DE60000044T2

DE60000044T2 - Brennstoffzelle und Polymerelektrolytmembran

Info

Publication number: DE60000044T2
Application number: DE60000044T
Authority: DE
Inventors: Kyoichi Tange
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: EP1073140A1; CA2312534A1; US6436566B1; EP1073140B1; DE60000044D1; JP3485032B2; JP2001023661A; CA2312534C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend eine Wasserstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode, die beidseitig von einer für Wasserstoffionen durchlässigen Elektrolytschicht angeordnet sind, sowie eine Polymerelektrolytmembran, die eine Elektrolytschicht einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle darstellt.
Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik Brennstoffzellen umfassen im wesentlichen eine Wasserstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode, die beidseitig von einer für Wasserstoffionen durchlässigen Elektrolytschicht angeordnet sind. In den Brennstoffzellen laufen Reaktionen, die durch die unten angegebenen Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt sind, an einer Kathode (Wasserstoffelektrode) bzw. Anode (Sauerstoffelektrode) ab.
Kathode (Wasserstoffelektrode)
H&sub2; → 2H&spplus; + 2e&supmin; (1)
Anode (Sauerstoffelektrode)
(1/2)0&sub2; + 2H&spplus; + 2e&supmin; → H&sub2;O (2)
Die an der Wasserstoffelektrode erzeugten Wasserstoffionen werden zu Hydroniumionen (xH&sub2;O)H&spplus; hydriert und verlagern sich durch die Elektrolytschicht an die Sauerstoffelektrode.
Es ist eine Vielfalt von Brennstoffzellen mit verschiedenen Elektrolytschichten vorgeschlagen worden: Phosphorsäure-, Karbonatschmelze-, Feststoffoxid- und Al- kali-Brennstoffzellen. Viel Aufmerksamkeit richtete sich auf Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen unter Verwendung einer wasserstoffionenleitfähigen Polymermembran als Elektrolytschicht wegen ihres Potentials für eine hohe Ausgabedichte und eine Verringerung der Baugröße. Verschiedene Techniken wurden untersucht, um die Eigenschaften solcher Brennstoffzellen zu verbessern.
Brennstoffzellen mit jeglicher Art von Elektrolytschichten erzeugen auf der Grundlage des oben erwähnten Prinzips Elektrizität. Die theoretische Leerlaufspannung, d. h. die theoretische Potentialdifferenz zwischen der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode, beträgt ca. 1,23 V. Unter praktischen Bedingungen verringert sich die Ausgangsspannung infolge verschiedener Verluste auf ca. 0,95 bis 1 V. Einer der hauptsächlichen Faktoren, die zu einer Verringerung der Ausgangsspannung beitragen, ist der innere Widerstand, d. h. der durch die geringe Mobilität der Wasserstoffionen in der Elektrolytschicht verursachte Widerstand.
Es ist eine Vielfalt von Vorgehensweisen zur Verringerung des inneren Widerstands in Polymerelektrolyt- Brennstoffzellen vorgeschlagen worden; z. B. die Vorgehensweisen, die in den japanischen Patentoffenlegungsschriften JP 6-231781 (A), JP 8-171920 (A) und JP 7- 135004 (A) beschrieben sind. Die in den beiden ersteren Anmeldungen beschriebenen Vorgehensweisen variieren den Wassergehalt der als die Elektrolytschicht ausgebildeten Polymerelektrolytmembran derart, daß der Wassergehalt auf der Wasserstoffelektrodenseite höher als der Wassergehalt auf der Sauerstoffelektrodenseite ist. Wie oben erwähnt ist, werden die Wasserstoffionen hydriert bzw. mit Wassermolekülen kombiniert und bilden Hydroniumionen, während sie sich. durch die Elektrolytschicht hindurch verlagern. Mit fortschreitender Reaktion entsteht auf der Wasserstoffelektrodenseite, von der die Wasserstoffionen geliefert werden, ein Mangel an Wassermolekülen, während auf der Sauerstoffelektrodenseite ein Überschuß entsteht. Die vorgeschlagenen Vorgehensweisen ergeben einen Unterschied des Wassergehalts zwischen den beiden Elektroden, um den Mangel an Wassermolekülen zu beseitigen und einen problemlosen Übertritt der Wasserstoffionen zu erleichtern.
