DE60303863T2

DE60303863T2 - Elektrodenmembrananordnung für Brennstoffzelle und Betriebsverfahren dieser Anordnung enthaltende Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60303863T2
Application number: DE60303863T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Yoshida; Yoshihiro Hori; Osamu Sakai; Makoto Uchida; Eiichi Yasumoto; Shinya Kosako
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: EP1429410B1; CA2452746A1; US7470483B2; DE60303863D1; CN1507099A; US20040131920A1; EP1429410A1; CA2452746C; BR0306011A; CN1244966C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrolytische Membran-Elektroden-Anordnung für polymere elektrolytische Brennstoffzellen, unter Verwendung einer protonenleitenden polymeren elektrolytischen Membran, und ein Arbeitsverfahren einer Brennstoffzelle unter Verwendung dieser elektrolytischen Membran-Elektroden-Anordnung.
Eine elektrolytische Membran-Elektroden-Anordnung (nachfolgend als MEA bezeichnet) für eine polymere elektrolytische Brennstoffzelle (nachfolgend als PEFC bezeichnet) umfasst eine polymere elektrolytische Membran und ein Paar von Elektroden, mit der polymeren elektrolytischen Membran dazwischen eingefügt. Jede der Elektroden umfasst eine Katalysatorschicht in Kontakt mit der polymeren elektrolytischen Membran und eine Gas-Diffusions-Schicht, die eine wasserabweisende Schicht, in Kontakt mit der Katalysatorschicht aufweist. Die MEA wird von beiden Seiten davon durch Separatorplatten unterstützt, die Gasströmungskanäle umfassen und, zusammen mit Versiegelungen zur Verhinderung eines Ausströmens von Gas, unter einem konstanten Druck verpresst sind, um eine einheitliche Zelle einer PEFC zu bilden.
In der Separatorplatte sind Gasströmungskanäle, wie beispielsweise eine Rille, von einem Einlass zu einem Auslass für ein Reaktionsgas (Brennstoffgas oder Oxidationsgas) ausgebildet und das Reaktionsgas ist gerichtet, um in dem (den) Gasströmungskanal (Kanälen) zu strömen. Die Gas-Diffusions-Schicht wird benötigt, um die Funktion des Ausbreitens eines Reaktionsgases zu haben, welches durch den Gasströmungskanal zugeführt wird, um überall in die Katalysatorschicht zugeführt zu werden. Eine andere Funktion, die die Gas-Diffusions-Schicht haben soll, ist das Abführen von überflüssigem Wasser, um Wasser, welches in der kathodenseitigen Katalysatorschicht wegen der Reaktion der PEFC im Betrieb produziert wird, von einem Schwächen der Diffusibilität des Reaktionsgases abzuhalten. Die wichtige Funktion der Gas-Diffusions-Schicht ist es nämlich, zu vermeiden, dass produziertes Wasser die Mikroporen innerhalb der Gas-Diffusions-Schicht verstopft und dadurch das produzierte Wasser durchtritt und reibungslos den Gas-Fluss-Kanal in der Separatorplatte erreicht. Die Gas-Diffusions-Schicht ist im Kontakt mit konvexen Abschnitten (libs), welche auf jeder Seite des jeweiligen Gasströmungskanals in der Separatorplatte ausgebildet sind, um elektrisch mit der Separatorplatte verbunden zu sein, und dient daher dazu, einen Strom, welcher an der MEA erzeugt wurde, zu der Separatorplatte zu leiten.
Eine wasserabweisende Schicht ist gewöhnlich an der Seite der Gas-Diffusions-Schicht ausgebildet, welche die Katalysatorschicht kontaktiert, und ein Fluorkohlenwasserstoffharz wird als das wasserabweisende Material der wasserabweisenden Schicht verwendet. Die wasserabweisende Schicht umfasst ein elektronenleitendes Material, wie beispielsweise Karbon, zusammen mit dem wasserabweisenden Material. In der konventionellen, allgemein verwendeten Technik hat ein Basismaterial einer Gas-Diffusions-Schicht eine poröse Struktur zur Sicherstellung einer Gas-Diffusions-Fähigkeit, ist eine wasserabweisende Schicht auf der Gas-Diffusions-Schicht ausgebildet zum Kontrollieren der Wasserdurchlässigkeit und wird ferner ein elektronenleitendes Material, wie beispielsweise Karbonfaser, Metallfaser oder dergleichen verwendet als das Basismaterial für die Gas-Diffusions-Schicht zur Sicherstellung der Elektronenleitfähigkeit. Als ein typi sches Basismaterial für die Gas-Diffusions-Schicht wurde Kohlepapier, Kohlefilz, Karbonfasergewebe oder ähnliches verwendet.
Es gibt Unterschiede bei solchen Eigenschaften aufgrund von Unterschieden im Grundgewicht und der Dicke des Kohlepapiers oder des Kohlefilzes. Da Kohlepapier wie auch Kohlefilz aus willkürlich angeordneten Karbonfasern zusammengesetzt sind, gibt es jedoch nicht viele Unterschiede in der Gas-Diffusibilität und der Wasser-Permeabilität auf Grund eines Unterschiedes in der Faseranordnung. Da Karbonfasergewebe so gewebt ist, dass die Karbonfasern geordnet angeordnet sind, ist auf der anderen Seite die Bindung der Faser der andere wichtige, dominierende Faktor der oben genannten Eigenschaften neben dem Grundgewicht und der Dicke. Das heißt, dass ein Karbonfasergewebe im Gegensatz zu Kohlepapier und Kohlefilz eine spezifische Eigenschaft aufweist, die, während es ein Material mit optimalen Eigenschaften für ein Grundmaterial für eine Gas-Diffusions-Schicht werden kann, es einfach gegenläufig beeinflusst, abhängig von der Bindung davon. Ein Grundziel der Erfindung ist es, ein Karbonfasergewebe zu kontrollieren, um optimale Eigenschaften für ein Grundmaterial für eine Gas-Diffusions-Schicht zu erhalten.
Eine typische Gas-Diffusions-Schicht wird beispielsweise auf eine solche Art und Weise hergestellt, dass eine Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht, die durch Dispergieren von Ruß- und Fluorkohlenwasserstoffharz in Wasser hergestellt ist, auf eine Seite eines Grundmaterials aufgebracht wird, um eine wasserabweisende leitende Schicht zu erzeugen (nachfolgend als wasserabweisende Schicht bezeichnet). In diesem Fall, zusätzlich zu den Eigenschaften der Beschichtung und eines Verfahrens zum Aufbringen einer Beschichtung auf dem Grundmaterial, bestimmen die Eigenschaften der Oberfläche des Grundmaterials signifikant den Zustand der Bildung der wasserabweisenden Schicht.
Die Wasserabweisung, die für diese wasserabweisende Schicht benötigt wird, differiert auch, abhängig von der Arbeitsbedingung der Brennstoffzelle. Wenn die Zelle unter hochfeuchten Bedingungen arbeitet, ist die Wasserabweisung der äußersten Oberfläche der Gas-Diffusions-Schicht in Kontakt mit der Katalysatorschicht teilweise nicht sehr hoch. Wenn die Zelle unter wenig feuchten Bedingungen arbeitet, ist die vorgenannte Wasserabweisung teilweise hoch. Daher ist zu sagen, dass in dem Fall, in dem die äußerste Oberfläche der Seite der Gas-Diffusions-Schicht, welche die Katalysatorschicht kontaktiert, eine starke Wasserabweisung aufweist, eine starke Einwirkung von begrenzendem Wasser innerhalb der Elektrode auftritt, sogar wenn die polymere, elektrolytische Membran in einem genügend feuchten Zustand ist.
