeuchtungsniveau vermieden wird.
  • Im Allgemeinen setzt ein Verringern der Filmdicke der Elektrolytmembran die durch Bewegung zu überwindende Entfernung der Wasser-Rückdiffusion herab und erhöht ebenso den Konzentrationsgradienten des Wassers zwischen der trockenen Anodenseite und der nassen Kathodenseite und ermöglicht somit ein Erhöhen der Mobilität des Wassers, so dass sich das Produktwasser an der Kathodenseite als Wasser-Rückdiffusion zu der Anodenseite bewegt.
    Patent Dokument 1: JP Patentveröffentlichung (Kokai) No. 2001-35510 A
    Patent Dokument 2: JP Patentveröffentlichung (Kokai) No. 2005-302526 A
    Patent Dokument 3: JP Patentveröffentlichung (Kokai) No. 2006-202532 A
  • Offenbarung der Erfindung
  • Von der Erfindung zu lösende Probleme
  • Wie bisher beschrieben, haben Versuche das Produktwasser der Kathodenseite durch Wasser-Rückdiffusion zu der Anodenseite zu bewegen, um dadurch eine Abnahme der Energieerzeugungsleistung zu vermeiden, hauptsächlich durch Verringern der Dicke der Elektrolytmembran stattgefunden.
  • Hinsichtlich der Aspekte der Membranfestigkeit und der Haltbarkeit der Zelle kann die Dicke der Elektrolytmembran jedoch nicht signifikant reduziert werden und es existiert eine Grenze hinsichtlich der Größe der Reduktion. Als Elektrolytmembran zum Verbessern der Membranfestigkeit wird, wie oben beschrieben, eine Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten Membran verwendet; aufgrund der Gegenwart der verstärkten Membran besteht jedoch immer noch eine Beschränkung beim Reduzieren der Membrandicke und eine ausreichende Wirkung der Wasser-Rückdiffusion kann nicht erwartet werden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben beschriebenen Umstände getätigt und es ist ihre Aufgabe eine Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten Membran bereitzustellen, die eine höhere Wirkung der Wasser-Rückdiffusion zeigt, wobei sie eine verstärkte Membran einschließt, und das Bereitstellen einer Brennstoffzelle mit einer solchen verstärkten Membran ist ebenfalls ihre Aufgabe.
  • Lösung der Probleme
  • Die Erfinder haben vielfältige Untersuchungen zum Lösen der oben beschriebenen Probleme durchgeführt und gefunden, dass in herkömmlichen Elektrolytmembranen vom Typ der verstärkten Membran die Dicken der auf beiden Seiten der Elektrolytmembran gebildeten Elektrolytharz-Schichten dieselben sind, da die verstärkte Membran, welche eine expandierte poröse Membran ist, in der Mitte in Dickenrichtung der Elektrolytmembran angeordnet ist, und die theoretische Menge der Wasserabsorption von beiden Elektrolytharz-Schichten dieselbe ist, so dass die Wirkung einer Wasser-Rückdiffusion größer als der ausschließlich der Dicke der Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten Membran zuzuschreibenden nicht erzielt werden kann; durch aktives Ausbilden eines Wasserabsorptionsgradienten in der Dickenrichtung der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran jedoch wird es möglich der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran eine größere Wirkung der Wasser-Rückdiffusion zu verleihen als die des herkömmlichen Niveaus, die ausschließlich der Dicke zuzuschreiben ist, wodurch schließlich der Erfindung abgeschlossen wurde.
  • Das bedeutet, die Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, in welcher eine expandierte poröse Membran als verstärkende Membran in einem Elektrolytharz eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der auf einer Seite der eingebetteten verstärkenden Membran gebildeten Elektrolytharzschicht größer als die einer auf der anderen Seite gebildeten Elektrolytharzschicht ist.
  • Ferner ist die Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung eine Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, bei der eine expandierte poröse Membran als verstärkende Membran in einem Elektrolytharz eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebettete verstärkende Membran aus mehreren Lagen expandierter poröser Membranen mit unterschiedlichen Porositäten aufgebaut ist und mehreren Lagen expandierter poröser Membranen in Dickenrichtung der Elektrolytmembran in abnehmender Reihenfolge der Porosität angeordnet sind.
