DE112005002020T5

DE112005002020T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112005002020T5
Application number: DE112005002020T
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Toyota Kimura; Kenji Toyota Tsubosaka; Manabu Toyota Kato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-11-04
Also published as: CA2574873C; US20070237997A1; DE112005002020B4; JP2006134725A; CN101002357A; CA2574873A1; WO2006048764A1; JP4872206B2; CN100459264C; US8092945B2

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einem Stapelkörper, welcher durch Stapeln einer Membran-Elektroden-Anordnung und eines Separators gebildet ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung eine Elektrolytschicht und Elektrodenschichten einschließt, von denen eine auf einer Seite der Elektrolytschicht und die andere auf der anderen Seite der Elektrolytschicht vorgesehen ist, und
einer Zufuhreinrichtung zum Zuführen von Ionen, welche Wasserstoffperoxid einfangen, zu der Membran-Elektroden-Anordnung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellensystem und spezieller auf ein Brennstoffzellensystem einschließlich einer Brennstoffzelle mit verbesserter Haltbarkeit.
2. Beschreibung des technischen Hintergrunds
In Brennstoffzellen wird elektrische Energie durch die elektrochemische Reaktion erzeugt, welche in einer Membran-Elektroden-Anordnung (hiernach als „MEA" bezeichnet) auftritt. Die MEA schließt einen Elektrolyten und Elektroden (eine Kathode und eine Anode) ein. Eine der Elektroden ist auf einer Seite des Elektrolyten vorgesehen, und die andere der Elektroden ist auf der anderen Seite des Elektrolyten vorgesehen. Die erzeugte elektrische Energie wird aus der MEA über Separatoren abgenommen. Ein Separator ist auf einer Seite der MEA vorgesehen, und ein weiterer Separator ist auf der anderen Seite der MEA vorgesehen. Eine Brennstoffzelle mit Polymerelektrolyt (polymer electrolyte fuel cell, hiernach als „PEFC" bezeichnet), welche eine Brennstoffzellenart ist, wird in einem Co-Erzeugungssystem zur Verwendung im Haushalt, für ein Kraftfahrzeug und dergleichen eingesetzt. Die PEFC kann bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Im Allgemeinen wird die PEFC zwischen Temperaturen von 50 bis 100°C betrieben. Die PEFC weist eine hohe Effizienz der Energieumwandlung von 50 bis 60% auf. Es bedarf nur eines kurzen Zeitraums, um den Betrieb der PEFC zu starten. Zudem sind PEFC-Systeme kompakt und leicht. Daher ist die PEFC zur Verwendung als Energiequelle für ein elektrisches Fahrzeug, eine tragbare Energiequelle und dergleichen geeignet.
Eine individuelle PEFC-Zelle schließt eine Elektrolytmembran, eine Elektrode, eine Anode und Separatoren ein. Die Kathode und die Anode schließen beide eine Katalysatorschicht und eine Diffusionsschicht ein. Eine einzelne PEFC-Zelle hat eine theoretische elektromotorische Kraft von 1,23 V. Da eine einzelne Zelle solch eine niedrige elektromotorische Kraft aufweist, kann sie nicht genügend Energie liefern, um ein elektrisches Fahrzeug und dergleichen zu bewegen. Daher wird gewöhnlich ein Brennstoffzellenstapel eingesetzt. Ein Brennstoffzellenstapel schließt einen Stapelkörper, Endplatten und dergleichen ein. Der Stapelkörper wird gebildet, indem einzelne Zellen in Serie gestapelt werden. Die Endplatten werden an beiden Enden des Stapelkörpers in der Richtung angeordnet, in welcher die einzelnen Zellen gestapelt sind.
Es wurde gefunden, dass wenn die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt, in der Katalysatorschicht in der Zelleneinheit Wasserstoffperoxid erzeugt wird, welches zu einer Verschlechterung des Polymerelektrolyten der MEA führt. Die Verschlechterung des Polymerelektrolyten kann das Leistungsmerkmal der Erzeugung elektrischer Energie der Brennstoffzelle verschlechtern. Daher ist es wünschenswert, die Verschlechterung des Polymerelektrolyten durch Verringerung der Wasserstoffperoxidmenge in der MEA zu unterdrücken, wodurch die Haltbarkeit und das Leistungsmerkmal der Erzeugung elektrischer Energie der Brennstoffzelle verbessert werden.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-2003-100308 (hiernach „JP-A-2003-100308") offenbart ein Beispiel einer Technologie zur Verbesserung des Leistungsmerkmals der Erzeugung elektrischer Energie einer Brennstoffzelle. Spezieller offenbart JP-A-2003-100308 einen Kathodenkatalysator für eine Brennstoffzelle. Bei dem Kathodenkatalysator trägert ein Träger, welcher Pt trägert, des Weiteren CeO₂. Durch Verwendung dieses Katalysators läuft die Reduktionsreaktion von Sauerstoff mit erhöhter Geschwindigkeit ab. Zudem offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-2003-86192 (hiernach „JP-A-2003-86192") eine Brennstoffzelle, bei der eine Kathodenelektrode eine dünne Schicht aus Katalysator/Oxid/Polymerelektrolyt einschließt. Die dünne Schicht aus Katalysator/Oxid/Polymerelektrolyt besteht aus einem Oxid, einem Katalysator und einem festen Polymerelektrolytmaterial. In dieser Brennstoffzelle wird ein Übergang unterdrückt. Somit kann eine Verschlechterung des Leistungsmerkmals der Erzeugung elektrischer Energie aufgrund eines Übergangs verhindert werden.
Verschiedene Substanzen wie etwa ein von der Außenseite der Brennstoffzelle zugeführtes Reaktionsgas und im Inneren der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser bewegen sich in der MEA. Selbst wenn vorausgehend gemäß der in JP-A-2003-100308 offenbarten Technologie ein CeO₂-haltiger Katalysator in die Katalysatorschicht hineingemischt wird, ist es daher wahrscheinlich, dass der CeO₂-haltige Katalysator aus der MEA durch die verschiedenen Substanzen entfernt wird. Selbst wenn die in JP-A-2003-100308 offenbarte Technologie eingesetzt wird, ist es somit schwierig, die Wirkung des CeO₂ in der MEA beizubehalten und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern. Selbst wenn die in JP-A-2003-86192 offenbarte Technologie eingesetzt wird, ist es ebenfalls schwierig, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem einschließlich einer Brennstoffzelle mit verbesserter Haltbarkeit bereitzustellen.
Um die Aufgabe zu lösen, bezieht sich ein erster Aspekt der Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem einschließlich eines Stapelkörpers und einer Zufuhreinrichtung/eines Zufuhrabschnitts. Der Stapelkörper ist gebildet, indem eine Membran-Elektroden-Anordnung (hiernach als „MEA" bezeichnet) und ein Separator gestapelt sind. Die MEA schließt eine Elektrolytschicht und Elektrodenschichten ein, von denen eine auf einer Seite der Elektrolytschicht und die andere auf der anderen Seite der Elektrolytschicht vorgesehen ist. Die Zufuhreinrichtung/der Zufuhrabschnitt liefert Ionen, welche Wasserstoffperoxid in der MEA ab- bzw. einfangen können.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können von der Außenseite der MEA Ionen in die MEA zugeführt werden, welche Wasserstoffperoxid einfangen. Daher werden die Ionen konstant in die MEA zugeführt, während die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt. Das heißt, gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die durch Wasserstoffperoxid hervorgerufene Verschlechterung des Elektrolyten durch Einfangen des Wasserstoffperoxids in der MEA unter Verwendung von Ionen unterdrückt werden, welche Wasserstoffperoxid einfangen können.
In dem ersten Aspekt der Erfindung kann eine Substanz, welche zu der Membran-Elektroden-Anordnung zuzuführen ist, die Ionen zu der MEA tragen. Die Zufuhreinrichtung/der Zufuhrabschnitt kann eine Zuflussleitung zum Zuführen der zu der Membran-Elektroden-Anordnung zuzuführenden Substanz sowie eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt (Mittel) zur Zugabe der Ionen zu der zu der Membran-Elektroden-Anordnung zuzuführenden Substanz einschließen. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt kann entweder in der Zuflussleitung oder dem Separator vorgesehen sein.
Bei diesem Aufbau kann die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt, welche entweder in der Zuflussleitung oder dem Separator vorgesehen ist, die das Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen zu der zu der MEA zuzuführenden Substanz zugeben, bevor die Substanz die MEA erreicht. Somit können die das Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen auf einfachere Weise zu der MEA zugeführt werden.
Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt kann wenigstens eines von einem Element und einer Verbindung, aus welchem bzw. aus welcher die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen eluiert werden, sowie eine die Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt (Mittel) zur Beförderung der Elution der Ionen aus dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung einschließen.
Da die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt die eine Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt zur Beförderung der Elution der Ionen, welche die Fähigkeit zum Einfangen von Wasserstoffperoxid haben, aus wenigstens einem von dem Element und der Verbindung einschließt, können die Ionen zu der zu der MEA zuzuführenden Substanz auf effektivere Weise zugegeben werden. Somit können die das Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen einfacher zu der MEA zugeführt werden.
Die eine Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt kann eine Elutionslösungsmittel zugebende Einrichtung/Abschnitt (Mittel) zur Zugabe von Elutionslösungsmittel sein, welches die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen eluiert.
Da die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen unter Verwendung des Elutionslösungsmittels eluiert werden, können die Ionen in dem Brennstoffzellensystem mit einer erwünschten zeitlichen Steuerung eluiert werden.
Wenigstens eines von dem Element und der Verbindung, aus welchem die Ionen eluiert werden, welche die Fähigkeit zum Einfangen von Wasserstoffperoxid haben, kann ersetzbar sein.