Bei einem Arbeiten unter einer hochfeuchten Bedingung, bei der eine große Menge an Wasser von der Außenseite zugeführt wird, kann die vorgenannte Wasserabweisung niedrig sein, da hier ein niedriges Bedürfnis an dem Effekt von begrenzendem Wasser ist. Bei einem Arbeiten unter einer weniger feuchten Bedingung, bei der eine geringe Menge an Wasser von der Außenseite zugeführt wird, ist auf der anderen Seite die vorgenannte Wasserabweisung vorzugsweise erhöht. Insbesondere ist es bei einem Arbeiten unter hochfeuchten Bedingungen von Wichtigkeit, dass eine wasserabweisende Schicht (nachfolgend als gleichmäßige wasserabweisende Schicht bezeichnet) ausgebildet wird, bei der nicht nur die Stärke der vorgenannten Wasserabweisung der äußersten Oberfläche kontrolliert wird, sondern auch die Wasserabweisung graduell abgeschwächt wird mit einem konsekutiven Gradienten oder in einer grafischen Interpretation von der Seite der äußersten Oberfläche der Gas-Diffusions-Schicht, welche die Katalysatorschicht kontaktiert, zu der Seite davon, welche die Separatorseite kontaktiert, abfällt. Dies verursacht ein gleichmäßiges Abfließen von überschüssigem Wasser, welches wegen der Reaktion der Zelle im Betrieb weiter produziert wird, zu der Gasströmungskanalseite, ohne die Mikroporen innerhalb der Gas-Diffusions-Schicht mit überschüssigem Wasser zu verstopfen.
Als Verfahren zum Variieren der Wasserabweisung einer wasserabweisenden Schicht wurden typischerweise ein Verfahren zum Variieren eines Gewichtsverhältnisses zwischen Ruß- und Fluorkohlenwasserstoffharz in einer wasserabweisenden Schicht durchgeführt und ein Verfahren zum Variieren der Dicke einer wasserabweisenden Schicht oder einer aufgebrachten Menge einer Beschichtung für die Bildung der wasserabweisenden Schicht ausgeführt, während das vorgenannte Gewichtsverhältnis unverändert bleibt. In diesen Fällen würde jedoch eine direkte Applikation der Beschichtung zur Bildung der wasserabweisenden Schicht auf einem Karbonfasergewebe zu einer initialen Infiltration der Beschichtung in einen Teil mit einer niedrigeren Faserdichte auf dem Grundmaterial führen, und es ist daher schwierig, die Beschichtung gleichmäßig aufzubringen.
Das Auftreten solch einer nicht gleichmäßigen Infiltration der Beschichtung würde zu einer Bildung einer nicht einheitlichen wasserabweisenden Schicht innerhalb der Gas-Diffusions-Schicht führen, bei der die Abschnitte mit starker Wasserabweisung und Abschnitte mit schwacher Wasserabweisung wahllos existieren. Die Lücke zwischen den Abschnitten mit starker Wasserabweisung ist geeignet, um Wasser darin zu fangen, und das Wasser, welches einmal gefangen ist, wird nicht einfach entlassen. Mit anderen Worten wird es mit dem Auftreten einer nicht gleichmäßigen In filtration der Beschichtung, wie oben beschrieben, unmöglich werden, um eine gleichmäßige wasserabweisende Schicht zu bilden, und daher unmöglich, überschüssiges Wasser effektiv abzuführen. Da eine nicht gleichmäßige Infiltration einer Beschichtung in ein Grundmaterial die Wasserpermeabilität einer Gas-Diffusions-Schicht signifikant schwächen würde, ist es dementsprechend wichtig, insbesondere in einer Brennstoffzelle, welche unter einer hochfeuchten Bedingung arbeitet, eine solche nicht gleichmäßige Infiltration zu verhindern und eine gleichmäßige wasserabweisende Schicht zu bilden.
Als eine Maßnahme dazu wurde ein Verfahren erwägt, welches ein vorhergehendes Aufbringen einer Beschichtung auf einer anderen Lage umfasst, um eine wasserabweisende Schicht zu bilden, und dann ein Transferdrucken der resultierenden wasserabweisenden Schicht auf ein Gas-Diffusions-Schicht-Basismaterial, welches aus Karbon hergestellt ist. Dieses Transferdruckverfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Anzahl der Arbeitsschritte erhöht wird. Obwohl eine Verhinderung der oben genannten Infiltration durch die Verwendung einer Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht, welche hergestellt wird, um einen genügend hohen Grad an Viskosität zu haben, erwägt wurde, wurde kein genügender Verhinderungseffekt erhalten.
Ferner gibt es bei konventionellem Karbonfasergewebe, welches als ein Gas-Diffusions-Schicht-Grundmaterial verwendet wird, ein Problem, dass eine große Anzahl von Lücken in einer Verbindung zwischen einer Katalysatorschicht und einer Gas-Diffusions-Schicht gebildet werden, weil konkave Abschnitte und konvexe Abschnitte auf der Oberfläche mit einer großen Differenz dazwischen existieren. Die Lücken können mit Wasser während dem Betreiben einer PEFC verstopft werden, um eine Verschlechterung der Abführeigenschaften des Wassers zu bewirken. Wie somit beschrieben, wurde in einer PEFC, welche unter einer hochfeuchten Bedingung arbeitet, trotz der Möglichkeit, dass die Verwendung eines Karbonfasergewebes als eine Gas-Diffusions-Schicht-Grundmaterial das Karbonfasermaterial kontrollieren kann, um die optimalen Eigenschaften für das Gas-Diffusions-Schicht-Grundmaterial zu haben, eine solche Optimierung bis dato nicht ausgeführt.
Mit dem Ziel, die vorgenannten Probleme mit der konventionellen PEFC zu lösen, insbesondere mit der Gas-Diffusions-Schicht darin, ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine MEA zur Verfügung zu stellen, welche für eine Arbeit unter hochfeuchter Bedingung durch Glätten der Oberfläche eines Karbonfasergewebes, welches als ein Gas-Diffusions-Schicht-Grundmaterial verwendet wird, geeignet ist, und ferner die Optimierung der Oberfläche, um dadurch eine gleichmäßige wasserabweisende Schicht darauf zu bilden, in der eine nicht gleichmäßige Infiltration einer Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht verhindert wird.
Aus dem Dokument US 6,444347 B1 ist eine Gas-Diffusions-Elektrode bekannt, welche einen Mantel aus aktivierten Karbonfasern mit einer ersten Fläche, welche mit einem hydrophoben Material beschichtet ist, und einer zweiten Fläche umfasst, auf welcher Partikel eines Katalysators direkt fixiert und in einer im wesentlichen einheitlichen Weise über die Fasern verteilt sind. Die Elektrode kann in einer elektrochemischen Zelle einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenbatterie oder in einem elektrochemischen Reaktor verwendet werden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieser Gegenstand wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht.
Das Karbonfasergewebe umfasst nicht nur Gewebe, sondern auch gestrickte Fasern und Fadenschichten. Es ist auch möglich, dass das Fasergewebe in einer unbestimmten Struktur angeordnet ist.