  • Die Brennstoffzelle gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, in der eine Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig von anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren umgeben ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung so aufgebaut ist, dass eine Elektrode auf jede Seite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung laminiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig von beiden Separatoren umgeben ist, so dass sich eine Elektrolytharzschicht größerer Dicke in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran auf der Seite des kathodenseitigen Separators befindet.
  • Die Brennstoffzelle gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, in der eine Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig von anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren umgeben ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung so aufgebaut ist, dass eine Elektrode auf jede Seite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung laminiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig so von beiden Separatoren umgeben ist, dass sich eine expandierte poröse Membran mit größter Porosität in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran auf der Seite des kathodenseitigen Separators befindet.
  • In der vorliegenden Erfindung können als das die Elektrolytmembran bildende Elektrolytharz ein Polymerelektrolyt auf Perfluorbasis oder ein Polymerelektrolyt auf Carbohydratbasis geeigneter Weise zur Verwendung ausgewählt werden.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die verstärkende Membran als eine expandierte poröse Membran, obwohl nicht darauf beschränkt, bevorzugt durch Polytetrafluorethylen (PTFE) exemplifiziert. Durch Steuern der Größe der Expansion derselben ist es möglich eine expandierte poröse Membran mit einer gewünschten Zugfestigkeit und Porosität zu erhalten. Eine Porosität von 50% bis 95% ist für das Imprägnieren einer Elektrolytharzlösung geeignet.
  • In der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrode aus einer Katalysatorschicht und einer Diffusionsschicht aufgebaut. Die Katalysatorschicht ist eine aus einer aus einem Elektrolytharz und einem leitfähigen Material (exemplifiziert durch Kohlenstoff nicht darauf beschränkt) aufgebauten Mischung, die einen Katalysator trägt (exemplifiziert durch Platin, aber nicht darauf beschränkt), und kann eine allgemein in Brennstoffzellen verwendete Katalysatorschicht sein. Die Diffusionsschicht kann auch eine allgemein in Brennstoffzellen verwendete sein und Beispiele können Kohlepapier und Kohlenstofflagen einschließen.
  • In der vorliegenden Erfindung sind die Separatoren mit Nuten ausgebildet, die einen Brennstoffkanal und einen Oxidationsmittelkanal bilden und als Stromkollektoren fungieren, wobei ein mit einem Brennstoffkanal versehener Separator der anodenseitige Separator ist und ein mit einem Oxidationsmittelkanal versehener Separator der kathodenseitige Separator ist. Jeder der Separatoren kann ein allgemein in Brennstoffzellen verwendeter sein.
  • Gemäß der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran der vorliegenden Erfindung und der Brennstoffzelle, die selbige verwendet, ist es, verglichen mit einer herkömmlichen Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, die dieselbe Dicke besitzt und eine verstärkende Membran im mittleren Teil in der Dickenrichtung einschließt, oder mit einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, in der eine Mehrzahl von verstärkenden Membranen mit derselben Dicke und Porosität in einer Membran angeordnet sind, möglich den Konzentrationsgradienten von Wasser durch aktives Bilden eines Wasser-Gradienten in der Membran zu erhöhen, worin der Wassergehalt während der Energieerzeugung auf der Anodenseite niedrig und auf der Kathodenseite hoch ist. Dadurch kann die Wirkung der Wasser-Rückdiffusion, die bewirkt, dass Wasser sich von der Kathodenseite zu der Anodenseite bewegt, verstärkt werden, so dass ein Austrocknen wirksam vermieden werden kann, was tendenziell bei einem Betrieb mit niedriger Befeuchtung eintreten kann. Außerdem kann ein Fluten auf der kathodenseitigen Elektrode, welches tendenziell bei einem Betrieb mit hoher Befeuchtung auftreten kann, vermieden werden, da die Fähigkeit zur Absorption des an der kathodenseitigen Katalysatorschicht erzeugten Produktwassers zunimmt.