Bei dieser Ausgestaltung ist entweder eines oder sind beide von dem Element oder der Verbindung, aus welchem die Ionen eluiert werden, welche die Fähigkeit zum Einfangen von Wasserstoffperoxid haben, vorgesehen und entweder eines oder beide von dem Element und der Verbindung sind ersetzbar. Daher kann zu einem Zeitpunkt eine kleine Menge von dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung zugegeben werden. Dies verhindert eine durch Zugabe einer großen Menge von dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung hervorgerufene Verschlechterung des Leistungsmerkmals der Erzeugung elektrischer Energie. Somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden, ohne das Leistungsmerkmal der Erzeugung elektrischer Energie über einen langen Zeitraum zu verschlechtern.
Das wenigstens eine von dem Element und der Verbindung, aus welchem die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen stammen, kann in einem Abschnitt des Rohrs vorgesehen sein, welches sich in horizontaler Richtung erstreckt, was wenigstens einen unteren Abschnitt des Rohrs in der Richtung der Gravitationskraft einschließt. Die Menge des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit des Rohrabschnitts kann größer sein als die Menge des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit jedes anderen Rohrabschnitts.
Die Substanz, welche die Elution der Ionen befördert, welche Wasserstoffperoxid einfangen können, sammelt sich leicht im unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft an. Bei dem vorstehend erwähnten Aufbau ist eine größere Menge von dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung, aus welchen die Ionen eluiert werden, welche die Fähigkeit zum Einfangen von Wasserstoffperoxid haben, in dem unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft vorgesehen. Daher können die Ionen mit der Fähigkeit zum Einfangen von Wasserstoff auf effektive Weise eluiert werden. Somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem auf einfache Weise verbessert werden.
Z. B. kann das wenigstens eine von dem Element und der Verbindung in einem Abschnitt der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt vorgesehen sein, welcher einen untersten Abschnitt der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft einschließt. Zudem kann das wenigstens eine von dem Element und der Verbindung so in der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt vorgesehen sein, dass die durchschnittliche Masse des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit der unteren Hälfte der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft größer als die durchschnittliche Masse des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit der oberen Hälfte der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft ist.
Eine hygroskopische Substanz kann in wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung vorgesehen sein, aus welchen die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen eluiert werden.
Da die hygroskopische Substanz in wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung vorgesehen ist, kann die Substanz, welche die Elution der Ionen befördert, auf effiziente Weise zu der Oberfläche des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung zugeführt werden. Somit können die Ionen leicht eluiert werden.
Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt kann die Verbindung, aus welcher die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen eluiert werden, sowie die Elutionslösungsmittel zugebende Einrichtung/Abschnitt einschließen. Die Verbindung kann ein Metalloxid sein, und das durch die Elutionsmittel. zugebende Einrichtung/Abschnitt zugegebene Elutionsmittel kann ein saures Lösungsmittel sein.
Da die Sauerstoffperoxid einfangenden Ionen aus dem Metalloxid unter Verwendung des sauren Elutionslösungsmittels eluiert werden, können die Ionen leicht eluiert werden, und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem kann verbessert werden.
Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt kann eine ionenhaltige Flüssigkeit speichernde Einrichtung/Abschnitt (Mittel) zum Speichern einer Flüssigkeit, welche die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen enthält, und eine Einleitungseinrichtung/Abschnitt (Mittel) zum Einleiten der Flüssigkeit in der ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Einrichtung/Abschnitt in wenigstens eines von der Zuflussleitung und dem Separator einschließen. Zudem kann die Einleitungseinrichtung/Abschnitt eine Steuereinrichtung/Abschnitt (Mittel) zur Steuerung eines Modus einschließen, in welchem die Flüssigkeit, welche die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen enthält, in entweder eines oder beide von der Zuflussleitung und dem Separator eingeleitet wird.
Da die Flüssigkeit, welche die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen enthält, zu der MEA zugeführt wird, kann das Wasserstoffperoxid in der MEA durch die Ionen auf effektivere Weise zersetzt werden. Da die Steuerungseinrichtung/Abschnitt zur Steuerung des Modus, in welchem die Flüssigkeit, welche die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen enthält, eingeleitet wird, vorgesehen ist, können zudem die zu der MEA zuzuführende Flüssigkeitsmenge, der Zeitpunkt, zu dem die Flüssigkeit zu der MEA zugeführt werden kann, und dergleichen gesteuert werden. Somit kann die Flüssigkeit, welche die Ionen enthält, verwendet werden, ohne die Flüssigkeit in dem Brennstoffzellensystem zu vergeuden.
Es ist bekannt, dass Wasserstoffperoxid in einer Katalysatorschicht erzeugt wird, wenn die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt. Die Elektrolytschicht, welche die MEA bildet, verschlechtert sich aufgrund von OH-Radikalen, welche aus dem Wasserstoffperoxid erzeugt werden. Durch Zuführen der Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen von der Außenseite der MEA in die MEA kann das in der MEA erzeugte Wasserstoffperoxid über einen langen Zeitraum eingefangen werden. Da die Verschlechterung der Elektrolytschicht auf einfache Weise für einen langen Zeitraum unterdrückt werden kann, kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden.
Die Erfindung ist im Hinblick auf das Vorstehende gemacht worden. Ein Schlüsselmerkmal der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei welchem die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden kann, indem Wasserstoffperoxid einfangende Ionen zu der MEA zugeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden, in denen:
die 1 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Brennstoffzellensystem in einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
die 2 eine schematische Schnittansicht ist, welche ein Beispiel für den Aufbau des Brennstoffzellenstapels zeigt,
die 3A und 3B schematische Diagramme sind, die jeweils ein Brennstoffzellensystem in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigen,
die 4A und 4B schematische Diagramme sind, die jeweils ein Beispiel für eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt zeigen,
die 5A, 5B und 5C schematische Diagramme sind, die jeweils ein Beispiel für eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt zeigen,
die 6 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Beispiel für eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt zeigt,
die 7 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Brennstoffzellensystem in einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
die 8A und 8B schematische Diagramme sind, die jeweils ein Brennstoffzellensystem in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigen,
die 9 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Beispiel für einen Separator einschließlich einer Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt zeigt, und
die 10 ein Graph ist, welcher das Ergebnis eines Haltbarkeitstests zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hiernach wird ein Brennstoffzellensystem gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In dem beispielhaften Ausführungsformen wird eine PEFC eingesetzt.
Die 1 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Brennstoffzellensystem in einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie es in 1 gezeigt ist, schließt ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung eine Anodenzuflussleitung 11, einen Brennstoffstapel 12 (hiernach als „FC-Stapel" bezeichnet), eine Kathodenzuflussleitung 13 und eine Kathodenabflussleitung 14 ein. Die Anodenzuflussleitung 11 ist ein zirkulierendes System zum Zirkulieren und Zuführen einer wasserstoffhaltigen Substanz, welche diatomaren Wasserstoff einschließen kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Der FC-Stapel 12 schließt einen Stapelkörper ein (nicht gezeigt), welcher durch Stapeln von MEAen und Separatoren gebildet wird. Die Kathodenzuflussleitung 13 ist ein nicht zirkulierendes System zum Zuführen einer sauerstoffhaltigen Substanz, welche Atmosphärenluft einschließen kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 90 ist in der Anodenzuflussleitung 11 vorgesehen. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 90 gemäß dieser Ausführungsform ist ein Rohr, welches einen Abschnitt der Anodenzuflussleitung 11 bildet. Spezieller bildet die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 90 (welche hiernach als „Rohr 90" bezeichnet sein kann) einen Abschnitt der Anodenzuflussleitung 11 auf der stromaufwärtigen Seite. Die gesamte innere Oberfläche des Rohrs 90 ist mit Ce beschichtet. Spezieller ist die Ce-Beschichtung im unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft dicker als die Ce-Beschichtung in irgendeinem anderen Abschnitt. Wenn die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt, wird Säure (z. B. Schwefelsäure) von der Elektrolytmembran in dem FC-Stapel eluiert. Wenn die Säure mit der auf der inneren Oberfläche des Rohrs 90 vorgesehenen Ce-Beschichtung in Kontakt tritt, werden Ce³⁺-Ionen, welche durch Zersetzung von Wasserstoffperoxid dazu in der Lage sind, Wasserstoffperoxid einzufangen, aus der inneren Oberfläche des Rohrs 90 eluiert. Dann werden die Ce³⁺-Ionen über die zirkulierende Anodenzuflussleitung 11 zur der MEA des FC-Stapels zugeführt. Somit wird das Wasserstoffperoxid in der MEA eingefangen, und die Verschlechterung der Elektrolytmembran wird unterdrückt. In der 1 und in den 3 bis 10, die jeweils eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung zeigen, gibt jeder Pfeil schematisch die Strömungsrichtung der zu der MEA zuzuführenden Substanz oder die Strömungsrichtung der von der MEA abgegebenen Substanz an.