Wie später erklärt werden wird, können die Nachteile des oben genannten Standes der Technik auf diese Art und Weise vermieden oder wenigstens minimiert werden. Ein mögliches Konzept der Erklärung kann wie folgt sein. Es wird angenommen, dass Flachheit und Gleichförmigkeit der wasserabweisenden Schicht erreicht werden kann durch einen Viel-Bein-Träger, geliefert durch das Material der Schicht, in welcher jeweils ein Bein an jedem Öffnungsabschnitt verankert ist, welche ein regelmäßiges Muster hat, welches zu einer gleichmäßigen Infiltration der wasserabweisenden Schicht führt. Auf diese Weise können mögliche Mikroporen innerhalb der Fäden vernachlässigt werden. Die relativ weite Ausdehnung der Kreuzabschnitte der Kett- und Schussfäden macht es möglich, dass Variationen der Höhe der äußeren Oberfläche der wasserabweisenden Schicht vermieden oder minimiert werden können. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis: 1/1500 ≤ (10/W – Y)(10/Z – X)/XY ≤ 1/5befriedigt ist, wenn das Karbonfasergewebe eine Kettendichte von Z-Fäden/cm, eine Schussdichte von W-Fäden/cm, eine Kettendicke von X mm und eine Schussdicke von Y mm aufweist. Die Fäden können monofil oder multifil, gerade oder verdreht, wie beispielsweise Garn, sein. Es ist bevorzugt, dass die Fäden oder Fasern keine eigenen Poren oder nur eine Menge von vernachlässigbaren Mikroporen aufweisen. Dies kann durch die Verwendung von Karbonfasern erreicht werden.
Es ist bevorzugt, dass das Karbonfasergewebe eine Dicke zwischen 0,05 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm bis 0,2 mm, aufweist. Es ist bevorzugt, dass das Karbonfasergewebe eine Dichte im Bereich von 0,32 g/cc bis 0,42 g/cc aufweist. Es ist ferner bevorzugt, dass eine der genannten Kettendichten und genannten Schussdichten des Karbonfasergewebes im Bereich von 16 Fäden/cm bis 45 Fäden/cm und die andere der beiden genannten Dichten im Bereich von 12 Fäden/cm bis 40 Fäden/cm liegt.
Es ist bevorzugt, dass äquidistante Kettfäden äquidistante Schussfäden im rechten Winkel kreuzen. Es ist bevorzugt, dass die Fäden aus mehreren Fasern (Fäden) bestehen, wie zum Beispiel Garne aus mindestens zwei Fasern (Fäden).
Die vorliegende Erfindung stellt ein Arbeitsverfahren einer Brennstoffzelle zur Verfügung, welche die oben genannte elektrolytische Membran-Elektroden-Anordnung für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst und durch Bereitstellen einer Zufuhr eines feuchten Brennstoffgases zur Anode und einer Zufuhr eines feuchten Oxidationsgases zur Kathode elektrische Energie erzeugt, umfassend einen Schritt des Kontrollierens des Taupunktes des Brennstoffgases und des Taupunktes des Oxidationsgases, der zur Temperatur der elektrolytischen Membran-Elektroden-Anordnung im Betrieb entspricht oder 5°C oder weniger unterhalb dieser liegt.
KURZE BESCHREIBUNG VON VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines Karbonfasergewebes in der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vertikale Schnittansicht einer Elementarzelle, welche eine elektrolytische Membran-Elektroden-Anordnung in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung einer MEA, welche geeignet ist für eine Operation unter hochfeuchter Bedingung durch Kontrollieren einer Faserkonstruktion eines Karbonfasergewebes, vorgesehen als Grundmaterial für eine Gas-Diffusions-Schicht in einem PEFC, um die Oberflächenbedingung des Karbonfasergewebes zu optimieren, und einer Einsatzbedingung einer Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht auf dem Karbonfasergewebe.
Das Grundmaterial der Gas-Diffusions-Schicht bei der vorliegenden Erfindung ist aus Karbonfasergewebe gemacht, welches durch Weben von Kett- und Schussfäden erhalten wird, die aus einem oder mehreren elektronenleitenden Karbonfaser(n) zusammengesetzt sind, bei dem eine Öffnung bei oder in der Nähe zu Schnittpunkten der Kette und des Schusses ausgebildet ist.
Das Karbonfasergewebe, welches für die MEA der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist gekennzeichnet dadurch, dass das Verhältnis: 1/1500 ≤ (10/W – Y)(10/Z – X)/XY ≤ 1/5 befriedigt wird, wenn das Karbonfasergewebe eine Kettendichte von Z-Fäden/cm auf weist, eine Schussdichte von W-Fäden/cm, eine Kettendicke von X mm und eine Schussdicke von Y mm.
Bei dem oben genannten rationalen Ausdruck bezieht sich XY mm² auf den Bereich der Abschnitte, bei denen Schussfaden Kettfaden kreuzt (nachfolgend als Schnitt-Abschnitte bezeichnet), und (10/W – Y)(10/Z – X)mm² bezieht sich auf den Bereich von Öffnungsabschnitten, bei denen weder Kettfaden noch Schussfaden existiert (nachfolgend als Öffnungsabschnitte bezeichnet). Das Karbonfasergewebe der vorliegenden Erfindung ist nämlich dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenverhältnis der Öffnungsabschnitte zu den Schnittabschnitten: (10/W – Y)(10/Z – X)/XY nicht weniger als 1/1500 und nicht mehr als 1/5 ist.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das Karbonfasergewebe, welches für das Grundmaterial für die Gas-Diffusions-Schicht verwendet wird, aus Karbonfaserfaden gebildet und die bekannteste Faserstruktur ist einfach gewebt. Andere als solche verwendete einfache Karbonfasergewebe können Karbonfasergewebe mit einer Körperbindung oder mit einer Satinwebstruktur sein. Bei allen diesen Karbonfasergeweben sind Schussfäden und Kettfäden ebenmäßig in einem geometrischen Muster kombiniert. Karbonfasergewebe ist nämlich so konstituiert, dass Karbonfaserfäden (Kettfäden oder Schussfäden) einer ersten Gruppe, welche zueinander parallel angeordnet sind, folgend mit Karbonfaserfäden (Kettfäden oder Schussfäden) einer zweiten Gruppe in rechten Winkeln kombiniert sind in einem vorgeschriebenen Verfahren. Die Karbonfaserfäden, welche zu der zweiten Gruppe gehören, sind ebenfalls zueinander parallel angeordnet, um ein Gewebe zu konstituieren.
Als nächstes wird die Faserstruktur eines Karbonfasergewebes beschrieben unter Verwendung beispielsweise eines einfachen Kar bonfasergewebes. 1 ist eine Draufsicht auf ein Karbonfasergewebe, bei dem gleichmäßig beabstandete Kettfäden gleichmäßig beabstandete Schussfäden 2 in rechten Winkeln kreuzen. Neben dem Fall, dass die Kettfäden 1 und die Schussfäden 2 aus einzelnen Fäden zusammengesetzt sind (monofil), existiert der Fall, dass diese Fäden aus mehreren Fäden zusammengesetzt sind (multifil), wie beispielsweise Garne, welche aus mindestens 2 Fäden oder Fasern gemacht sind. Da der Querschnitt des Kettfadens 1 oder Querschnitt des Schussfadens 2 nicht notwendigerweise radialsymmetrisch ist, repräsentiert bei der vorliegenden Erfindung die Dicke des Kettfadens bzw. die Dicke des Schussfadens die Breite des Kettfadens und die Breite des Schussfadens, welche der Einfachheit halber in der Draufsicht des Karbonfasergewebes illustriert werden.