  • Ferner wird es als Ergebnis des Erhöhen der Fähigkeit zur Absorption von Wasser in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran möglich das Produktwasser an der kathodenseitigen Katalysatorschicht während der Energieerzeugung zu absorbieren, und ein Einfrieren von Wasser, welches tendenziell in einer Katalysatorschicht bei niedrigen Temperaturen eintritt, kann vermieden werden. Als Ergebnis hiervon wird die Niedrigtemperatur-Inbetriebnahme-Leistung der Brennstoffzelle ebenfalls verbessert.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1(a) ist eine schematische Darstellung einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und 1(b) ist eine schematische Darstellung zum Erläutern einer herkömmlichen Elektrolytmembran vom Typ einer verstärkten Membran im Gegensatz zu der aus 1(a).
  • 2(a) ist eine schematische Darstellung einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung und 2(b) ist eine schematische Darstellung zum Erläutern einer herkömmlichen Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran im Gegensatz zu der aus 2(a).
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
  • 4 ist eine Darstellung eines Diagramms zum Zeigen der Energieerzeugungsleistung von Brennstoffzellen der Beispiele und der Vergleichsbeispiele.
  • 5 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern einer PEFC.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    PEFC
    2
    Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
    10A, 10B
    Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran
    11
    Elektrolytharz
    12, 12a, 12b
    verstärkende Membran, welches eine expandierte poröse Membran ist
    13
    Katalysatorschicht
    14
    Diffusionsschicht
    15a
    anodenseitige Elektrode
    15b
    kathodenseitige Elektrode
    20
    anodenseitiger Separator
    30
    kathodenseitiger Separator
  • Beste Ausführungsform der Erfindung
  • Eine in 1(a) dargestellte erfindungsgemäße Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A ist aus dem Elektrolytharz 11 und der Lage einer verstärkenden Membran 12, welches eine expandierte poröse Membran ist, aufgebaut und die verstärkende Membran 12 ist in dem Elektrolytharz 11 so eingebettet, dass sie in Dickenrichtung der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A zu einer Seite versetzt ist. Als Ergebnis davon ist die Dicke der Elektrolytharzschicht 11b, die auf einer Seite (in der Figur als „Kathodenseite” dargestellt) der verstärkenden Membran 12 gebildet ist, größer als die der Elektrolytharzschicht 11a, die auf der anderen Seite gebildet ist (in der Figur als „Anodenseite” dargestellt). Aus diesem Grund ist der Wassergehalt in Dickenrichtung der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A auf der Anodenseite niedriger und auf der Kathodenseite höher.
  • In diesem Zusammenhang ist bei der in 1(b) dargestellten herkömmlichen Elektrolytmembran 10 die verstärkende Membran 12, welches eine expandierte poröse Membran ist, in Dickenrichtung in der Mitte positioniert. Aus diesem Grund weisen die auf beiden Seiten derselben gebildeten Elektrolytharzschichten 11c und 11c die gleiche Dicke ebenso wie die gleichen Wassergehalte auf.
  • Die in 2(a) dargestellte erfindungsgemäße Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10B ist aus dem Elektrolytharz 11 und verstärkenden Membranen 12a und 12b aufgebaut, welches zwei Lagen expandierter poröser Membranen mit unterschiedlichen Porositäten sind, wobei die zwei Lagen von verstärkenden Membranen 12a und 12b im Elektrolytharz 11 in angenähert gleichen Abständen in der Dickenrichtung der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10B eingebettet sind. Ferner besitzt die verstärkende Membran 12b, die in der Figur auf der Kathodenseite angeordnet ist, eine größere Porosität als die in der Figur auf der Anodenseite der verstärkenden Membran 12a angeordnete. Im Vergleich mit der verstärkenden Membran 12a mit relativ geringer Porosität wird mehr Elektrolytharz 11 durch Imprägnieren in die verstärkende Membran 12b mit größerer Porosität eingebracht. Aus diesem Grund ist auch in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran der Wassergehalt in Dickenrichtung auf der Anodenseite niedriger und auf der Kathodenseite höher.