Die 2 zeigt schematisch ein Beispiel für den Aufbau des FC-Stapels 12 des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. Spezieller ist 2 eine schematische Schnittansicht, welche einen vergrößerten Abschnitt des FC-Stapels 12 zeigt. Bei dem FC-Stapel 12 sind eine Stromsammelplatte (nicht gezeigt) und dergleichen auf den zwei Seiten des Stapelkörpers vorgesehen. Der Stapelkörper schließt eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung 126 (hiernach als „MEGAs" bezeichnet) und Separatoren 120 ein. Die MEGA 126 schließt eine Membran-Elektroden-Anordnung 125 (MEA), eine Kathodendiffusionsschicht 12a, welche auf einer Seite der MEA 125 vorgesehen ist, und eine Anodendiffusionsschicht 12e ein, welche auf der anderen Seite der MEA 125 vorgesehen ist. Die MEA 125 schließt eine Elektrolytmembran 12c, eine Kathodenelektrodenschicht 12b, die auf einer Seite der Elektrolytmembran 12c vorgesehen ist, und eine Anodenelektrodenschicht 12d ein, die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran 12c vorgesehen ist. Wie es in 2 gezeigt ist, wird die MEGA 126 zwischen den Separatoren 120 gehalten. Zufuhrdurchlässe 120a für Reaktionsgas sind auf der Oberfläche eines jeden Separators 120 ausgebildet, welcher mit der Diffusionsschicht 12a in Kontakt steht. Reaktionsdurchlässe 120e sind auf der Oberfläche eines jeden Separators 120 ausgebildet, der mit der Diffusionsschicht 12e in Kontakt steht. Des Weiteren sind in jedem Separator 120 Zufuhrdurchlässe 120f für Kühlmedium ausgebildet. Das Kühlmedium zum Kühlen der MEGAs 126 wird durch die Zufuhrdurchlässe 120f für das Kühlmedium zugeführt. Bei dem vorstehend erwähnten FC-Stapel 12 wird von der Anodenzuflussleitung 11 zugeführter Wasserstoff über die Zufuhrdurchlässe 120e für Reaktionsgas und die Anodendiffusionsschicht 12e zu der Anodenelektrodenschicht 12d zugeführt. Von der Kathodenzuflussleitung 13 zugeführte Luft wird über die Zufuhrdurchlässe 120a für Reaktionsgas und die Kathodendiffusionsschicht 12a zu der Kathodenelektrodenschicht 12b zugeführt.
In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform werden Ce³⁺-Ionen von der Anode zugeführt.
Die in der PEFC eingesetzte Elektrolytmembran ist für positive Ionen permeabel. Nachdem von der Anode zugeführte Ce³⁺-Ionen die Elektrolytmembran 12c erreicht und Wasserstoffperoxid eingefangen haben, treten daher die verbleibenden Ce³⁺-Ionen durch die Elektrolytmembran 12c hindurch, so dass sie die Kathode erreichen. Da die Ce³⁺-Ionen über die Anodenzuflussleitung 11 zugeführt werden, können somit bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform die Ce³⁺-Ionen über die gesamte MEA 125 verteilt werden. Daher kann eine Verschlechterung der Elektrolytmembran 12c auf effektive Weise unterdrückt werden.
Wie vorstehend beschrieben wird als Nebenprodukt in der Elektrolytmembran Säure erzeugt, wenn die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt. Die Säure wird verwendet, um zu bestimmen, ob sich die Elektrolytmembran verschlechtert hat. Ob sich die Elektrolytmembran verschlechtert hat, kann spezieller auf der Grundlage bestimmt werden, ob Säure von dem FC-Stapel abgegeben bzw. ausgestoßen worden ist. Wie vorstehend beschrieben dient bei dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform die von dem FC-Stapel 12 abgegebene Säure als die Elution von Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt (Mittel), und Ce³⁺-Ionen werden aus dem Rohr 90 nur unter Verwendung der ausgestoßenen Säure eluiert. Die Verschlechterung der Elektrolytmembran 12c wird durch die Ce³⁺-Ionen unterdrückt. Spezieller wird bei dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform die Verschlechterung der Elektrolytmembran 12c unter Verwendung der Ionen unterdrückt, welche durch die Säure eluiert werden, welche aufgrund der Verschlechterung der Elektrolytmembran 12c erzeugt wird. Das heißt, das Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform stellt sich selber wieder her. Somit kann bei dem Brennstoffzellensystem 100 die Elektrolytmembran 12c der PEFC, welche sich während der Erzeugung elektrischer Energie verschlechtert hat, gemäß dem Ausmaß der Verschlechterung auf angemessene Weise wiederhergestellt bzw. repariert werden.
Die 3A ist ein schematisches Diagramm, welches ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie es in 3A gezeigt ist, schließt ein Brennstoffzellensystem 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Anodenzuflussleitung 21, eine Anodenabflussleitung 24, den FC-Stapel 12 und eine Kathodenzuflussleitung 23 ein. Die Anodenzuflussleitung 21 ist ein nicht zirkulierendes System zum Zuführen von Wasserstoff. Die Kathodenzuflussleitung 23 ist ein zirkulierendes System zum Zirkulieren und Zuführen von Luft. Das Rohr 90 ist stromaufwärtig der Kathodenzuflussleitung 23 vorgesehen. In der 3A sind Abschnitte, welche jenen entsprechen, die für das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung von diesen wird weggelassen.
In dem Brennstoffzellensystem 200 gemäß der in 3A gezeigten zweiten Ausführungsform werden Ce³⁺-Ionen von der Kathode zugeführt. Spezieller werden gemäß der zweiten Ausführungsform Ce³⁺-Ionen über die Kathodenzuflussleitung 23 zu der MEA 125 zugeführt, und Wasserstoffperoxid in der MEA 125 kann eingefangen werden. Daher kann bei dem Brennstoffzellensystem 200 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Verschlechterung der Elektrolytmembran 12c ebenfalls unterdrückt werden. Somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem 200 gemäß der zweiten Ausführungsform verbessert werden.
Die 3B ist ein schematisches Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie es in 3B gezeigt ist, schließt ein Brennstoffzellensystem 300 gemäß dieser dritten Ausführungsform eine Anodenzuflussleitung 11, einen FC-Stapel 12 und eine Kathodenzuflussleitung 23 ein. Die Anodenzuflussleitung 11 ist ein zirkulierendes System zum Zirkulieren und Zuführen von Wasserstoff. Die Kathodenzuflussleitung 23 ist ein zirkulierendes System zum Zirkulieren und Zuführen von Luft. Das Rohr 90 ist stromaufwärtig der Anodenzuflussleitung 11 vorgesehen. Zudem ist ein zweites Rohr 90 stromaufwärtig der Kathodenzuflussleitung 23 vorgesehen. In der 3B sind Abschnitte, welche jenen des Brennstoffzellensystems 100, welches in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, oder jenen des Brennstoffzellensystems 200 entsprechen, welches in der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde, mit den gleichen Bezugszeichen wie in der 1 oder der 3A bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung von diesen wird weggelassen.
Bei dem Brennstoffzellensystem 300 gemäß einer dritten Ausführungsform, wie sie in 3B gezeigt ist, werden Ce³⁺-Ionen von der Anode und der Kathode zugeführt. Somit können bei der dritten Ausführungsform Ce³⁺-Ionen von beiden Seiten der MEA 125 zugeführt werden (d. h. von der Anode und der Kathode). Daher kann die Verschlechterung der Elektrolytmembran 12c auf effektivere Weise unterdrückt werden. Somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle bei dem Brennstoffzellensystem 300 in der dritten Ausführungsform auf effektivere Weise verbessert werden.
Bei der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsform weist das Rohr 90 eine mit Ce beschichtete innere Oberfläche auf und ist stromaufwärtig einer jeden zirkulierenden Zuflussleitung vorgesehen (d. h. auf der Zufuhrseite des Brennstoffstapels). Allerdings ist die Anordnung des Rohrs 90 nicht auf Positionen stromaufwärtig einer jeden zirkulierenden Zuflussleitung beschränkt. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 90 kann an einer geeigneten Position vorgesehen sein, z. B. stromabwärtig der Zuflussleitung (d. h. auf der Abfluss- bzw. Ausstoßseite des Brennstoffstapels).
Zudem werden in der vorstehenden Beschreibung Ce³⁺-Ionen von der inneren Oberfläche des Rohrs 90 unter Verwendung einer Säure eluiert, welche von der Elektrolytmembran 12c abgegeben wird. Allerdings ist das Rohr 90 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Z. B. können Ce³⁺-Ionen unter Verwendung eines Elutionslösungsmittels eluiert werden, welches von einer Quelle zugeführt wird, die sich außerhalb der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 90 befindet, zusätzlich zu der vorstehend erwähnten Säure. Die 4A und 4B zeigen beide schematisch eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt mit diesem Aufbau. Die nachstehend beschriebene Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt kann für ein Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, bei dem Ce³⁺-Ionen unter Verwendung eines Elutionslösungsmittels eluiert werden, welches von einer Quelle zugeführt wird, die sich außerhalb der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 90 befindet, anstelle der vorstehend erwähnten Säure, welche von der Elektrolytmembran 12c abgegeben wird.
Wie es in 4A gezeigt ist, schließt die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 91 eine Speichereinrichtung/Abschnitt 91a, eine Zufuhrpumpe 91b, ein Rohr 91d, eine Zufuhrsteuereinrichtung/Abschnitt 91e und ein Verbindungsrohr 91c ein. Das Elutionslösungsmittel wird in der Speichereinrichtung/Abschnitt 91a gespeichert. Die Ce-Beschichtung ist auf der gesamten inneren Oberfläche des Rohrs 91d vorgesehen. Die Zufuhrpumpe 91b führt das Elutionslösungsmittel zu dem Rohr 91d zu. Die Zufuhrsteuereinrichtung/Abschnitt 91e steuert die zuzuführende Menge des Elutionslösungsmittels und den Zeitpunkt, zu welchem das Elutionslösungsmittel zugeführt wird. Das Verbindungsrohr 91c verbindet diese Komponenten. Das Rohr 91d bildet einen Abschnitt der Anodenzuflussleitung und/oder einen Abschnitt der Kathodenzuflussleitung. Die Speichereinrichtung/Abschnitt 91a, die Zufuhrpumpe 91b, das Verbindungsrohr 91c und die Zufuhrsteuereinrichtung/Abschnitt 91e fungieren als die Elution von Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt (Elutionslösungsmittel zuführende Einrichtung/Abschnitt). Die 4B zeigt schematisch einen vergrößerten Abschnitt des Verbindungsrohrs 91c und einen vergrößerten Abschnitt des Rohrs 91d. Wie es in 4B gezeigt ist, wird das Elutionslösungsmittel durch das Verbindungsrohr 91c zugeführt. Dann wird das Elutionslösungsmittel gleichmäßig in das Rohr 91d eingespeist, dessen innere Oberfläche mit Ce beschichtet ist. Z. B. wird das Elutionslösungsmittel über eine Düse 91f mit konischer Gestalt eingespeist, welche an dem Ende des Rohrs 91c vorgesehen ist. Die innere Oberfläche des Rohrs 91d ist auf solch eine Weise mit Ce beschichtet, dass die Ce-Beschichtung in dem unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft dicker als die Ce-Beschichtung in allen anderen Abschnitten ist. Durch Vorsehen einer Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 91 mit diesem Aufbau können aus der Beschichtung in dem Rohr 91d unter Verwendung des Elutionslösungsmittels Ce³⁺-Ionen eluiert werden. Zusätzlich können selbst in dem Fall, dass das Elutionslösungsmittel in der Richtung der Gravitationskraft abwärts fließt, Ce³⁺-Ionen auf effektive Weise eluiert werden, da die Ce-Beschichtung im unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft dick ist. Somit kann bei dem Brennstoffzellensystem, welches die Zufuhreinrichtung/Abschnitt 91 einschließt, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden.