Bei dem Karbonfasergewebe der vorliegenden Erfindung ist der Bereich der Öffnungsabschnitte 4, bei denen weder der Kettfaden 1 noch der Schussfaden 2 existiert, verringert, relativ zu dem Bereich der Schnittabschnitte 3, bei denen der Kettfaden 1 den Schussfaden 2 kreuzt, um das Verhältnis zwischen den beiden Bereichen 1/1500 bis 1/5 zu bilden. Dadurch wird eine initiale Infiltration der Beschichtung von den Öffnungsabschnitten 4 verhindert, wenn eine Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht auf das Karbonfasergewebe aufgebracht wird, was eine Bildung einer gleichmäßigen wasserabweisenden Schicht ermöglicht. Es ist daher möglich, eine Gas-Diffusions-Schicht zu erhalten, welche die Eigenschaft hat, dass Wasserabweisung graduell abgeschwächt wird mit einem milden Anstieg oder Gradient in einer bildlichen Darstellung von der Seite der Oberfläche, welche die Katalysatorschicht kontaktiert, durch die Gasströmungskanalseite der Oberfläche. Die Verwendung einer MEA, welche eine solche Gas-Diffusions-Schicht umfasst, ermöglicht eine rei bungslose Ableitung von überschüssigem Wasser in Gasströmungskanäle, selbst bei einer Operation unter hochfeuchter Bedingung, wobei kein Wasser in Mikroporen innerhalb der Gas-Diffusions-Schicht gehalten wird.
Ein Problem, welches bisher aufgetreten ist, ist es, dass, wenn mehrfach MEAs gestapelt werden und dann eingeengt werden, um eine PEFC zu bilden, ein Anstieg im Einengungsdruck zur Reduzierung des Durchgangswiderstands zwischen den Komponenten eine Deflektion der Komponenten bewirken würde. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, den Einengungsdruck niedrig zu halten innerhalb dem Bereich, in dem keine Gasausströmung auftritt. Durch den niedrigen Einengungsdruck werden Lücken in einer Grenzfläche zwischen einer Katalysatorschicht und einer Gas-Diffusions-Schicht zusammen mit Wölbungen und Ausbuchtungen eines Grundmaterials produziert. Da solche Lücken geeignet sind, um mit Wasser verstopft zu werden, wird überschüssiges Wasser nicht aus den MEAs abgeführt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Erhöhen des Flächenverhältnisses der Schnittabschnitte 3 des Karbonfasergewebes der Höhenunterschied zwischen den konkaven Abschnitten und den konvexen Abschnitten der Oberfläche davon reduziert und die Oberfläche wird dadurch geglättet. Dies kann die vorgenannten Probleme lösen. Das heißt, dass das Karbonfasergewebe der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche mit geringen Höhenunterschieden zwischen konkaven Abschnitten und konvexen Abschnitten aufweist, da der Bereich der Schnittabschnitte 3, welche eine größere Dicke aufweisen, 5 bis 1500 mal so groß ist als der Bereich der Öffnungsabschnitte 4, welche eine geringere Dicke aufweisen. Die Verwendung dieses Karbonfasergewebes kann die vorgenannte Bildung von Lücken in der Grenzfläche zwischen der Katalysator schicht und der Gas-Diffusions-Schicht verhindern, wobei die Probleme des Verstopfens mit überschüssigem Wasser gelöst werden können.
Wie auf diese Weise beschrieben ist, kann eine PEFC unter Verwendung der MEA gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine Gas-Diffusions-Schicht umfasst, bei der eine gleichmäßige wasserabweisende Schicht auf einem Karbonfasergewebe mit einer glatten Oberfläche gebildet ist, eine hohe Leistung bei einer Operation unter einer hochfeuchten Kondition ausführen, welche insbesondere erfordert, dass die Gas-Diffusions-Schicht eine Ableitungskapazität von überschüssigem Wasser aufweist.
Bei einem Karbonfasergewebe als einem Grundmaterial für eine Gas-Diffusions-Schicht wird die Oberfläche davon ungenügend glatt, wenn ein Flächenverhältnis von Öffnungsabschnitte zu Schnittabschnitte 1/5 überschreitet. Ferner wird es unmöglich, eine nicht gleichmäßige Infiltration einer Beschichtung ausreichend zu verhindern. Wenn ein Flächenverhältnis unter 1/1500 ist, bewirken unterdessen Poren innerhalb einer Gas-Diffusions-Schicht keine genügende Gas-Diffusions-Fähigkeit und Wasserpermeabilität.
Das Karbonfasergewebe für die MEA der vorliegenden Erfindung weist eine Dicke auf, welche vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 mm bis 0,20 mm ist. Eine Reduktion der Dicke des Karbonfasergewebes kann den Höhenunterschied zwischen den konkaven Abschnitten und den konvexen Abschnitten auf der Oberfläche davon kleiner machen und die Oberfläche glatter. Es ist dadurch möglich, die Verbindung zwischen der Gas-Diffusions-Schicht und der Katalysatorschicht effektiver davor zu bewahren, mit Wasser verstopft zu werden, so dass eine MEA zur Verfügung gestellt werden kann, welche geeignet ist, das Auftreten des Überflutungsphänomens in einer Operation unter hochfeuchter Bedingung effektiver zu verhindern.
Je dünner ein Karbonfasergewebe gemacht ist, umso kleiner ist das Volumen an Lücken innerhalb der Gas-Diffusions-Schicht und umso kleiner ist eine Menge an Wasser, welches innerhalb der Gas-Diffusions-Schicht ist, wodurch solches Wasser leicht abgeführt werden kann. In Bezug auf ein Karbonfasergewebe, welches eine Dicke von weniger als 0,05 mm aufweist, passiert es jedoch häufig, dass die Handhabung davon schwierig ist oder, dass das Karbonfasergewebe nicht gewebt werden kann, wegen einer ungenügenden Zugfestigkeit der Karbonfaserfäden als das Rohmaterial davon. In Bezug auf ein Karbonfasergewebe, welches eine Dicke über 0,30 mm aufweist, tendiert es auf der anderen Seite dazu, dass ein negativer Effekt auftritt, dass ein Höhenunterschied zwischen konkaven Abschnitten und konvexen Abschnitten auf der Oberfläche des Karbonfasergewebes ansteigt, was zu einer Verbindungsstelle zwischen einer Gas-Diffusions-Schicht und einer Katalysatorschicht führt, welche mit Wasser verstopft werden kann.
Es ist bevorzugt, dass das Karbonfasergewebe zur Verwendung in der MEA der vorliegenden Erfindung eine Dichte im Bereich von 0,32 g/cc bis 0,42 g/cc aufweist. Mit dem Niedrighalten der Faserdichte des Karbonfasergewebes wird das Karbonfasergewebe komprimiert durch einen Druck, welcher beim Einengen der gestapelten Brennstoffzelle appliziert wird, und es wird dadurch einfacher, die Oberfläche davon zu glätten.