Die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 7-135004 (A) beschriebene Vorgehensweise erhöht die Konzentration der in der Elektrolytschicht enthaltenen Ionenaustauschergruppe. Die Wasserstoffionen und die Hydroniumionen verlagern sich mit Hilfe der Ionenaustauschergruppen durch die Elektrolytschicht. Die Zunahme der Konzentration der Ionenaustauschergruppe senkt infolgedessen den inneren Widerstand. Die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 7-135004 (A) beschreibt auch eine Vorgehensweise, bei der die Konzentration der Ionenaustauschergruppe auf der Wasserstoffelektrodenseite höher als auf der Sauerstoffelektrodenseite eingestellt wird. Die höhere Konzentration der Ionenaustauschergruppe verbessert im wesentlichen die Wasserabsorptionsfähigkeit. Die im Vergleich mit der Sauerstoffelektrodenseite höhere Konzentration der Ionenaustauschergruppe auf der Wasserstoffelektrodenseite erhöht infolgedessen den Wassergehalt auf der Wasserstoffelektrodenseite. Die hierdurch bewirkten Effekte sind ähnlich denjenigen, die durch die in den oben genannten japanischen Patentoffenlegungsschriften JP 6-231781 (A) und JP 8-171920 (A) beschriebenen Vorgehensweisen erzielt werden.
Diese vorgeschlagenen Vorgehensweisen streben eine Verringerung des inneren Widerstandes für eine Verbesserung der betrieblichen Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen, jedoch keine Verstärkung der Leerlaufspannung der Brennstoffzellen an. Die Verringerung des inneren Widerstandes verbessert die Ausgangsspannung geringfügig. Das verbesserte Niveau bleibt jedoch immer noch bei etwa 1 V gegenüber der theoretischen maximalen Leerlaufspannung von ca. 1,23 V.
Für den Fall, daß Brennstoffzellen als die Leistungsversorgung für verschiedene Vorrichtungen verwendet werden, wird von den Brennstoffzellen erwartet, daß sie für jede Vorrichtung die jeweils erforderliche Spannung abgeben. Die niedrige Leerlaufspannung pro Einzelzelle führt zu einer Zunahme der Anzahl von Einzelzellen, die zusammengeschaltet werden, um die erforderliche Spannung auszugeben. Die erhöhte Anzahl von Einzelzellen führt zu einem unerwünscht hohen Raumbedarf des Leistungsversorgungssystems und erhöht die Herstellungskosten. Unter diesem Gesichtspunkt ist eine Verstärkung der Leerlaufspannung der Brennstoffzellen von großer Wichtigkeit. Die vorgeschlagenen Vorgehensweisen zielten hauptsächlich auf eine Reduzierung des inneren Widerstandes ab, um die betriebliche Leistungsfähigkeit zu verbessern, jedoch ist eine erschöpfende Untersuchung einer Verstärkung der Leerlaufspannung nicht erfolgt.
Diese Probleme stellen sich nicht nur mit Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, sondern auch mit anderen Brennstoffzellentypen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorgehensweise zur Verfügung stellen, durch welche die Leerlaufspannung einer Brennstoffzelle verstärkt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrolytmembran zur Verfügung zu stellen, die für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer verstärkten Leerlaufspannung verwendet wird.
Die obenstehend genannten und weitere dazu in Beziehung stehende Aufgaben werden zumindest zum Teil durch eine Brennstoffzelle mit einer Wasserstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode gelöst, welche beidseitig von einer für Wasserstoffionen durchlässigen Elektrolytschicht angeordnet sind. Die Elektrolytschicht weist einen ersten Kontaktbereich auf, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, sowie einen zweiten Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht. Die Wasserstoffionenkonzentration im ersten Kontaktbereich ist höher als die Wasserstoffionenkonzentration im zweiten Kontaktbereich. Vorzugsweise ist die Differenz der Ionenkonzentration ein vorgegebener Wert, der einer Soll-Leerlaufspannung im Rahmen einer Leistungserzeugung entspricht.
Die Brennstoffzelle mit dieser Anordnung besitzt aufgrund der Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen der Wasserstoffelektrodenseite und der Sauerstoffelektrodenseite eine verstärkte Leerlaufspannung. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise als Einzelzelle eines Leistungsversorgungssystems eingesetzt. Dies verringert vorteilhaft die Anzahl von Einzelzellen, die erforderlich sind, um die benötigte Spannung abzugeben, so daß die Baugröße und die Herstellungskosten des gesamten Leistungsversorgungssystems verringert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-9 beansprucht. Die Polymerelektrolytmembran der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle ist als eine Elektrolytschicht zwischen einer Wasserstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode eingefügt, wobei die Polymerelektrolytmembran umfaßt:
einen ersten Kontaktbereich, der mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht; und
einen zweiten Kontaktbereich, der mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht;
wobei die Polymerelektrolytmembran eine Verstärkungseinrichtung enthält, welche die Wasserstoffionenkonzentration am ersten Kontaktbereich verstärkt, so daß diese höher ist als die Wasserstoffionenkonzentration am zweiten Kontaktbereich.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen 11 und 12 beansprucht.