In der vorstehenden Beschreibung schließt die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt das Rohr mit der mit Ce beschichteten inneren Oberfläche ein, weiches einen Abschnitt der Zuflussleitung bildet. Allerdings ist die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Z. B. kann die Ce-Beschichtung auf der gesamten inneren Oberfläche des Rohrs vorgesehen sein, welches die Zuflussleitung bildet. Die 5A, 5B und 5C zeigen eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt mit anderen Ausgestaltungen gemäß der Erfindung.
Die in 5A gezeigte Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 schließt eine Speichereinrichtung/Abschnitt 92a, ein Beschichtungselement 92d, eine Zufuhrpumpe 92b, eine Zufuhrsteuereinrichtung/Abschnitt 92e und ein Verbindungsrohr 92c ein. Das Elutionslösungsmittel ist in der Speichereinrichtung/Abschnitt 92a gespeichert. Das Beschichtungselement 92d ist ersetzbar. Die innere Oberfläche des Beschichtungselements 92d ist mit Ce beschichtet. Die Zufuhrpumpe 92b führt das Elutionslösungsmittel zu dem Beschichtungselement 91d und der Zuflussleitung zu. Die Zufuhrsteuereinrichtung/Abschnitt 92e steuert die zuzuführende Menge des Elutionslösungsmittels und den Zeitpunkt, zu welchem das Elutionslösungsmittel zugeführt wird. Das Verbindungsrohr 92c verbindet diese Komponenten. Die Speichereinrichtung/Abschnitt 92a, die Zufuhrpumpe 92b, das Verbindungsrohr 92c und die Zufuhrsteuereinrichtung/Abschnitt 92e fungieren als die Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt (Elutionslösungsmittel zuführende Einrichtung/Abschnitt). Die 5B zeigt schematisch einen vergrößerten Abschnitt des zwischen dem Beschichtungselement 92d und der Zuflussleitung vorgesehenen Verbindungsrohrs 92c sowie einen vergrößerten Abschnitt der Zuflussleitung. Wie es in 5B gezeigt ist, wird das Ce³⁺-Ionen enthaltende Elutionslösungsmittel durch das Verbindungsrohr 92c zugeführt. Dann wird das Elutionslösungsmittel gleichmäßig in die Zuflussleitung eingespeist. Z. B. wird das Elutionslösungsmittel über eine Düse 92f mit konischer Gestalt eingespeist, welche am Ende des Rohrs 92c vorgesehen ist. In dem Fall, dass die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 diesen Aufbau aufweist, ist das ersetzbare Beschichtungselement 92d außerhalb der Zuflussleitung vorgesehen, und das Ce³⁺-Ionen enthaltende Elutionslösungsmittel wird in die Zuflussleitung eingespeist. Somit können Ce³⁺-Ionen über die Zuflussleitung in die MEA 125 zugeführt werden. Entsprechend kann durch Vorsehen der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden, und ein Wartungsvorgang des Brennstoffzellensystems kann leicht vorgenommen werden.
Die in 5C gezeigte Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 93 schließt eine Speichereinrichtung/Abschnitt 93a, ein Beschichtungselement 93d, ein Zufuhrrohr 93b und ein Zufuhrrohr 93f ein. Das Elutionslösungsmittel ist in der Speichereinrichtung/Abschnitt 93a gespeichert. Das Beschichtungselement 93d ist ersetzbar. Die innere Oberfläche des Beschichtungselements 93d ist mit Ce beschichtet. Ein Gas (z. B. Luft) wird durch das Zufuhrrohr 93b zu dem in der Speichereinrichtung/Abschnitt 93a gespeicherten Elutionslösungsmittel zugeführt. Dampf, Tropfen und dergleichen aus dem Elutionslösungsmittel werden durch das Zufuhrrohr 93f zu dem Beschichtungselement 93d zugeführt. Zudem werden der Dampf und dergleichen, welche(r) durch das Beschichtungselement 93d hindurch getreten ist (sind), durch das Zufuhrrohr 93f zu der Zuflussleitung zugeführt. Durch Vorsehen der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 93 mit diesem Rühreraufbau bzw. Aufbau mit blasenerzeugendem Element werden durch das von dem Zufuhrrohr 93b zugeführte Gas in dem Elutionslösungsmittel Blasen erzeugt, und Ce³⁺-Ionen können von dem Beschichtungselement 93d durch Tropfen und dergleichen eluiert werden, welche von der Flüssigkeitsoberfläche des Elutionslösungsmittels verteilt bzw. verstreut werden. Somit kann durch Vorsehen der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 93 mit diesem Aufbau die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden. Bei der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 93 gemäß dieser Ausführungsform fungieren die Speichereinrichtung/Abschnitt 93a, das Zufuhrrohr 93b und das Zufuhrrohr 93f als die Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt (als Elutionslösungsmittel zuführende Einrichtung/Abschnitt).
In der vorstehenden Beschreibung schließt die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt das mit Ce beschichtete Rohr oder das mit Ce beschichtete Beschichtungselement ein. Allerdings ist die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Die 6 zeigt schematisch eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt mit einem anderen Aufbau, die in dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung vorgesehen sein kann.
Die in 6 gezeigte Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 94 schließt eine ionenhaltige Flüssigkeit speichernde Einrichtung/Abschnitt 94a, eine Zufuhrpumpe 94b, eine Steuereinrichtung/Abschnitt 94e und ein Verbindungsrohr 94c ein. Eine Ce³⁺-Ionen enthaltende Flüssigkeit ist in der die ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Einrichtung/Abschnitt 94a gespeichert. Die Zufuhrpumpe 94b leitet die in der ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Einrichtung/Abschnitt 94a gespeicherte Flüssigkeit in die Zuflussleitung ein. Die Steuereinrichtung/Abschnitt 94e steuert die in die Zuflussleitung einzuleitende Menge der Flüssigkeit und den Zeitpunkt, zu welchem die Flüssigkeit eingeleitet wird. Das Verbindungsrohr 94c verbindet die ionenhaltige Flüssigkeit speichernde Einrichtung/Abschnitt 94a, die Zufuhrpumpe 94b, die Steuereinrichtung/Abschnitt 94e und die Zuflussleitung. Bei der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 94 gemäß dieser Ausführungsform fungieren die Zufuhrpumpe 94b, das Verbindungsrohr 94c und die Steuereinrichtung/Abschnitt 94e als Einleitungseinrichtung/Abschnitt. In dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 94 mit diesem Aufbau einschließt, kann Wasserstoffperoxid in der MEA 125 eingefangen werden, indem die Ce³⁺-Ionen enthaltende Flüssigkeit über die Zuflussleitung in den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, z. B. wenn der Betrieb der Brennstoffzelle angehalten wird. Da die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 94 die Steuereinrichtung/Abschnitt 94e einschließt, kann die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 94 zudem die Ce³⁺-Ionen enthaltende Flüssigkeit in die MEA 125 zuführen, ohne die Flüssigkeit zu vergeuden. Des Weiteren schließt eine Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt mit einem weiteren Aufbau der blasenerzeugenden Einrichtung gemäß der Erfindung eine ionenhaltige Flüssigkeit speichernde Einrichtung/Abschnitt, ein erstes Zufuhrrohr und ein zweites Zufuhrrohr ein. Ce³⁺-Ionen enthaltende Flüssigkeit ist in der ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Einrichtung/Abschnitt gespeichert. Gas wird durch das erste Zufuhrrohr zu der Flüssigkeit in der ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Einrichtung/Abschnitt zugeführt. Von der ionenhaltigen Flüssigkeit verstreute Tropfen und dergleichen werden durch das zweite Zufuhrrohr zu der Zuflussleitung zugeführt. Bei der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt mit diesem Aufbau fungieren das erste Zufuhrrohr und das zweite Zufuhrrohr als Einleitungseinrichtung/Abschnitt. Somit kann die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt mit diesem Aufbau die Ce³⁺-Ionen enthaltende Flüssigkeit in die MEA 125 zuführen.