Auf eine solche Art und Weise, bei der das Karbonfasergewebe zum Glätten komprimiert wird, wird der Höhenunterschied zwischen den konvexen Abschnitten und den konkaven Abschnitten kleiner, um die Eliminierung von Lücken zu ermöglichen, welche mit Wasser verstopft werden können, von der Verbindungsstelle der Gas-Diffusions-Schicht und der Katalysatorschicht. Dies ermöglicht als ein Resultat das Bereitstellen einer MEA, welche geeignet ist, effektiver das Auftreten des Überflutungsphänomens bei einer Operation unter hochfeuchter Bedingung zu verhindern. Je geringer die Dichte des Karbonfasergewebes ist, umso größer ist der obige Effekt. Wenn jedoch ein Karbonfasergewebe eine Dichte kleiner als 0,32 g/cc aufweist, ist die mechanische Stärke des Karbonfasergewebes so ungenügend, dass es schwierig wird, das Karbonfasergewebe bei der Produktion einer MEA handzuhaben. Wenn ein Karbonfasergewebe eine Dichte größer als 0,42 g/cc aufweist, ist das Karbonfasergewebe auf der anderen Seite nicht genügend geglättet durch Druck, welcher beim oben genannten Einengen aufgebracht wird, was es unmöglich macht, den oben genannten Effekt zufrieden stellend zu erhalten.
Es ist bevorzugt, dass in dem Karbonfasergewebe zur Verwendung in der MEA der vorliegenden Erfindung eine von der Kett-Dichte und der Schuss-Dichte im Bereich von 16 Fäden/cm bis 45 Fäden/cm ist und die andere davon im Bereich von 12 Fäden/cm bis 40 Fäden/cm. Durch ein Erhöhen der Fadendichte (die Anzahl der Fäden eines Karbonfasergewebes pro Längen- oder Breiteneinheit), ist die Dicke pro Faden kleiner und es ist daher möglich, die Dicke der Schnittabschnitte zu reduzieren und auf diese Weise den Höhenunterschied zwischen den konvexen Abschnitten und den konkaven Abschnitten auf der Oberfläche des Karbonfasergewebes zu verringern. Dies führt zu noch einer glatteren Oberfläche des Karbonfasergewebes und ermöglicht ferner die Bildung einer gleichmäßigen wasserabweisenden Schicht.
Darüber hinaus kann der Anstieg der Fadendichte dazu führen, dass viele Lückenabschnitte im Karbonfasergewebe sind und die entsprechenden Lückenabschnittsbereiche kleiner sind. Es ist dadurch möglich, eine große Anzahl von feinen Räumen zu bilden, welche geeignet sind, überschüssiges Wasser aus dem MEA durch die Gas-Diffusions-Schicht reibungslos abzuleiten oder das Reaktionsgas innerhalb der Gas-Diffusions-Schicht zu verteilen. Diese Effekte bringen eine reibungslose Ableitung von überschüssigem Wasser bei einer Operation unter hochfeuchter Bedingung, wobei sie eine Bereitstellung einer MEA ermöglichen, welche geeignet ist, das Auftreten des Überflutungsphänomens effektiver zu verhindern.
Die höhere Kettendichte und die Schussdichte des Karbonfasergewebes sind umso signifikanter als der oben genannte Effekt erreicht werden kann. Jedoch in dem Fall, in dem ein Karbonfasergewebe eine Dichte außerhalb des vorgenannten bevorzugten Bereichs aufweist, ist der Faden so dünn, dass es schwierig wird, das Karbonfasergewebe zu weben und zu verarbeiten. In dem Fall, in dem ein Karbonfasergewebe eine Dichte unterhalb des vorgenannten bevorzugten Bereichs aufweist, ist der Faden auf der anderen Seite so dick, um einen Anstieg im Höhenunterschied zwischen den konvexen Abschnitten und den konkaven Abschnitten auf der Oberfläche des Karbonfasergewebes zu bewirken. Wenn ein MEA hergestellt wird unter Verwendung dieses Karbonfasergewebes, tendieren Lücken, welche mit Wasser verstopft werden können, dazu, in der Grenzfläche zwischen der Katalysatorschicht und der Gas-Diffusions-Schicht gebildet zu werden.
Als das wasserabweisende Material, welches in der wasserabweisenden Schicht enthalten ist, wird ein Fluorkohlenwasserstoffharz mit exzellenter thermischer Widerstandsfähigkeit, Säurebe ständigkeit und chemischer Widerstandsfähigkeit, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) im allgemeinen verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung können Silikonarten und andere wasserabweisende Materialien ebenso verwendet werden, welche dazu geeignet sind, eine Wasserabweisung für einen langen Zeitraum sicher zu stellen. Da die wasserabweisende Schicht auf einer Seite der Gas-Diffusions-Schicht, welche als ein gegenwärtiger Kollektor fungiert, ausgebildet wird und daher Elektronenleitfähigkeit aufweisen muss, ist es nötig, dass ein elektronenleitendes Material in der wasserabweisenden Schicht enthalten ist.
Als das elektronenleitende Material werden gewöhnlich Kohlenstoffe verwendet wegen ihrer exzellenten Säurebeständigkeit, und von diesen wird in erster Linie Acetylenruß, welches eine starke Wasserabweisung aufweist, verwendet. Da es schwierig ist, eine Beschichtung aus einem Kohlenstoff herzustellen, welcher starke Wasserabweisung aufweist, gibt es jedoch Fälle, bei denen Ketjenruß, welcher ein hydrophiler Kohlenstoff ist, bevorzugter verwendet wird, abhängig davon, wie er mit dem wasserabweisenden Material kombiniert wird. Als weitere elektronenleitende Materialien können Metallmaterialien verwendet werden. Ein typisches Herstellungsverfahren einer wasserabweisenden Schicht ist ein direktes Aufbringen einer Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht, hergerichtet durch Dispergieren des oben genannten wasserabweisenden Materials und des elektronenleitenden Materials in einem Dispersionsmedium, wie beispielsweise Wasser, auf einer Seite des Karbonfasergewebes. Das Applikationsverfahren kann eines sein aus Sprühen, Spin Coating, Abstreifrakeln, Siebdrucken, Streichmaschinenanwendung und Tiefdruckverfahren.
Als Gasströmungskanal, ausgebildet in der Separatorplatte, sind möglich, ein gerader Gasströmungskanal, welcher eine Vielzahl gerader Wege umfasst, die parallel zueinander in einer Richtung vom Einlass zum Auslass angeordnet sind; ein serpentinenartiger Gasströmungskanal, welcher einzelne oder eine Mehrzahl von Wegen umfasst, angeordnet in einer Serpentinenlinie. Die Formen des Gasströmungskanals sind klassifiziert in überkreuzartige, facettenartige und parallelartige, abhängig vom Unterschied in den Richtungen der fließenden Gase an der Anodenseite und der Kathodenseite. Die vorliegende Erfindung kann effektiv angewendet werden auf eine PEFC, welche irgendeine vorgenannte Art von Gasströmungskanälen aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Arbeitsverfahren einer PEFC zur Verfügung, welche die MEA gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Paar von Separatorplatten umfasst, welche den Gasströmungskanal in Kontakt mit der externen Seite des MEAs aufweisen, wobei ein Taupunkt des Brennstoffgases, ein Taupunkt eines Oxidationsgases und die Temperatur des MEA im Betrieb innerhalb vorgeschriebener Temperaturbereiche kontrolliert werden.