  • In dieser Beziehung sind bei der in 2(b) dargestellten herkömmlichen Elektrolytmembran 10 verstärkende Membranen 12 und 12, welches zwei Lagen expandierter poröser Membranen mit gleichen Porositäten sind, mit angenähert gleichem Abstand in der Dickenrichtung der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10 in dem Elektrolytharz 11 eingebettet. In diesem Fall sind die in beide verstärkenden Membranen 12 und 12 durch Imprägnieren einzubringenden Mengen an Elektrolytharz 11 einander gleich und der Wassergehalt in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10 ist auf der Anodenseite und der Kathodenseite ungefähr gleich.
  • Eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 1, die die oben beschriebene erfindungsgemäße Elektrolytmembran vom Typ der verstärktem Membran 10A (10B) enthält, ist in 3 dargestellt. In der Brennstoffzelle 1 ist die anodenseitige Elektrode 15a, die aus der Katalysatorschicht 13a und der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht 14a aufgebaut ist, auf die als Anodenseite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A (10B) beschriebene Seite laminiert und eine kathodenseitige Elektrode 15b, die aus einer Katalysatorschicht 13b und einer kathodenseitigen Gas 14b aufgebaut ist, ist zum Bilden einer Membran-Elektroden-Anordnung 2 auf die als Kathodenseite beschriebene Seite laminiert. Die Membran-Elektroden-Anordnung 2 ist zum Bilden einer Brennstoffzelle 1 als Einzelzelle in sandwichartiger Weise umgeben von: einen anodenseitigen Separator 20, einschließlich einem Einlass 22 und einem Auslass 23 für Brenngas, und einem kathodenseitigen Separator 30, einschließlich einem Einlass 32 und einem Auslass 33 für ein Oxidationsmittel.
  • In der vorliegenden Ausführungsform der Brennstoffzelle 1 wird, da der Wassergehalt, wie oben beschrieben, zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A (10B) verschieden ist, während der Energieerzeugung ein Gradient des Wassergehalts in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A (10B) ausgebildet. Dies ermöglicht ein Erhöhen der Konzentration des Wassergradienten in der Elektrolytmembran, wodurch als Ergebnis, wie in 1(a) und in 2(a) dargestellt, ein Verstärken des Effekts der Wasser-Rückdiffusion möglich wird, was ein Bewegen von Wasser von der Kathodenseite zur Anodenseite bewirkt.
  • Als Ergebnis hiervon kann ein Austrocknen der Anodenseite, was tendenziell beim Betrieb mit niedriger Befeuchtung eintreten kann, wirksam vermieden werden. Da an der Kathodenseite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A (10B) die Kapazität zum Absorbieren des an der kathodenseitigen Katalysatorschicht 13b erzeugten Produktwassers verbessert wird, ist es ferner möglich ein Fluten an der kathodenseitigen Elektrode 15b zu vermeiden, was tendenziell bei einem Betrieb mit hoher Befeuchtung auftritt. Als Ergebnis der Verbesserung der Wasserabsorptionsfähigkeit an der Kathodenseite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran 10A (10B) ist es weiterhin möglich während der Energieerzeugung mehr Produktwasser der kathodenseitigen Katalysatorschicht zu absorbieren und dadurch ein Gefrieren des Wassers in der Katalysatorschicht bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden, wodurch die Inbetriebnahme-Leistung bei niedrigen Temperaturen auch verbessert wird.
  • Beispiele
  • Im Nachfolgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
  • [Beispiel 1]
    • (1) PTFE wurde in zwei Achsrichtungen expandiert, um die erste expandierte, poröse verstärkte Membran 12a einer Harz-äquivalenten Zugfestigkeit von 200 MPa und einer Porosität von 60% herzustellen und die zweite expandierte, poröse verstärkte Membran 12b einer Harz-äquivalenten Zugfestigkeit von 100 MPa und einer Porosität von 80%.