In der vorstehenden Beschreibung der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt einschließlich des Rohrs, dessen innere Oberfläche mit Ce beschichtet ist, ist die Ce-Beschichtung in dem unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft dicker als die Ce-Beschichtung in irgendeinem anderen Abschnitt. Allerdings ist die Ausgestaltung der Ce-Beschichtung nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Die Ce-Beschichtung kann auf der gesamten inneren Oberfläche des Rohrs eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Zudem muss in dem Fall, dass die Ce-Beschichtung im unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft dicker ist als die Ce-Beschichtung in irgendeinem anderen Abschnitt, das Elutionslösungsmittel nicht gleichmäßig in das Rohr eingespeist werden. Im Gegensatz dazu ist es in dem Fall, dass die Ce-Beschichtung auf der gesamten inneren Oberfläche des Rohrs eine gleichmäßige Dicke aufweist, bevorzugt, dass Elutionslösungsmittel gleichmäßig in das Rohr einzuspeisen. Bei dieser Ausgestaltung können die Ce³⁺-Ionen auf effektive Weise eluiert werden. Des Weiteren schließt in der vorstehenden Beschreibung der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt, welche die Zufuhrpumpe einschließt, die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt die Steuereinrichtung/Abschnitt, ein. Allerdings ist es für die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt einschließlich der Zufuhrpumpe gemäß der Erfindung nicht erforderlich, dass sie die Steuereinrichtung/Abschnitt einschließt. In dem Fall, dass die Ionenzugabeinrichtung/Abschnitt gemäß der Erfindung die Steuereinrichtung/Abschnitt einschließt, ist ein Steuerungsverfahren zum Steuern der Zufuhr des Elutionslösungsmittels oder der ionenhaltigen Flüssigkeit nicht auf ein spezielles Verfahren beschränkt. Z. B. kann das Elutionslösungsmittel oder die ionenhaltige Flüssigkeit zugeführt werden, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle angehalten wird. Das Elutionslösungsmittel oder die ionenhaltige Flüssigkeit kann zugeführt werden, wenn die Spannung des Brennstoffzellensystems abfällt. Alternativ kann das folgende Steuerungsverfahren eingesetzt werden. Die Beziehung zwischen dem Betriebsmodus der Brennstoffzelle und dem Verschlechterungsverhalten der Elektrolytmembran wird vorausgehend untersucht, und der Zeitpunkt zum Zuführen des Elutionslösungsmittels oder der ionenhaltigen Flüssigkeit wird auf der Basis des tatsächlichen Betriebsmodus und dem Ergebnis der Untersuchung bestimmt, und dann wird das Elutionslösungsmittel oder die ionenhaltige Flüssigkeit zu dem festgelegten Zeitpunkt zugeführt.
Zusätzlich schließt das Brennstoffzellensystem in der vorstehenden Beschreibung die zirkulierende Zuflussleitung ein. Allerdings ist der Aufbau des Brennstoffzellensystems nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Die Erfindung kann für ein Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, welches die zirkulierende Zuflussleitung nicht einschließt. Hiernach wird der Fall beschrieben, dass die Erfindung für ein Brennstoffzellensystem eingesetzt wird, welches die zirkulierende Zuflussleitung nicht einschließt.
Die 7 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Brennstoffzellensystem in einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie es in 7 gezeigt ist, schließt ein Brennstoffzellensystem 400 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung eine Anodenzuflussleitung 21, eine Anodenabflussleitung 24, eine Kathodenzuflussleitung 13, eine Kathodenabflussleitung 14 und einen FC-Stapel 12 ein. Die Anodenzuflussleitung 21 ist ein nicht zirkulierendes System zum Zuführen von Wasserstoff. Die Kathodenzuflussleitung 13 ist ein nicht zirkulierendes System zum Zuführen von Luft. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 ist in der nicht zirkulierenden Anodenzuflussleitung 21 vorgesehen. Da das Brennstoffzellensystem 400 in dieser Ausführungsform die vorstehend erwähnte Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 einschließt, können unter Verwendung des Elutionslösungsmittels eluierte Ce³⁺-Ionen zu der MEA 125 zugeführt werden. Daher kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden.
Wie es vorstehend beschrieben wurde, kann in dem Fall, dass die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der zirkulierenden Zuflussleitung vorgesehen ist, die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt auf der Ausstoßseite des FC-Stapels vorgesehen sein. Wenn allerdings die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt auf der Ausstoßseite des FC-Stapels in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, welches die zirkulierende Zuflussleitung nicht einschließt, ist es schwierig, Ce³⁺-Ionen zu der MEA in dem FC-Stapel zuzuführen. Daher ist es bei dem Brennstoffzellensystem, welches die zirkulierende Zuflussleitung nicht einschließt, bevorzugt, die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt an einer Position vorzusehen, welche von der Ausstoßseite des FC-Stapels verschieden ist.
Die 8A ist ein schematisches Diagramm, welches ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie es in 8A gezeigt ist, weist ein Brennstoffzellensystem 500 in der fünften Ausführungsform den gleichen Aufbau wie jenen des Brennstoffzellensystems 400 in der vierten Ausführungsform auf, mit der Ausnahme, dass die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 statt in der nicht zirkulierenden Anodenzuflussleitung 21 hier in der nicht zirkulierenden Zuflussleitung 13 vorgesehen ist. Jene Abschnitte des Brennstoffzellensystems 500 in der vierten Ausführungsform, wie sie in 8 gezeigt ist, welche jenen des Brennstoffzellensystems 400 in der vierten Ausführungsform entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 7 bezeichnet und detaillierte Beschreibungen von diesen werden weggelassen.
Bei dem Brennstoffzellensystem 500 in der in der 8A gezeigten fünften Ausführungsform werden Ce³⁺-Ionen über die nicht zirkulierende Kathodenzuflussleitung 13 zugeführt. In dieser Ausführungsform kann Wasserstoffperoxid in der MEA 125 eingefangen werden, indem über die nicht zirkulierende Kathodenzuflussleitung 13 Ce³⁺-Ionen zu der MEA 125 zugeführt werden. Somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem 500 in der fünften Ausführungsform verbessert werden.
Die 8B ist ein schematisches Diagramm, welches ein Brennstoffzellensystem gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie es in 8B gezeigt ist, schließt ein Brennstoffzellensystem 600 in der sechsten Ausführungsform der Erfindung die Anodenzuflussleitung 21, die Anodenabflussleitung 24, die Kathodenzuflussleitung 13, die Kathodenabflussleitung 14 und den FC-Stapel 12 ein. Die Anodenzuflussleitung 21 ist ein nicht zirkulierendes System zum Zuführen von Wasserstoff. Die Kathodenzuflussleitung 13 ist ein nicht zirkulierendes System zum Zuführen von Luft. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 ist in der nicht zirkulierenden Anodenzuflussleitung 21 vorgesehen. Eine weitere Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 ist in der nicht zirkulierenden Kathodenzuflussleitung 13 vorgesehen. Jene Abschnitte des in 8B gezeigten Brennstoffzellensystems 600, welche jenen des Brennstoffzellensystems 400 in der vierten Ausführungsform oder jenen des Brennstoffzellensystems 500 in der fünften Ausführungsform entsprechen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen wie in der 7 oder der 8 bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung von diesen wird weggelassen.
Bei dem Brennstoffzellensystem 600 in der in 8B gezeigten sechsten Ausführungsform werden Ce³⁺-Ionen von der Anode und der Kathode zugeführt. Somit können in dieser Ausführungsform Ce³⁺-Ionen von beiden Seiten der MEA zugeführt werden. Somit kann die Verschlechterung der Elektrolytmembran auf effektivere Weise unterdrückt werden. Daher kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem 600 in der sechsten Ausführungsform auf effektivere Weise verhindert werden.
In der vorstehenden Beschreibung des Brennstoffzellensystems, welches die zirkulierende Zuflussleitung nicht einschließt, ist die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 in der Zuflussleitung vorgesehen. Allerdings ist die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt, welche in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein kann, welches die zirkulierende Zuflussleitung nicht einschließt, nicht auf die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 92 beschränkt. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 93, die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 94 oder die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt mit anderen Ausgestaltungen können in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, welches die zirkulierende Zuflussleitung nicht einschließt.
Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist es wahrscheinlich, dass sich das Elutionslösungsmittel oder dergleichen, welches von der Zuflussleitung zugeführt wird, im unteren Abschnitt des Rohrs in der Richtung der Gravitationskraft ansammelt. Daher ist es in dem Fall, dass die Ce-Beschichtung auf der inneren Oberfläche des Rohrs der Zuflussleitung vorgesehen ist, bevorzugt, die Oberfläche der Ce-Beschichtung mit einer hygroskopischen Substanz zu beschichten, um Dampf, Säure, Elutionslösungsmittel und dergleichen ebenfalls in Abschnitten zu verteilen, welche sich von dem unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft unterscheiden. Bei diesem Aufbau können Ce³⁺-Ionen auch aus den Abschnitten leicht eluiert werden, welche sich von dem unteren Abschnitt in der Richtung der Gravitationskraft unterscheiden. Daher kann die Effizienz des Eluierens der Ce³⁺-Ionen verbessert werden.
In dem Fall, dass die Oberfläche der Ce-Beschichtung mit einer hygroskopischen Substanz beschichtet ist, ist es bevorzugt, ein zylindrisches Gitterelement oder dergleichen aus antikorrosivem Material in dem Rohr mit der Ce-Beschichtung vorzusehen und die Ce-Beschichtung und die hygroskopische Substanz zwischen der Innenwand des Rohrs und dem Gitterelement oder dergleichen zu befestigen, um ein Herausfließen der hygroskopischen Substanz zu verhindern und um ein Unterbrechen des Kontakts zwischen der hygroskopischen Substanz und der Ce-Beschichtung zu verhindern.