Die MEA der vorliegenden Erfindung umfasst die Gas-Diffusions-Schicht, in der eine gleichmäßige wasserabweisende Schicht, frei von ungleichmäßiger Infiltration der Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht auf dem Karbonfasergewebe mit einer glatten Oberfläche wie beschrieben ausgebildet ist. Die MEA gemäß der vorliegenden Erfindung hat dadurch eine genügende Ableitungsmöglichkeit für überschüssiges Wasser und eine Diffundierungsfähigkeit eines Gases, welche erforderlich sind bei einer Operation unter einer hochfeuchten Bedingung einer PEFC. Die PEFC, welche diese MEA umfasst, zeigt daher eine exzellente Ausführung, insbesondere wenn sie unter der typischsten hochfeuch ten Bedingung arbeitet, zum Beispiel unter der Bedingung, dass der Taupunkt des Brennstoffgases, welches zur Anode zugeführt wird, der Taupunkt des Oxidationsgases, welches zur Kathode zugeführt wird, und die Temperatur der MEA in Betrieb alle auf die selbe Temperatur geregelt werden. In diesem Fall kann durch Regeln des Taupunktes des Brennstoffgases und des Taupunktes des Oxidationsgases auf Temperaturen 5 °C oder weniger unterhalb der Temperatur der elektrolytischen Membran-Elektroden-Anordnung während des Betriebs eine exzellente Ausführung erhalten werden, gemäß dem Fall des Ausgleichens der vorgenannten Taupunkte und Temperatur.
BEISPIEL
Als nächstes wird die vorliegende Erfindung durch Beispiele genauer beschrieben. Bei jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurde eine Elementarzelle in einem unten beschriebenen Verfahren hergestellt. 2 zeigt eine repräsentative Ansicht von derartigen Elementarzellen. Auf eine Seite eines glatten Karbonfasergewebes, welches in jedem Beispiel und in jedem Vergleichsbeispiel hergestellt wird, wurde eine Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht durch Rakel-Beschaufelung aufgebracht. Diese Beschichtung zur Bildung einer wasserabweisenden Schicht wurde folgendermaßen hergestellt Acetylenruß (AB) wurde mit Wasser bei einem Gewichtsverhältnis von 1:4 gemischt, die resultierende Mischung wurde zu einer kleinen Menge an Tensid gegeben, um geknetet zu werden, welches dann zu einer PTFE-Dispersion (D1, hergestellt von DAIKIN INDUSTRIES. LTD.) gegeben wurde, so dass das Gewichtsverhältnis des PTFE-Feststoffgehalts zu AB 1:7 war. Dieses Karbonfasergewebe mit dieser Beschichtung, aufgebracht auf eine Seite davon, wurde bei ca. 100 °C für eine Stunde getrocknet und dann bei ca. 270 °C eine Stunde gehärtet, um eine Gas-Diffusions-Schicht 13 zu bilden, in der eine wasserabweisende Schicht auf dem Karbonfasergewebe ausgebildet wurde.
In der Zwischenzeit wurde eine Katalysatorschicht 12 durch Transferdrucken auf jede Seite einer polymeren elektrolytischen Membran 11 (Nafion 112 hergestellt von Du Pont, USA) angebracht, umfassend ein Perfluorsulfonsäureharz, mit Ausnahme der Peripherie davon. Nachfolgend wurde jede der Gas-Diffusions-Schichten 13 an jede der Katalysatorschichten 12 angebracht, sodass die Seite der Gas-Diffusions-Schicht 13 mit der wasserabweisenden Schicht in Kontakt war mit der äußeren Oberfläche der Katalysatorschicht 12, um ein MEA 15 herzustellen. Die Katalysatorschicht 12, welche auf die polymere elektrolytische Membran 11 transfergedruckt wird, wurde gebildet durch Aufbringen einer Paste als Katalysator auf ein Harz-Sheet, gefolgt von einem Trocknen. Die Fläche der Katalysatorschicht 12 in der MEA war 25 cm². Die Paste als Katalysator wurde hergestellt in einer solchen Art und Weise, dass: 100 Gewichtsanteile eines Katalysators, welcher durch Auftragen eines Platin-Katalysators auf einem Kohlenstoff-Feinstaub (Ketjen Black EC, hergestellt von LION CORPORATION) bei einem Gewichtsverhältnis von 1:1 erhalten wurde, wurden mit 80 Gewichtsteilen eines Perfluorsulfonsäureharzes, dispergiert in Ethanol, gemischt und die erhaltene Mischung wurde in ein gemischtes Dispersionsmedium aus Wasser und Ethanol eingebracht, gefolgt von einem Rühren.
Eine Dichtung 18 wurde dann an jeder Seite der polymeren elektrolytischen Membran 11 an der Peripherie der MEA 15 angebracht, welche bei 100 °C für fünf Minuten zum Anheften heiß gepresst wurde. Die resultierende Anordnung wurde eingepfercht von einer Seite davon durch eine kathodenseits postierte Separatorplatte 17 aus Kohlenstoff und von einer anderen Seite durch eine anodenseits postierte Separatorplatte 17 aus Kohlenstoff, und sie wurden eingeengt, sodass ein Oberflächendruck von ca. 7kgf/cm² an „libs" 19, welche auf der Separatorplatte 17 ausgebildet sind, angelegt wurde, um eine Elementarzelle einer PEFC herzustellen. Die kathodenseits und anodenseits postierten Separatorplatten 17 wurden jeweils ausgestattet mit dem serpentinenartigen Gasströmungskanal 16, umfassend drei Rillen mit einer Querschnittsfläche von 1, 0 cm².
Die Dicke des Kettfadens und des Schussfadens des Karbonfasergewebes in jedem Beispiel und in jedem Vergleichsbeispiel wurden mittels einer SEM-Fotoaufnahme bei einer Vergrößerung von 100 × mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV gemessen. Die Anzahl an Fäden pro 1 cm (Kettfadendichte und Schussfadendichte) wurde berechnet durch Messen der Anzahl an Fäden pro 5 cm in einer Gefügeaufnahme bei einer Vergrößerung von 25 × und anschließenden Berechnen eines Durchschnittswerts pro 1 cm von dem oben gemessenen Wert wurde. Das Karbonfasergewebe wurde ausgestanzt in einer Größe von 12 cm × 12 cm und das Gewicht davon wurde gemessen, von welchem das Grundgewicht des Karbonfasergewebes berechnet wurde. Die Dichte des Karbonfasergewebes wurde bestimmt aus dem oben berechneten Grundgewicht und der Dicke davon.
Beispiel 1
Ein Karbonfasergewebe, gewebt mit Kettfäden mit einer Dicke von 0,48 mm, umfassend ein Garn, und Schussfäden mit einer Dicke von 0,48 mm, umfassend ein Garn, wurde verwendet als ein Grundmaterial einer Gas-Diffusions-Schicht, um eine Elementarzelle herzustellen. Das Karbonfasergewebe hatte eine Kettfadendichte von 20,1 Fäden/cm, eine Schussfadendichte von 18,1 Fäden/cm, ein Grundgewicht von 110 g/m², eine Dicke von 0,28 mm und eine Dichte von 0,393 g/cc.
Beispiel 2
Ein Karbonfasergewebe, gewebt aus Kettfäden mit einer Dicke von 0,45 mm, umfassend ein Garn, und Schussfäden mit einer Dicke von 0,45 mm, umfassend ein Single-Garn, wurde als Grundmaterial einer Gas-Diffusions-Schicht verwendet, um eine Elementarzelle herzustellen. Das Karbonfasergewebe hatte eine Kettfadendichte von 17,7 Fäden/cm, eine Schussfadendichte von 15,4 Fäden/cm, ein Grundgewicht von 105 g/m², eine Dicke von 0,29 mm und eine Dichte von 0,362 g/cc.
Beispiel 3
Ein Karbonfasergewebe, gewebt aus Kettfäden mit einer Dicke von 0,445 mm umfassend ein Garn, und Schussfäden mit einer Dicke von 0,445 mm, umfassend ein Garn, wurde verwendet als ein Grundmaterial einer Gas-Diffusions-Schicht, um eine Elementarzelle herzustellen. Das Karbonfasergewebe hatte eine Kettfadendichte von 15,7 Fäden/cm, eine Schussfadendichte von 15,4 Fäden/cm, ein Grundgewicht von 80 g/m², eine Dicke von 0,20 mm und eine Dichte von 0,400 g/cc.