    • (2) Eine Lösung Elektrolytharz („DE2020”, eine von DuPont hergestellte Polymerlösung, dessen Polymerkettenenden-SO3H sind) wurde auf die erste, auf einem Glas-Substrat platzierte verstärkende Membran 12a gegossen; die zweite poröse, verstärkende Membran 12b wurde darauf platziert und weiterhin wurde die vorgenannte Lösung Elektrolytharz dazu gegossen. Die Mischung wurde für 1 Stunde bei 70°C zum Erhalt einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran mit einem in 2(a) dargestellten Aufbau und einer Dicke von ungefähr 30 μm getrocknet.
  • [Beispiel 2]
    • (1) Expandierte poröse, verstärkende Membranen 12a und 12b, ähnlich denen aus Beispiel 1, wurden hergestellt.
    • (2) Ein Precursor-Elektrolytharz („NE111F”, ein von DuPont hergestelltes Polymer, dessen Polymerkettenenden-SO2F sind) wurde mittels einer Extrusionsvorrichtung zum Erhalt einer dünnen Membran mit einer Dicke von ungefähr 8 μm extrudiert.
    • (3) Drei Lagen der vorgenannten dünnen Membranen des Precursor-Elektrolytharzes und expandierter, poröser verstärkter Membranen 12a und 12b wurden abwechselnd laminiert, um so eine in 2(a) dargestellte Schichtstruktur zu erhalten, die bei einem Druck von 5 kg/m2 unter einer Vakuumumgebung bei 230°C zum Erhalt einer transparenten Membran einem Imprägnieren unterworfen wurden.
    • (4) Die oben beschriebene, transparente Membran wurde einer Hydrolyse mit einer gemischten Lösung aus 1 mol/l wässriger Natriumhydroxidlösung und Alkohol unterworfen und nachfolgend wurden die Polymerkettenenden mit 1 mol/l wässriger Schwefelsäurelösung zu einer Säuregruppe(-SO3H) umgewandelt.
    • (5) Die mit Ionenaustauschfähigkeit versehene Membran wurde mit reinem Wasser gewaschen und nachfolgend zum Erhalt einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran mit einer Dicke von ungefähr 30 μm getrocknet.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
    • (1) PTFE wurde in zwei Achsrichtungen zum Herstellen von zwei Lagen einer expandierten, porösen verstärkenden Membran mit einer Harz-äquivalenten Zugfestigkeit von 100 MPa und einer Porosität von 80% expandiert.
    • (2) Eine Lösung Elektrolytharz („DE2020”, eine von DuPont hergestellte Polymerlösung, dessen Polymerkettenenden-SO3H sind) wurde auf die erste, auf einem Glas-Substrat platzierte verstärkende Membran 12a gegossen; die zweite poröse, verstärkende Membran 12b wurde darauf platziert und weiterhin wurde die vorgenannte Lösung Elektrolytharz dazu gegossen. Die Mischung wurde für 1 Stunde bei 70°C zum Erhalt einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran mit einem in 2(b) dargestellten Aufbau und einer Dicke von ungefähr 30 μm getrocknet.
  • [Vergleichsbeispiel 2]
    • (1) Es wurden zwei Lagen einer porösen, verstärkenden Membran 12, ähnlich der aus Vergleichsbeispiel 1, hergestellt.
    • (2) Ein Precursor-Elektrolytharz („NE111F”, ein von DuPont hergestelltes Polymer, dessen Polymerkettenenden-SO2F sind) wurde mittels einer Extrusionsvorrichtung zum Erhalt einer dünnen Membran mit einer Dicke von ungefähr 8 μm extrudiert.
    • (3) Drei Lagen der vorgenannten dünnen Membranen des Precursor-Elektrolytharzes und zwei Lagen expandierter, poröser verstärkter Membranen 12 wurden abwechselnd so zu einer in 2(b) dargestellten Schichtstruktur laminiert, die bei einem Druck von 5 kg/m2 unter einer Vakuumumgebung bei 230°C zum Erhalt einer transparenten Membran einem Imprägnieren unterworfen wurden.
    • (4) Die oben beschriebene, transparente Membran wurde einer Hydrolyse mit einer gemischten Lösung aus 1 mol/l wässriger Natriumhydroxidlösung und Alkohol unterworfen und nachfolgend wurden die Polymerkettenenden mit 1 mol/l wässriger Schwefelsäurelösung zu einer Säuregruppe(-SO3H) umgewandelt.