Die in dem Zuflussleitungsrohr vorgesehene hygroskopische Substanz gemäß der Erfindung ist nicht auf eine spezielle Substanz beschränkt. Jede hygroskopische Substanz kann eingesetzt werden, welche die Umgebung im Inneren des Rohrs tolerieren kann. Beispiele für geeignete hygroskopische Substanzen schließen Cellulose und hygroskopisches Harz ein. Zudem ist die Struktur der hygroskopischen Substanz nicht auf eine spezielle Struktur beschränkt. Allerdings ist es bevorzugt, die hygroskopische Substanz mit einer wabenförmigen Struktur oder dergleichen zu versehen, um die Kontaktfläche zwischen der hygroskopischen Substanz und der Ce-Beschichtung zu vergrößern, um das Ce auf effektive Weise einzusetzen und zu ermöglichen, dass Ce³⁺-Ionen zu der MEA 125 zugeführt werden. In dem Fall, dass die hygroskopische Substanz mit einer Wabenstruktur versehen ist, ist es bevorzugt, Ce in den Lochabschnitten der Wabenstruktur vorzusehen. Das Material für das Gitterelement oder dergleichen, welches in dem Rohr der Zuflussleitung vorgesehen sein kann, ist nicht auf ein spezielles Material beschränkt. Jedes Material kann eingesetzt werden, welches die Umgebung im Inneren des Rohrs tolerieren kann. Beispiele für das Material schließen ein gegenüber Korrosion stark beständiges Metall wie etwa eine Titanlegierung ein.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der Zuflussleitung vorgesehen, welche mit dem FC-Stapel 12 in dem Brennstoffzellensystem verbunden ist. Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist die Position, an welcher die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt vorgesehen ist, nicht auf die Zuflussleitung beschränkt. Z. B. kann die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in einem Befeuchtungsmodul oder in dem Separator in dem FC-Stapel vorgesehen sein. Hiernach wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in dem Separator vorgesehen ist.
9A ist eine schematische Vorderansicht des Separators in dem FC-Stapel 12, welcher die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt einschließt. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt ist auf der Oberfläche eines Abschnitts des Separators vorgesehen. Die 9B ist eine Schnittansicht des Separators entlang der Linie IXB-IXB in 9A. Die 9B zeigt schematisch einen vergrößerten Abschnitt der Gasdiffusionsschicht (hiernach als "GDS" bezeichnet), welche mit dem Separator in Kontakt steht, sowie einen vergrößerten Abschnitt der MEA. Ein in 9A gezeigter Separator 121A schließt einen Einlassverteiler 81, Durchgänge 120a (120e) für Reaktionsgas und einen Auslassverteiler 83 ein. Von der Zufuhrleitung zugeführtes Reaktionsgas (Wasserstoff und Luft) tritt durch den Einlassverteiler 81. Nachdem das Reaktionsgas durch die Durchlässe 120a (120e) für Reaktionsgas hindurch getreten ist, tritt das Reaktionsgas durch den Auslassverteiler 83. Die Ce-Beschichtung ist auf einer Oberfläche eines Abschnitts 84 zwischen dem Einlassverteiler 81 und den Durchlässen 120a (120e) für Reaktionsgas vorgesehen. Jeder Pfeil in der 9A zeigt schematisch die Richtung der Strömung des Reaktionsgases.
In dem Fall, dass das Reaktionsgas von der zirkulierenden Zuflussleitung durch den Einlassverteiler 81 zugeführt wird, werden eine geringe Menge Säure (z. B. Schwefelsäure), welche auf Grund der Verschlechterung der Elektrolytmembran 12c erzeugt wird, und das Reaktionsgas durch den Einlassverteiler 81 zugeführt. Wenn die durch den Einlassverteiler 81 zugeführte Säure mit dem Ce in dem Abschnitt 84, welcher als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt dient, in Kontakt tritt, fungiert die Säure als ein die Elution der Ionen beförderndes Mittel (Einrichtung/Abschnitt), und Ce³⁺-Ionen werden durch die Säure aus der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 84 eluiert. Dann werden die von der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 84 eluierten Ce³⁺-Ionen durch die Durchlässe 120a (120e) für Reaktionsgas und die GDS 12a (12e) (siehe 9B) in die MEA 125 zugeführt. Somit wird Wasserstoffperoxid in der MEA 125 durch die Ce³⁺-Ionen eingefangen. Im Gegensatz dazu werden in dem Fall, dass das Reaktionsgas z. B. von der nicht zirkulierenden Zuflussleitung durch den Einlassverteiler 81 zugeführt wird, das Elutionslösungsmittel und das Reaktionsgas durch den Einlassverteiler 81 zugeführt. Wenn das durch den Einlassverteiler 81 zugeführte Elutionslösungsmittel mit dem Ce in dem Abschnitt 84, welcher als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt dient, in Kontakt tritt, fungiert das Elutionslösungsmittel als die Elution der Ionen beförderndes Mittel (Einrichtung/Abschnitt), und Ce³⁺-Ionen werden von der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 84 durch das Elutionslösungsmittel eluiert. Die von der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 84 eluierten Ce³⁺-Ionen werden durch die Durchlässe 120a (120e) für Reaktionsgas und die GDS 12a (12e) (siehe 9B) in die MEA 125 zugeführt. Somit wird Wasserstoffperoxid in der MEA 125 durch die Ce³⁺-Ionen eingefangen. Das heißt, durch Vorsehen des Separators 120A in dieser Ausführungsform kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem unabhängig davon verbessert werden, ob die Zuflussleitung ein zirkulierendes System oder ein nicht zirkulierendes System ist.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Ce-Beschichtung auf der Oberfläche des Abschnitts 84 zwischen dem Einlassverteiler 81 und den Durchlässen 120a (120e) für Reaktionsgas in dem Separator vorgesehen. Allerdings ist in dem Fall, dass das Reaktionsgas von der zirkulierenden Zuflussleitung durch den Einlassverteiler 81 zugeführt wird, der Abschnitt, auf welchem die Ce-Beschichtung vorgesehen ist, nicht auf den Abschnitt 84 beschränkt. In dem Fall, dass die Zuflussleitung ein zirkulierendes System ist, wird die Säure (z. B. Schwefelsäure), welche aus der Elektrolytmembran eluiert und durch den Auslassverteiler 83 zu der Zuflussleitung abgegeben wird, durch die Zuflussleitung 81 erneut zu dem Separator zugeführt. Wenn die Ce-Beschichtung auf der Oberfläche eines Abschnitts 85 zwischen den Durchlässen 120a (120e) für Reaktionsgas und dem Auslassverteiler 83 vorgesehen ist, können daher Ce³⁺-Ionen in die MEA 125 zugeführt werden. Dementsprechend können in dem Fall, dass das Reaktionsgas von der zirkulierenden Zuflussleitung durch den Einlassverteiler 81 zugeführt wird, dadurch, dass die Ce-Beschichtung auf der Oberfläche des Abschnitts 84 und/oder der Oberfläche des Abschnitts 85 vorgesehen ist, der Abschnitt 84 und/oder der Abschnitt 85 als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 84 und/oder Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt 85 in dem Separator 120A dienen. Im Gegensatz dazu ist es in dem Fall, dass das Reaktionsgas von der nicht zirkulierenden Zuflussleitung durch den Einlassverteiler 81 zugeführt wird, selbst wenn die Ce-Beschichtung auf der Oberfläche des Abschnitts 85 vorgesehen ist, schwierig, Ce³⁺-Ionen in die MEA 125 zuzuführen. Dementsprechend ist es in diesem Fall bevorzugt, die Ce-Beschichtung auf sowohl der Oberfläche des Abschnitts 84 als auch der Oberfläche des Abschnitts 85 oder nur auf der Oberfläche des Abschnitts 84 vorzusehen.
Die 9C ist eine schematische Vorderansicht des Separators in dem FC-Stapel 12, welcher die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt einschließt. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt ist auf der Oberfläche eines Abschnitts des Separators vorgesehen. Die 9D ist eine Schnittansicht des Separators entlang der Linie IXD-IXD in 9C. Die 9D zeigt schematisch einen vergrößerten Abschnitt der GDS, welcher mit dem Separator in Kontakt steht, sowie einen vergrößerten Abschnitt der MEA. Ein in 9C gezeigter Separator 120B schließt den Einlassverteiler 81, die Durchlässe 120a (120e) für Reaktionsgas und den Auslassverteiler 83 ein. Die Ce-Beschichtung, welche als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt dient, ist auf der Oberfläche eines jeden Rillenabschnitts und der Oberfläche eines jeden Seitenwandabschnitts (siehe 9D) eines jeden Durchlasses 120a (120e) für Reaktionsgas vorgesehen. Jeder Pfeil in 9C zeigt schematisch die Richtung der Strömung des Reaktionsgases. In dem Fall, dass der Separator 120B in dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung vorgesehen ist, können Ce³⁺-Ionen unter Verwendung der Säure und/oder des Elutionslösungsmittels, welche durch den Einlassverteiler 81 zugeführt werden, aus der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt (der Ce-Beschichtung) eluiert werden, welche auf der Oberfläche eines jeden Reaktionsdurchlasses 120a (120e) in dem Separator 120B vorgesehen ist. Somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Ce-Beschichtung, welche als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt dient, nur auf der Oberfläche eines jeden Rillenabschnitts und den Oberflächen eines jeden Seitenwandabschnitts eines jeden Durchlasses 120a (120e) für Reaktionsgas in dem Separator 120B vorgesehen. Allerdings kann in dem Fall, dass ein auf die Oberfläche eines jeden Durchlasses für Reaktionsgas in dem Separator dieser Ausführungsform aufgebrachtes Beschichtungsmaterial ein leitfähiges Material wie etwa Ce ist, die Beschichtung, welche als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt dient, auf der gesamten Oberfläche eines jeden Durchlasses 120a (120e) für Reaktionsgas einschließlich der Oberfläche eines jeden vorragenden Abschnitts vorgesehen sein, welcher mit der GDS 12a (12e) in Kontakt steht. Die 9E und 9F zeigen beide den Separator mit diesem Aufbau.