Im nachfolgenden wird der Zusammenhang zwischen dem Variieren der Wasserstoffionenkonzentration und der Leerlaufspannung beschrieben. Die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle stellt die Potentialdifferenz zwischen der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode dar. Die durch die oben angegebenen Gleichungen (1) und (2) ausgedrückten Reaktionen laufen an den jeweiligen Elektroden ab. Die an den jeweiligen Elektroden stattfindenden Reaktionen befinden sich im Verlauf der Leistungserzeugung in einem Gleichgewichtszustand. Die Potentiale an den jeweiligen Elektroden im Gleichgewichtszustand sind allgemein durch die Nernstsche Gleichung ausgedrückt. Nach der Nernstschen Gleichung werden das Gleichgewichts-Elektrodenpotential EH an der Wasserstoffelektrode und das Gleichgewichts-Elektrodenpotential E0 an der Sauerstoff- elektrode durch die nachfolgend angegebene Gleichung (3) bzw. (4) ausgedrückt.
EH = EHO + (RT/F) x ln(aH) = EHO - (RT/F) x pH (3)
= EO0 + (RT/F) x ln(aH) = EO0 - (RT/F) x pH (4)
wobei R die Gaskonstante bezeichnet, T die absolute Temperatur bzw. die Temperatur in Kelvin bezeichnet, F die Faraday-Konstante bezeichnet, aH die Aktivität der Wasserstoffionen bezeichnet, EH0 für das Potential (0 V) an der Wasserstoffelektrode unter der Bedingung aH = 1 steht, EO0 für das Potential (1,23 V) an der Sauerstoffelektrode unter der Bedingung aH = 1 steht, und der pH (Wasserstoffionenexponent) gleich -ln(aH) ist.
Die Wasserstoffionenaktivität aH ist in einigen Fällen nicht strenggenommen identisch mit der Wasserstoffionenkonzentration. In der vorliegenden Beschreibung wird jedoch die Identität der Wasserstoffionenaktivität aH mit der Wasserstoffionenkonzentration angenommen.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das Variationen der Gleichgewichts-Elektrödenpotentiale an der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode über dem pH-Wert angibt. D. h., dieses Diagramm stellt die oben angegebenen Gleichungen (3) und (4) gemäß der Nernstschen Gleichung dar. Die durchgezogene Linie steht für eine Variation des Gleichgewichts-Elektrodenpotentials an der Sauerstoffelektrode, während die gestrichelte Linie für eine Variation des Gleichgewichts-Elektrodenpotentials an der Wasserstoffelektrode steht. Wie im Diagramm von Fig. 1 gezeigt ist, verringert sich das Elektrodenpotential jeweils mit einer abnehmenden Wasserstoffionenkonzentration. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden liegt bei jedem pH-Wert unverändert bei 1,23 V, wie aus den Gleichungen (3) und (4) klar hervorgeht. Wenn beispielsweise die Elektrolytschicht pH = 1 aufweist, ist das Elektrodenpotential an der Sauerstoffelektrode gleich Vol. und das Elektrodenpotential an der Wasserstoffelektrode gleich Vh1. Die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle an diesem Punkt entspricht der Potentialdifferenz zwischen der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode, d. h. einer Spannung V1, und ist theoretisch gleich 1,23 V. Sofern die Elektrolytschicht sowohl auf der Wasserstoffelektrodenseite als auch der Sauerstoffelektrodenseite eine homogene Zusammensetzung besitzt, beträgt der theoretische Wert der Leerlaufspannung unabhängig vom pH-Wert der Elektrolytschicht 1,23 V.
Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung weist eine Differenz in der Wasserstoffionenkonzentration, d. h. im pH (dem Wasserstoffionenexponenten), zwischen dem Teil der Elektrolytschicht in der Nähe der Sauerstoffelektrode und dem Teil der Elektrolytschicht in der Nähe der Wasserstoffelektrode auf. Die Wasserstoffionenkonzentration auf der Wasserstoffelektrodenseite ist niedriger als auf der Sauerstoffelektrodenseite. Ein Beispiel für diesen Zustand ist in Fig. 1 gezeigt. Wenn der pH auf der Sauerstoffelektrodenseite in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung beispielsweise gleich pHo ist, dann ist der pH auf der Wasserstoffelektrodenseite gleich pHh, der über dem pHo liegt. Das Elektrodenpotential an der Sauerstoffelektrode ist folglich gleich Vo2, und das Elektrodenpotential an der Wasserstoffelektrode ist gleich Vh2. Die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle entspricht der Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden, d. h. einer Spannung V2. Wie aus dem Diagramm von Fig. 1 und den Gleichungen (3) und (4) klar hervorgeht, ist die Spannung V2 höher als 1,23 V. Die Leerlaufspannung variiert in Abhängigkeit von der Differenz im pH zwischen der Sauerstoffelektrodenseite und der Wasserstoffelektrodenseite.
Bei den herkömmlichen Brennstoffzellen wird eine gemeinsame Elektrolytschicht für die Wasserstoffelektrode und die Sauerstoffelektrode verwendet. Gemäß der vorstehenden Beschreibung ergibt die vorgeschlagene Vorgehensweise einfach nur einen Unterschied im Wassergehalt zwischen der Wasserstoffelektrodenseite und der Sauerstoffelektrodenseite, um die Wasserstoffionenleitfähigkeit zu verbessern. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einer Verstärkung der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle auf der Grundlage des Leistungserzeugungsprinzips der Brennstoffzelle den Vorzug gegeben. Die Erfinder richteten daraufhin ihre Aufmerksamkeit auf die durch die Nernstsche Gleichung ausgedrückte Beziehung, d. h. die Beziehung zwischen dem pH-Wert der Elektrolytschicht und den Potentialen an den jeweiligen Elektroden, und vervollständigten die Erfindung basierend auf der Erkenntnis, daß die Variation des pH-Werts zwischen den beiden Elektroden die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle verstärkt. Die Nernstsche Gleichung an sich ist auf diesem technischen Gebiet allgemein bekannt. Die technische Bedeutsamkeit der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Nernstsche Gleichung im Hinblick auf eine Verstärkung der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle neu überprüft wird, und daß die Differenz des pH zwischen dem Teil der Elektrolytschicht in der Nähe der Wasserstoffelektrode und dem Teil der Elektrolytschicht in der Nähe der Sauerstoffelektrode zu der Verstärkung der Leerlaufspannung führt.
Wie aus dem Diagramm von Fig. 1 und den Gleichungen (3) und (4) klar hervorgeht, stellt die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung die Differenz zwischen dem pH- Wert auf der Wasserstoffelektrodenseite und dem pH-Wert auf der Sauerstoffelektrodenseite in Abhängigkeit von der Soll-Leerlaufspannung ein. Das Diagramm von Fig. 1 zeigt die theoretischen Werte. Unter tatsächlichen Bedingungen wird die Differenz zwischen den pH-Werten auf den Seiten der beiden Elektroden unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls eingestellt, der sich aus einer Vielfalt von Verlusten ergibt. Die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß der Gleichgewichtszustand der Reaktionen, die an der Wasserstoffelektrode und an der Sauerstoffelektrode ablaufen, mit einer Variation im pH der Elektrolytschicht variiert. Es ist daher erforderlich, daß die Wasserstoffionenkonzentration der Elektrolytschicht in Kontaktbereichen, in denen die Elektrolytschicht mit den jeweiligen Elektroden in Berührung steht, und genauer gesagt in Bereichen, welche den Gleichgewichtszustand der an den jeweiligen Elektroden ablaufenden Reaktionen beeinflussen, eine Variation aufweist. Die Wasserstoffionenkonzentration der Elektrolytschicht kann von der Wasserstoffelektrodenseite aus zur Sauerstoffelektrodenseite hin allmählich angehoben werden. Sofern die oben genannten Bedingungen erfüllt sind, kann ein jeglicher Wert für die Wasserstoffionenkonzentration in der Elektrolytschicht eingestellt werden.
Die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung ist auf eine Vielfalt von Brennstoffzellen wie Phosphorsäure- Brennstoffzellen und Karbonatschmelze-Brennstoffzellen anwendbar. Es ist jedoch insbesondere bevorzugt, wenn die Elektrolytschicht eine hauptsächlich aus einem festen Polymer bestehende Wasserstoffionenaustauschermembran ist. Insbesondere wird die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung bevorzugt auf Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen angewendet.
Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle weist eine aus einer Polymermembran bestehende Elektrolytschicht auf. Es gibt keine Untersuchung über die Vorgehensweise, die Zusammensetzung der Elektrolytschicht zwischen den beiden Elektroden zu variieren. Die Erfinder haben das herkömmliche Konzept verworfen und die Wichtigkeit der variierenden Zusammensetzung der Elektrolytschicht zwischen den beiden Elektroden klargestellt. Hierin liegt die Bedeutsamkeit der vorliegenden Erfindung. Es ist vergleichsweise einfach, die Zusammensetzung der Elektrolytschicht zwischen den beiden Elektroden zu variieren, da die Elektrolytschicht aus einer Polymermembran besteht. Die Polymerelektrolytmembran hält auf vorteilhafte Weise die Differenz zwischen dem pH-Wert auf der Wasserstoffelektrodenseite und dem pH-Wert auf der Sauerstoffelektrodenseite über einen relativ langen Zeitraum aufrecht.
Die Differenz des pH-Werts zwischen der Wasserstoffelektrodenseite und der Sauerstoffelektrodenseite kann durch eine Vielfalt von Anordnungen erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrolytschicht eine variierende Konzentration einer Ionenaustauschergruppe für die Wasserstoffionen auf, so daß die Konzentration der Ionenaustauschergruppe im ersten Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, höher als diejenige im zweiten Kontaktbereich ist, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht.
Durch die Funktion der Ionenaustauschergruppe verlagern sich die Wasserstoffionen im wesentlichen von der Wasserstoffelektrode zur Sauerstoffelektrode. Wie auf diesem Fachgebiet bekannt ist, hängt die Wasserstoffionenkonzentration von der Konzentration der Ionenaus- tauschergruppe ab, und in einem Bereich mit einer größeren Anzahl von Ionenaustauschergruppen liegt eine größere Anzahl von Wasserstoffionen vor. In der Brennstoffzelle mit der oben genannten Anordnung weist der erste Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, eine höhere Konzentration der Ionenaustauschergruppe auf. Dies macht die Wasserstoffionenkonzentration auf der Sauerstoffelektrodenseite höher als diejenige auf der Wasserstoffelektrodenseite. Dies verstärkt die Leerlaufspannung. Die Konzentration der Ionenaustauschergruppe wird nach Belieben eingestellt, sofern das Verhältnis zwischen den beiden Elektroden die oben genannte Bedingung erfüllt. Die Konzentration der Ionenaustauschergruppe auf der Wasserstoffelektrodenseite kann verringert werden, oder alternativ kann die Konzentration auf der Sauerstoffelektrodenseite erhöht werden. Die Differenz der Konzentration der Ionenaustauschergruppe zwischen den jeweiligen Elektroden wird in Abhängigkeit von der Soll-Leerlaufspannung eingestellt. Die variierende Konzentration der Ionenaustauschergruppe kann im Verlauf der Herstellung der Membran der Elektrolytschicht durch unterschiedliche Mengen der Ionenaustauschergruppe erzielt werden, die auf den Seiten der jeweiligen Elektrodenseiten enthalten sein sollen. Die variierende Konzentration kann alternativ erreicht werden, indem ein Paar von Polymermembranen mit einer unterschiedlichen Konzentration der Ionenaustauschergruppe zusammengefügt wird.
In einem konkreten Beispiel für diese Anordnung ist die Elektrolytschicht eine Wasserstoffionenaustauschermembran, die hauptsächlich aus einem Perfluorkohlenstoff- Polymer besteht, das eine Sulfonsäuregruppe enthält, und die Ionenaustauschergruppe ist eine Sulfonsäuregruppe. Die Ionenaustauschergruppe ist natürlich nicht auf die Sulfonsäuregruppe beschränkt, sondern es kann eine Vielfalt weiterer Gruppen, z. B. eine Phosphorsäuregruppe, als die Ionenaustauschergruppe verwendet werden.