    • (5) Die mit Ionenaustauschfähigkeit versehene Membran wurde mit reinem Wasser gewaschen und nachfolgend zum Erhalt einer Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran mit einer Dicke von ungefähr 30 μm getrocknet.
  • Dieselbe Katalysatorschicht wurde auf jede Seite der jeweils in den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Elektrolytmembranen vom Typ der verstärkten Membran übertragen und dasselbe Kohlepapier wurde als Gasdiffusionsschicht auflaminiert, um Membran-Elektroden-Anordnungen zu erhalten. Jede Membran-Elektroden-Anordnung wurde zum Erhalt einer Brennstoffzelle sandwichartig von anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren eingefasst, so dass die Seite der verstärkenden Membran 12b, die eine größere Porosität in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran besitzt, die Seite des kathodenseitigen Separators ist.
  • [Untersuchung]
  • Eine Energieerzeugungs-Untersuchung wurde unter denselben Bedingungen für die Brennstoffzellen der Beispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 durchgeführt und die Bewertung der elektrischen Zellen wurde bei beiden, einer Bedingung mit niedriger Befeuchtung und einer Bedingung mit hoher Befeuchtung, durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 4(a) (Bedingung mit hoher Befeuchtung) und 4(b) (Bedingung mit niedriger Befeuchtung) dargestellt.
  • [Diskussion]
  • Wie in den 4(a) und 4(b) dargestellt, gab es bei der Bedingung mit hoher Befeuchtung keine signifikanten Unterschiede zwischen ihnen; in einem Bereich einer hohen Stromdichte zeigten die Vergleichsbeispiele 1 und 2 im Vergleich mit den Beispielen 1 und 2 jedoch eine größere Abnahme der Zellspannung. Aus diesem Ergebnis wird abgeleitet, dass in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 ein Fluten auftrat. Andererseits zeigten bei der Bedingung mit niedriger Befeuchtung die Beispiele 1 und 2 eine höhere Leistung in dem gesamten Strombereich als die Vergleichsbeispiele 1 und 2. Dies wird als Ergebnis davon angesehen, dass in den Beispielen 1 und 2 die Bewegung des Wassers in der Elektrolytmembran, d. h. die Menge des Produktwassers auf der Kathodenseite, die sich durch Wasser-Rückdiffusion zur Anodenseite bewegt, im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 und 2 größer wurde, was das Trockenen der Anodenseite einschränkte.
  • Durch das oben beschrieben Ergebnis wird gezeigt, dass die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit höherer Leistung bereitstellen kann.

Claims (4)

  1. Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, worin eine expandierte poröse Membran in einem Elektrolytharz als verstärkende Membran eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der auf einer Seite der genannten eingebetteten Membran gebildeten Elektrolytharzschicht größer als die einer auf der anderen Seite gebildeten Elektrolytharzschicht ist.
  2. Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran, worin eine expandierte poröse Membran in einem Elektrolytharz als verstärkende Membran eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebettete verstärkende Membran aus mehreren Lagen expandierter poröser Membranen mit verschiedenen Porositäten aufgebaut ist und die genannten mehreren Lagen expandierter poröser Membranen in Dickenrichtung der Elektrolytmembran in abnehmender Reihenfolge der Porosität angeordnet sind.
  3. Brennstoffzelle, worin eine Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig von anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren umgeben ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung so aufgebaut ist, dass eine Elektrode auf jede Seite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran nach Anspruch 1 laminiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig von beiden Separatoren umgeben ist, so dass sich eine Elektrolytharzschicht größerer Dicke in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran auf der Seite des kathodenseitigen Separators befindet.
  4. Brennstoffzelle, worin eine Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig von anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren umgeben ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung so aufgebaut ist, dass eine Elektrode auf jede Seite der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran nach Anspruch 2 laminiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig so von beiden Separatoren umgeben ist, dass sich eine expandierte poröse Membran mit größter Porosität in der Elektrolytmembran vom Typ der verstärkten Membran auf der Seite des kathodenseitigen Separators befindet.
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