Die 9E ist eine schematische Vorderansicht des Separators in dem FC-Stapel 12. Die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt ist auf der gesamten Oberfläche eines jeden Durchgangs für Reaktionsgas vorgesehen. Die 9F ist eine Schnittansicht des Separators entlang der Linie IXF-IXF in 9E. Die 9F zeigt schematisch einen vergrößerten Abschnitt der GDS, welche mit dem Separator in Kontakt steht, sowie einen vergrößerten Abschnitt der MEA. Ein in 9E gezeigter Separator 120 weist den gleichen Aufbau wie jenen des Separators 120B auf, mit der Ausnahme, dass die Ce-Beschichtung, welche als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt dient, auf der gesamten Oberfläche eines jeden Durchgangs 120a (120e) für Reaktionsgas vorgesehen ist (siehe 9F). Daher sind bei dem Separator 120C in der 9E die gleichen Abschnitte wie jene des Separators 120B mit den gleichen Bezugszeichen wie in 9C und 9D versehen und eine detaillierte Beschreibung von diesen wird weggelassen. Jeder Pfeil in 9E zeigt schematisch die Richtung der Strömung des Reaktionsgases. Zudem sind in der 9E Abschnitte, welche den vorragenden bzw. vorstehenden Abschnitten der Durchlässe für Reaktionsgas entsprechen (d. h. die Abschnitte, welche bei den Durchlässen 120a (120e) für Reaktionsgas in den 9A und 9C durch gerade Linien angegeben sind), nicht gezeigt, da die Ce-Beschichtung auf der gesamten Oberfläche eines jeden Durchlasses 120a (120e) für Reaktionsgas in dem Separator 120C vorgesehen ist. In dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung den Separator 120C einschließt, kann Wasserstoffperoxid in der MEA 125 durch Ce³⁺-Ionen eingefangen werden, welche aus der Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt (d. h. der Ce-Beschichtung) eluiert werden, welche auf der gesamten Oberfläche eines jeden Durchlasses 120a (120e) für Reaktionsgas vorgesehen ist. Daher kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden. Somit ist bei jedem der Separatoren 120B und 120C der Abschnitt des Durchlasses für Reaktionsgas, auf welchem die Beschichtung vorgesehen ist, aus dem Rillenabschnitt, dem Seitenwandabschnitt und dem vorstehenden Abschnitt in Abhängigkeit davon, ob das Beschichtungsmaterial leitfähig oder nicht leitfähig ist, zweckmäßig ausgewählt.
Zudem sind in der vorstehenden Beschreibung Durchlässe 120a (120e) für Reaktionsgas in dem Separator ausgebildet. Allerdings ist die Erfindung nicht auf ein Brennstoffzellensystem mit Separatoren mit diesem Aufbau beschränkt. Z. B. kann das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung flache Separatoren und GDSen einschließen, und die Durchlässe für Reakionsgas können auf der Oberfläche einer jeden GDS ausgebildet sein, welche mit dem flachen Separator in Kontakt steht. Bei einem Brennstoffzellensystem mit diesem alternativen Aufbau kann die Ce-Beschichtung, welche als Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt dient, in einem Abschnitt nahe dem Einlassverteiler in dem Separator, in einem Abschnitt nahe dem Auslassverteiler in dem Separator oder in einem Abschnitt von oder auf der gesamten Separatoroberfläche vorgesehen sein, welche mit den in der GDS ausgebildeten Durchlässen für Reaktionsgas in Kontakt steht.
Des Weiteren ist die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der vorstehenden Beschreibung in der Zuflussleitung, in dem Separator oder dergleichen in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen. Allerdings kann die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt an irgendeiner Position in dem Brennstoffzellensystem auf solch eine Weise vorgesehen sein, dass Ce³⁺-Ionen in die MEA zugeführt werden können. Z. B. kann die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der Zuflussleitung und dem Separator in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein.
Wie vorstehend beschrieben wird bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung die Verschlechterung der Elektrolytmembran durch Zuführen von Ce³⁺-Ionen in die MEA von der Außenseite der MEA unterdrückt. Somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden. Allerdings sind die in die MEA zugeführten Ionen in der Erfindung nicht auf Ce³⁺-Ionen beschränkt. Andere Ionen, welche die Fähigkeit haben, Wasserstoffperoxid einzufangen, z. B. die Fähigkeit haben, Wasserstoffperoxid zu zersetzen, können eingesetzt werden. Beispiele für andere Wasserstoffperoxid einfangende Ionen schließen Übergangsmetallionen und Seltenerdmetallionen ein. Beispiele für die Substanz, aus welcher solche Ionen erzeugt werden, schließen Elemente wie etwa Mn, Fe, Pt, Pd, Ni, Cr, Cu, Ce, Se, Rb, Co, Ir, Ag, Au, Rh, Sn, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Os, Si und C sowie Verbindungen ein, welche wenigstens eines dieser Elemente enthalten. Obwohl die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der Beschreibung so beschrieben wurde, dass sie ein Rohr oder einen Abschnitt mit der Ce-Beschichtung aufweist, aus welcher Ce³⁺-Ionen eluiert werden, sollte dies nicht so gewertet werden, dass es die Erfindung auf Ce beschränkt. Eine Beschichtung, welche wenigstens ein Element oder eine Verbindung von den vorstehend erwähnten Elementen und Verbindungen enthält, kann auf der inneren Oberfläche des Rohrs und/oder der bzw. den Oberflächen des bzw. der Abschnitte in dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung vorgesehen sein. Zudem kann, wie vorstehend beschrieben, die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt eine Flüssigkeit einschließen, welche Ce³⁺-Ionen enthält. In dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung kann die ionenhaltige Flüssigkeit Ionen enthalten, die aus wenigstens einem Element oder einer Verbindung von den vorstehend erwähnten Elementen und Verbindungen erzeugt werden.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Weise, auf welche Wasserstoffperoxid einfangende Ionen in die MEA zugeführt werden, nicht auf eine spezielle Weise beschränkt. Z. B. können die Ionen durch eine Einrichtung/einen Abschnitt zum Zuführen der Ionen in die MEA zugeführt werden. Zudem kann ein flüssiger Brennstoff, welcher die Ionen enthält, zu der MEA zugeführt werden.
In der vorstehenden Beschreibung schließt der Begriff "zu der MEA zuzuführende Substanz" die zu der Anode zuzuführende wasserstoffhaltige Substanz (z. B. Wasserstoffgas), die zu der Kathode zuzuführende sauerstoffhaltige Substanz (z. B. Luft) und Dampf oder dergleichen, welche(r) zum Befeuchten dieser Substanzen eingesetzt wird/werden, ein, ist aber nicht darauf beschränkt. In dem Fall dass das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ein zirkulierendes System ist, bei dem die wasserstoffhaltige Substanz und/oder die sauerstoffhaltige Substanz zirkuliert wird, schließt der Begriff "Zuflussleitung" zudem die gesamte Leitung ein, welche das zirkulierende System bildet.
In der vorstehenden Beschreibung schließt jede Ionenzufuhreinrichtung/Abschnitt das Rohr oder den Abschnitt mit der Ce-Beschichtung ein, und Ce³⁺-Ionen werden aus der Ce-Beschichtung unter Verwendung der aus der Elektrolytmembran 12c eluierten Säure und/oder dem in die Zuflussleitung zugeführten Elutionslösungsmittel eluiert. Allerdings ist zu beachten, dass Ce³⁺-Ionen z. B. durch Zuführen von reinem Wasser zu dem Rohr und/oder dem bzw. den Abschnitt(en) eluiert werden können. Allerdings ist es schwierig, die Verschlechterung der Elektrolytmembran zu unterdrücken, wenn nur durch Zuführen von reinem Wasser eluierte Ce³⁺-Ionen eingesetzt werden. In dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung das Rohr und/oder den bzw. die Abschnitte einschließt, aus denen Ce³⁺-Ionen eluiert werden, welche die Fähigkeit haben, Wasserstoffperoxid einzufangen, ist es daher bevorzugt, die Ce³⁺-Ionen aus dem Rohr und/oder dem bzw. den Abschnitt(en) unter Verwendung der Säure, welche von der Elektrolytmembran 12c eluiert wird, und/oder des Elutionslösungsmittels zu eluieren, um die Verschlechterung der Elektrolytmembran 12 auf effektive Weise zu unterdrücken.
In der vorstehenden Beschreibung ist der Aufbau der die Elution der Ionen befördernden Einrichtung/Abschnitt nicht auf einen speziellen Aufbau beschränkt, solange die eine Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt die Wirkung der Beförderung der Elution der das Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen aufweist. Z. B. kann die eine Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt eine Elution der Ionen durch Befeuchten von wenigstens einem Element oder einer Verbindung von den vorstehend erwähnten Elementen und Verbindungen befördern, aus denen Wasserstoffperoxid einfangende Ionen eluiert werden. Zusätzlich kann in dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung die zirkulierende Zuflussleitung einschließt, die eine Elution der Ionen befördernde Einrichtung/Abschnitt die Elution der Ionen unter Verwendung der Säure (z. B. Schwefelsäure) befördern, welche von der MEA eluiert wird (z. B. der Elektrolytmembran der MEA im Falle der PEFC).
Zudem kann in der vorstehenden Beschreibung jedes Elutionslösungsmittel verwendet werden, welches die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen eluieren kann. Z. B. kann ein flüssiges Elutionslösungsmittel verwendet werden.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Ionenzugabeeinrichtung/Abschnitt in der Zuflussleitung und/oder dem Separator in dem Brennstoffzellensystem einschließlich der PEFC vorgesehen. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die PEFC beschränkt. Z. B. kann die Erfindung für eine direkte Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) eingesetzt werden. In dem Fall, dass die DMFC eingesetzt wird, kann zu der Anode zugeführtes Methanol die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen (z. B. Ce³⁺-Ionen) enthalten, so dass die Ionen zu der MEA zugeführt werden können. Mit dieser Ausgestaltung kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verbessert werden.