Beispiel 4
Ein Karbonfasergewebe, gewebt aus Kettfäden mit einer Dicke von 0,36 mm, umfassend ein Garn, und Schussfäden mit einer Dicke von 0,36 mm, umfassend ein Garn, wurde als ein Grundmaterial einer Gas-Diffusions-Schicht verwendet, um eine Elementarzelle herzustellen. Das Karbonfasergewebe hatte eine Kettfadendichte von 23,6 Fäden/cm, eine Schussfadendichte von 22,00 Fäden/cm, ein Grundgewicht von 115 g/m², eine Dicke von 0,29 mm und eine Dichte von 0,397 g/cc.
Beispiel 5
Ein Karbonfasergewebe, gewebt aus Kettfäden mit einer Dicke von 0,965 mm, umfassend ein Garn, und Schussfäden mit einer Dicke von 0,47 mm, umfassend ein Garn, wurde als ein Grundmaterial einer Gas-Diffusions-Schicht verwendet, um eine Elementarzelle herzustellen. Das Karbonfasergewebe hatte eine Kettfadendichte von 21,3 Fäden/cm, eine Schussfadendichte von 20,1 Fäden/cm, ein Grundgewicht von 125 g/cm², eine Dicke von 0,30 mm und eine Dichte von 0,417 g/cc.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Karbonfasergewebe, gewebt aus Kettfäden mit einer Dicke von 0,42 mm, umfassend ein Garn, und Schussfäden mit einer Dicke von 0,42 mm, umfassend ein Garn, wurde als ein Grundmaterial einer Gas-Diffusions-Schicht verwendet, um eine Elementarzelle herzustellen. Das Karbonfasergewebe hatte eine Kettfadendichte von 15,7 Fäden/cm, eine Schussfadendichte von 15,7 Fäden/cm, ein Grundgewicht von 114 g/m², eine Dicke von 0,30 mm und eine Dichte von 0,380 g/cc.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Karbonfasergewebe, gewebt aus Kettfäden mit einer Dicke von 0,47 mm, umfassend ein Garn, und Schussfäden mit einer Dicke von 0,47 mm, umfassend ein Garn, wurde als ein Grundmaterial einer Gas-Diffusions-Schicht verwendet, um eine Elementarzelle herzu stellen. Das Karbonfasergewebe hatte eine Kettfadendichte von 21,3 Fäden/cm, eine Schussfadendichte von 17,3 Fäden/cm, ein Grundgewicht von 100 g/m², eine Dicke von 0,27 mm und eine Dichte von 0,370 g/cc.
Eine Auswahl an Zelltests wurde ausgeführt in einer unten beschriebenen Prozedur unter Verwendung der Elementarzellen von Beispielen 1 bis 5 und Vergleichsbeispielen 1 und 2, wobei eine Auswahl an Karbonfasergeweben hergestellt wurde, durch Variieren der Bindungen davon, wie nachfolgend beschrieben. Zuerst wurde ein Brennstoffgas (Wasserstoffgas) erhitzt und befeuchtet, um einen Taupunkt von 70 °C zu haben, und ein Oxidationsgas (Luft) erhitzt und befeuchtet, um einen Taupunkt von 70 °C zu haben, der Anode bzw. der Kathode zugeführt, und ein Zelltest 1 wurde unter Bedingungen durchgeführt, dass die Temperatur des MEA im Betrieb 70 °C war, eine Wasserstoffgas-Ausnutzungsrate 70% war und eine Luftausnutzungsrate 40% war. Nachfolgend wurde die Luftausnutzungsrate von 40% auf 80% geändert und dann wurde ein Batterietest 2 durchgeführt.
Als nächstes wurde ein Zelltest 3 durchgeführt unter Bedingungen, dass der Taupunkt des Wasserstoffgases, zugeführt der Anode, 67 °C war, der Taupunkt der Luft, zugeführt der Kathode, 70 °C war, die Temperatur des MEA in Betrieb 70 °C war, eine Brennstoffgas-Ausnutzungsrate 70% war und eine Luftausnutzungsrate 40% war. Nachfolgend wurde die Luftausnutzungsrate von 40% auf 80% verändert und dann wurde ein Batterietest 4 durchgeführt.
Ein Zelltest 5 wurde ausgeführt unter Bedingungen, dass der Taupunkt des Wasserstoffgases, zugeführt zu der Anode, 67 °C war, der Taupunkt der Luft, zugeführt zu der Kathode, 65 °C war, die Temperatur der MEA im Betrieb 70 °C war, eine Brennstoffgas- Ausnutzungsrate 70% war und eine Luftausnutzungsrate 40% war. Nachfolgend wurde die Luftausnutzungsrate von 40% auf 80% geändert und dann wurde ein Batterietest 6 durchgeführt.
Ein Zelltest 7 wurde durchgeführt unter Bedingungen, dass der Taupunkt des Wasserstoffgases, zugeführt zu der Anode, 65 °C war, der Taupunkt der Luft, zugeführt zu der Kathode, 65 °C war, die Temperatur der MEA im Betrieb 70 °C war, eine Brennstoffgas-Ausnutzungsrate 70% war und eine Luftausnutzungsrate 40% war. Nachfolgend wurde die Luftausnutzungsrate von 40% auf 80% geändert, und dann wurde ein Batterietest 8 durchgeführt.
Ein Zelltest 9 wurde durchgeführt unter Bedingungen, dass der Taupunkt des Wasserstoffgases, zugeführt zu der Anode, 65 °C war, der Taupunkt der Luft, zugeführt zu der Kathode, 55 °C war, die Temperatur der MEA in Betrieb 70 °C war, eine Brennstoffgas-Ausnutzungsrate 70% war und eine Luftausnutzungsrate 40% war. Nachfolgend wurde die Luftausnutzungsrate von 40% auf 80% geändert, und dann wurde ein Batterietest 10 durchgeführt. Eine gegenwärtige Dichte während des Betriebs war 0,3 A/cm² in jedem der oben genannten Zelltests 1 bis 10.
Tabelle 1 zeigt die jeweiligen Flächenverhältnisse der Lückenabschnitte und der Schnittabschnitte: (10/W – Y)(10/Z – X)/XY der Karbonfasergewebe, verwendet in den Beispielen 1 bis 5 und in den Vergleichsbeispielen 1 bis 2, und die jeweiligen Betriebsspannungswerte bei den Zelltests 1 bis 10. In Tabelle 1 ist das oben genannte Flächenverhältnis einfach durch „Flächenverhältnis" der Einfachheit halber repräsentiert. Tabelle 1

*A: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 1
*B: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 2
*C: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 3
*D: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 4
*E: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 5
*F: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 6
*G: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 7
*H: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 8
*I: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 9
*J: Betriebsspannung (V) bei Zelltest 10

Das Resultat, dass Unterschiede (A–B, C–D, E–F, G–H und I–J) in der Betriebsspannung in dem Fall des Veränderns der Luftausnutzungsrate von 40% auf 80% unter den selben Bedingungen der Reaktionsgasbefeuchtung und der MEA-Temperatur während dem Betrieb positive Werte sind, zeigt, dass die Betriebsspannung bei der Ausnutzungsrate von 40% höher ist als die Betriebsspannung bei der Ausnutzungsrate von 80%. Das Resultat, das diese Unterschiede klein sind, zeigt, dass die Spannungsveränderung wegen der Ausnutzungsrate (Flussrate) der Luft, welche zur Kathode geführt wird, klein ist, so dass ein stabiler Arbeitsertrag während dem Betrieb erhalten werden kann. Auf der anderen Seite zeigt das Resultat, dass die vorgenannten Unterschiede in der Betriebsspannung groß sind, dass: Die Betriebsspannung ist geeignet zu variieren wegen der Flussrate der Luft; und wenn die Flussrate der Luft gesenkt wird, tendiert der Betrieb in einem Überflutungsstadium zu sein. Ferner zeigt das Resultat, dass die vorgenannten Unterschiede in der Betriebsspannung negative Werte sind, dass der Betrieb dazu neigt, in einem etwas trockenen Stadium zu sein, wenn die Flussrate steigt, weil der Spannungswert steigt, während die Flussrate gesenkt wird.