Der Haltbarkeitstest wurde unter Verwendung von zwei MEAen durchgeführt. Die Wasserstoffperoxid einfangenden Ionen wurden von der Außenseite der MEA durch Zuführen einer Flüssigkeit, welche Ce-Ionen (Ce³⁺-Ionen) enthielt, in eine der MEAen zugeführt. Die andere MEA enthielt keine Ce-Ionen. D. h., der Haltbarkeitstest wurde unter Verwendung der MEA in der Ausführungsform der Erfindung und der MEA in einem Vergleichsbeispiel durchgeführt. Die Menge an F-Ionen, welche in dem Wasser enthalten waren, welches von jeder der MEAen gesammelt wurde (d. h. die Menge an eluiertem F), wurde gemessen. Die 10 zeigt das Ergebnis für die MEA in der Ausführungsform der Erfindung und das Ergebnis für die MEA im Vergleichsbeispiel. Die horizontale Achse der 10 gibt die Zeit an. Die vertikale Achse der 10 gibt die Menge an eluiertem F an. Eine durchgezogene Linie in 10 gibt das Ergebnis für die MEA in der Ausführungsform der Erfindung an. Eine gestrichelte Linie in 10 gibt das Ergebnis für die MEA im Vergleichsbeispiel an. Sowohl die MEA in der Ausführungsform der Erfindung als auch die MEA im Vergleichsbeispiel schloss eine Elektrolytmembran ein, welche ein Fluorharz enthielt. Da F-Ionen eluiert werden, wenn sich die Elektrolytmembran verschlechtert, welche Fluorharz enthält, kann die eluierte Menge an F als Indikator für die Haltbarkeit benutzt werden.
Wie es in 10 gezeigt ist, wurde über die Zeit eine große Menge an F-Ionen aus der MEA im Vergleichsbeispiel eluiert. Allerdings war die Menge der aus der MEA in der Ausführungsform der Erfindung eluierten F-Ionen stark verringert. Somit zeigt das Ergebnis des Tests, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung verbessert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Brennstoffzellensystem schließt einen Stapelkörper ein, welcher durch Stapeln einer Membran-Elektroden-Anordnung und eines Separators gebildet ist. Die Membran-Elektroden-Anordnung schließt eine Elektrolytschicht und Elektrodenschichten ein, von denen eine auf einer Seite der Elektrolytschicht und die andere auf der anderen Seite der Elektrolytschicht vorgesehen ist. Ionen mit der Fähigkeit, Wasserstoffperoxid zu zersetzen, werden zu der Membran-Elektroden-Anordnung zugeführt.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Stapelkörper, welcher durch Stapeln einer Membran-Elektroden-Anordnung und eines Separators gebildet ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung eine Elektrolytschicht und Elektrodenschichten einschließt, von denen eine auf einer Seite der Elektrolytschicht und die andere auf der anderen Seite der Elektrolytschicht vorgesehen ist, und einer Zufuhreinrichtung zum Zuführen von Ionen, welche Wasserstoffperoxid einfangen, zu der Membran-Elektroden-Anordnung.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zufuhreinrichtung eine Zuflussleitung zum Speichern und/oder Zuführen einer Substanz, welche die Ionen trägt, zu der Membran-Elektroden-Anordnung und eine Ionenzugabeeinrichtung zum Zugeben der Ionen zu der Substanz einschließt, welche zu der Membran-Elektroden-Anordnung zuzuführen ist, wobei die Ionenzugabeeinrichtung in wenigstens einem von der Zuflussleitung und dem Separator vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Ionenzugabeeinrichtung wenigstens eines von einem Element und einer Verbindung, aus welchen die Ionen eluiert werden, und eine die Elution der Ionen befördernde Einrichtung zum Befördern der Elution der Ionen aus dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung einschließt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die eine Elution der Ionen befördernde Einrichtung eine Elutionslösungsmittel zugebende Einrichtung zum Zugeben eines Elutionslösungsmittels ist, welches die Ionen eluiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei das wenigstens eine von dem Element und der Verbindung ersetzbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das wenigstens eine von dem Element und der Verbindung in einem Abschnitt eines Rohrs vorgesehen ist, welches sich in horizontaler Richtung erstreckt und die Zuflussleitung bildet, was wenigstens einen unteren Abschnitt des Rohrs in der Richtung der Gravitationskraft einschließt, und wobei die Menge des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit des Abschnitts des Rohrs größer ist als die Menge von dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit jedes anderen Abschnitts des Rohrs.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei in wenigstens einem Abschnitt einer Oberfläche von dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung eine hygroskopische Substanz vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Ionenzugabeeinrichtung die Verbindung und die Elutionslösungsmittel zugebende Einrichtung einschließt, wobei die Verbindung ein Metalloxid ist und das Elutionslösungsmittel, welches durch die Elutionslösungsmittel zugebende Einrichtung zugegeben wird, sauer ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Ionenzugabeeinrichtung eine ionenhaltige Flüssigkeit speichernde Einrichtung zum Speichern einer die Ionen enthaltenden Flüssigkeit sowie eine Einleitungseinrichtung zum Einleiten der Flüssigkeit in der ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Einrichtung in wenigstens eines von der Zuflussleitung und dem Separator einschließt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei die Einleitungseinrichtung eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Modus einschließt, in welchem die Flüssigkeit, welche die Ionen enthält, in wenigstens eines von der Zuflussleitung und dem Separator eingeleitet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zufuhreinrichtung wenigstens eine von einer ersten Zuflussleitung zum Zuführen einer wasserstoffhaltigen Substanz zu einer ersten Elektrodenschicht der Elektrodenschichten und einer zweiten Zuflussleitung zum Zuführen einer sauerstoffhaltigen Substanz zu einer zweiten Elektrodenschicht der Elektrodenschichten einschließt und die Zufuhreinrichtung eine Ionenzugabeeinrichtung einschließt, welche in der wenigstens einen von der ersten Zuflussleitung und der zweiten Zuflussleitung vorgesehen ist und die Ionen zu der in der wenigstens einen von der ersten Zuflussleitung und der zweiten Zuflussleitung strömenden Substanz zugibt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Ionen die Fähigkeit haben, Wasserstoffperoxid zu ersetzen.
Brennstoffzellensystem mit: einem Stapelkörper, welcher durch Stapeln einer Membran-Elektroden-Anordnung und eines Separators gebildet ist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung eine Elektrolytschicht und Elektrodenschichten einschließt, von denen eine auf einer Seite der Elektrolytschicht und die andere auf der anderen Seite der Elektrolytschicht vorgesehen ist, und einem Zufuhrabschnitt, der Ionen, welche Wasserstoffperoxid einfangen, zu der Membran-Elektroden-Anordnung zuführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei der Zufuhrabschnitt eine Zuflussleitung zum Zuführen einer Substanz, welche die Ionen trägt, zu der Membran-Elektroden-Anordnung und einen Ionenzugabeabschnitt einschließt, der Ionen zu der Substanz zugibt, welche zu der Membran-Elektroden-Anordnung zuzuführen ist, wobei der Ionenzugabeabschnitt in wenigstens einem von der Zuflussleitung und dem Separator vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei der Ionenzugabeabschnitt wenigstens eines von einem Element und einer Verbindung, aus welchen die Ionen eluiert werden, und einen die Elution der Ionen befördernden Abschnitt einschließt, der die Elution der Ionen aus dem wenigstens einen von dem Element und der Verbindung befördert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei der eine Elution der Ionen befördernde Abschnitt ein Elutionslösungsmittel zugebender Abschnitt zum Zugeben eines Elutionslösungsmittels ist, welches die Ionen eluiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei das wenigstens eine von dem Element und der Verbindung ersetzbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei das wenigstens eine von dem Element und der Verbindung in einem Abschnitt eines Rohrs vorgesehen ist, welches sich in horizontaler Richtung erstreckt und die Zuflussleitung bildet, was wenigstens einen unteren Abschnitt des Rohrs in der Richtung der Gravitationskraft einschließt, und wobei die Menge des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit des Abschnitts des Rohrs größer ist als die Menge des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung pro Flächeneinheit jedes anderen Abschnitts des Rohrs.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei in wenigstens einem Abschnitt einer Oberfläche des wenigstens einem von dem Element und der Verbindung eine hygroskopische Substanz vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei der Ionenzugabeabschnitt die Verbindung und den Elutionslösungsmittel zugebenden Abschnitt einschließt, wobei die Verbindung ein Metalloxid ist und das Elutionslösungsmittel, welches durch den Elutionslösungsmittel zugebenden Abschnitt zugegeben wird, sauer ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei der Ionenzugabeabschnitt einen ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Abschnitt, der die Ionen enthaltende Flüssigkeit speichert, sowie einen Einleitungsabschnitt einschließt, der die Flüssigkeit in dem ionenhaltige Flüssigkeit speichernden Abschnitt in wenigstens eines von der Zuflussleitung und dem Separator einleitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 21, wobei der Einleitungsabschnitt einen Steuerabschnitt einschließt, der einen Modus steuert, in welchem die Flüssigkeit, welche die Ionen enthält, in wenigstens eines von der Zuflussleitung und dem Separator eingeleitet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei der Zufuhrabschnitt wenigstens eine von einer ersten Zuflussleitung zum Zuführen einer wasserstoffhaltigen Substanz zu einer ersten Elektrodenschicht der Elektrodenschichten und einer zweiten Zuflussleitung zum Zuführen einer sauerstoffhaltigen Substanz zu einer zweiten Elektrodenschicht der Elektrodenschichten einschließt und der Zufuhrabschnitt einen Ionenzugabeabschnitt einschließt, welcher in der wenigstens einen von der ersten Zuflussleitung und der zweiten Zuflussleitung vorgesehen ist und die Ionen zu der in der wenigstens einen von der ersten Zuflussleitung und der zweiten Zuflussleitung strömenden Substanz zugibt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei die Ionen die Fähigkeit haben, Wasserstoffperoxid zu ersetzen.