Wie aus der Tabelle 1 verstanden wird, zeigten die Elementarzellen in den Beispielen 1 bis 5 unter Verwendung des Karbonfasergewebes mit dem Flächenverhältnis: (10/W – Y)(10 – Z – X)/XY im Bereich von 1/1500 bis 1/5 höhere Betriebsspannungen bei jedem der Zelltests 1 bis 8 als die Betriebsspannungen der Elementarzellen in den Vergleichsbeispielen 1 und 2, da überschüssiges Wasser im Betrieb unter einer hochfeuchten Bedingung in den Beispielen 1 bis 5 reibungslos abgeführt wurde.
Auf der anderen Seite zeigten die Elementarzellen in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 unter Verwendung des Karbonfasergewebes mit dem Flächenverhältnis: (10/W – Y)(10 – Z – X)/XY außerhalb des vorgenannten Bereichs im Vergleich mit den Elementarzellen der Beispiele niedrigere Betriebsspannungen bei jedem der Zelltests 1 bis 6 und größere Unterschiede (A–B, C–D und E–F) bei der Betriebsspannung wegen dem Unterschied in der Ausnutzungsrate (Flussrate) der Luft. Dies ist vermutlich deshalb, weil Wasser, welches an der Kathode produziert wird, nicht reibungslos abgeleitet wurde, was die Überflutung hervorruft.
Noch spezieller wird angenommen, dass im Vergleichsbeispiel 1 eine gleichmäßige wasserabweisende Schicht nicht gebildet wurde, da dort zu viele Öffnungsabschnitte in dem Karbonfasergewebe waren und überflüssiges Wasser nicht leicht abgeleitet wurde, weil der Höhenunterschied zwischen den konvexen Abschnitten und den konkaven Abschnitten auf der Oberfläche groß war. Auf der anderen Seite wird vermutet, dass in Vergleichsbeispiel 2 überschüssiges Wasser nicht reibungslos abgeleitet wurde, weil dort wenige Öffnungsabschnitte in dem Karbonfasergewebe waren, was eine schwierige Penetration von überschüssigem Wasser durch die Gas-Diffusions-Schicht bewirkt.
In jedem der Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiel 1 sind die Betriebsspannungen, welche bei den Zelltests 9 und 10 beobachtet wurden, kleiner als in den Zelltests 1 bis 8. Darüber hinaus zeigt das Resultat, dass die Unterschiede in der Betriebsspannung (I–J) von diesen Elementarzellen entweder negative Werte oder null sind, dass der Betrieb dazu neigt, in einem einigerma ßen trockenen Stadium zu sein, wenn eine Luft mit einer relativ niedrigen Feuchtigkeit, einem Taupunkt von 55 °C zu der Kathode geführt wird. Unterdessen tendiert der Betrieb im Vergleichsbeispiel 2 nicht dazu, in einem trockenen Stadium zu sein, da die Penetration von Wasser durch die Gas-Diffusions-Schicht schwierig ist, und der Betriebsspannungsunterschied (I–J) ein positiver Wert ist, sogar bei den Zelltests 9 und 10.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine elektrolytische Membran-Elektroden-Anordnung für polymere elektrolytische Brennstoffzellen zur Verfügung gestellt werden, welche eine exzellente Überflutungsresistenzcharakteristik bei einem Betrieb unter einer hochfeuchten Bedingung hat, und es kann eine hohe Betriebsspannung erhalten werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es zu verstehen, dass eine solche Offenbarung nicht als limitierend interpretiert werden kann. Verschiedene Alternativen und Modifikationen werden ohne Zweifel für einen Fachmann, den die vorliegende Erfindung betrifft, deutlich werden, nachdem er die obige Offenbarung gelesen hat.

Claims

Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen, aufweisend eine Polymerelektrolytmembran und ein Paar von Elektroden, zwischen denen die Polymerelektrolytmembran angeordnet ist, wobei jede der Elektroden eine Katalysatorschicht in Kontakt mit der Polymerelektrolytmembran und eine Gasdiffusionsschicht aufweist, die eine wasserabweisende Schicht in Kontakt mit der Katalysatorschicht aufweist, das Basismaterial der Gasdiffusionsschicht aus einem Elektronen leitenden Kohlenstofffasergewebe hergestellt ist, das erhalten wird durch Weben von Kett- und Schussfäden, die aus Elektronen leitender Kohlenstofffaser bestehen, Öffnungsabschnitte in oder zwischen Kreuzpunkten von Kette und Schuss gebildet sind, und die Fläche von Öffnungsabschnitten wo weder der Kettfaden noch der Schussfaden vorhanden ist, relativ zu der Fläche der Kreuzabschnitte verkleinert ist, wo der Kettfaden den Schussfaden kreuzt, um das Verhältnis zwischen den beiden Flächen in den Bereich von 1/1500 bis 1/5 zu legen.
Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei die Beziehung: 1/1500 ≤ (10/W – Y)(10/Z – X)/XY ≤ 1/5 erfüllt ist, wenn das Kohlenstofffasergewebe eine Kettdichte von Z Fäden/cm, eine Schussdichte von W Fäden/cm, eine Kettdicke von X mm und eine Schussdicke von Y mm aufweist.
Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kohlenstofffasergewebe eine Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm, bevorzugt im Bereich von 0,05 mm bis 0,2 mm aufweist.
Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kohlenstofffasergewebe eine Dichte im Bereich von 0,32 g/cc bis 0,42 g/cc aufweist.
Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei entweder die Kettdichte oder die Schussdichte des Kohlenstofffasergewebes im Bereich von 16 Fäden/cm bis 45 Fäden/cm liegt, und wobei die andere der beiden Dichten im Bereich von 12 Fäden/cm bis 40 Fäden/cm liegt.
Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei gleichmäßig beabstandete Kettfäden gleichermaßen beabstandete Schussfäden rechtwinklig schneiden.
Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fäden aus mehreren Fasern (Fäden) bestehen, wie etwa Zwirnen, die aus zumindest zwei Fasern (Fäden) hergestellt sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, die den Elektrolytmembran-Elektrodenaufbau für Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, wobei das Verfahren die Erzeugung von elektrischem Strom vorsieht durch Bereitstellen einer Charge von befeuchtetem Brenn stoffgas zu der Anode und einer Charge von befeuchtetem Oxidansgas zu der Kathode, aufweisend den Schritt: Steuern des Taupunkts des Brennstoffgases und des Taupunkts des Oxidansgases auf eine Temperatur äquivalent zu oder 5°C weniger als der Temperatur des sich in Betrieb befindlichen Elektrolytmembran-Elektrodenaufbaus.