Diese Anordnung wird allgemein für die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle angewendet und ist bislang als bevorzugtes Material für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit einem ausgezeichneten Antriebswirkungsgrad und einer ausgezeichneten Beständigkeit bekannt. Die Kombination dieser Anordnung mit der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung ergibt eine Brennstoffzelle mit einer verstärkten Leerlaufspannung zusätzlich zu der Vielfalt von auf herkömmliche Weise verbesserten Eigenschaften. In der Brennstoffzelle mit dieser Anordnung werden ausreichende Wirkungen erzielt, indem die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in einem Bereich von nicht mehr als 1 u m relativ zur Elektrolytschicht mit einer Dicke von einigen -zig Mikrometern variiert wird. Dadurch, daß das Verhältnis der Sulfonsäuregruppenkonzentration der Wasserstoffelektrodenseite zu derjenigen der [Sauer]stoffelektrodenseite auf ca. 1 zu 10 eingestellt wird, verstärkt sich die Leerlaufspannung um 20 bis 50 mV. Das Konzentrationsverhältnis kann beliebig in Abhängigkeit von der Soll-Leerlaufspannung eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung auf die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle angewendet. Die Elektrolytschicht enthält ein von einem Proton verschiedenes Kation, so daß die Konzentration des von einem Proton verschiedenen Kations in der Nähe des zweiten Kontaktbereiches, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht, höher als in der Nähe des ersten Kontaktbereiches ist, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht. In der Brennstoffzelle mit dieser Anordnung wirkt die Coulomb-Kraft zwischen dem von einem Proton verschiedenen Kation und dem Wasserstoffion als Abstoßungskraft auf der Wasserstoffelektrodenseite. Die Abstoßungskraft bewirkt ein Abhalten der Wasserstoffionen von der Wasserstoffelektrode. Dies führt zu einer Verringerung der Wasserstoffionenkonzentration auf der Wasserstoffelektrodenseite und verstärkt dadurch die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle. Eine Vielfalt von von einem Proton verschiedenen Kationen kann in der Elektrolytschicht enthalten sein; z. B. Natriumionen (Na&spplus;), Kaliumionen (K&spplus;), Calciumionen (Ca²&spplus;) und Silberionen (Ag&spplus;). Die Vorgehensweisen, die bei dem Vorgang zum Ausbilden einer Katalysatorschicht auf der Elektrode allgemein angewendet werden, können zum Einbringen der Kationen in die Elektrolytschicht verwendet werden. Ein anwendbares Verfahren ist es, die Elektrolytschicht mit einer Lösung zu imprägnieren, die ein Salz des Kations enthält, und nur das nicht erforderliche Anion in einer Hochtemperaturumgebung zu entfernen.
Die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung kann durch eine Anordnung außerhalb der Elektrolytschicht anstelle der oben genannten Anordnung in der Elektrolytschicht verwirklicht werden.
Die vorliegende Erfindung ist folglich auf eine Brennstoffzelle gerichtet, die eine Wasserstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode umfaßt, welche beidseitig von einer für Wasserstoffionen durchlässigen Elektrolytschicht angeordnet sind. Die Brennstoffzelle weist des weiteren ein Verstärkungselement auf, das eine Wasserstoffionenkonzentration in der Elektrolytschicht während der Leistungserzeugung derart erhöht, daß die Wasserstoffionenkonzentration in einem ersten Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, um zumindest einen vorgegebenen Wert, der einer Soll-Leerlaufspannung entspricht, höher als die Wasserstoffionenkonzentration in einem zweiten Kontaktbereich ist, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht.
In der Brennstoffzelle mit dieser Anordnung bewirkt das Verstärkungselement eine Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen dem ersten Kontaktbereich in der Nähe der Sauerstoffelektrode und dem zweiten Kontaktbereich in der Nähe der Wasserstoffelektrode. Die Differenz in der Wasserstoffionenkonzentration verstärkt vorteilhaft die Leerlaufspannung. Für das Verstärkungselement sind vielfältige Vorgehensweisen anwendbar. Beispielsweise kann ein elektrisches Feld angewendet werden, um die Wasserstoffionen zu induzieren oder abzustoßen. Bei einem weiteren Beispiel kann eine Oberflächenbehandlung der Elektrolytschicht mit chemischen Substanzen durchgeführt werden, um die Differenz in der Wasserstoffionenkonzentration herbeizuführen. Diese Anordnung gestattet vorteilhaft die Verwendung der Elektrolytschicht mit dem herkömmlichen Aufbau und verstärkt die Leerlaufspannung durch einen relativ einfachen Vorgang.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform der Brennstoffzelle mit außerhalb der Elektrolytschicht liegenden charakteristischen Merkmalen ist die Elektrolytschicht eine Wasserstoffionenaustauschermembran, welche hauptsächlich aus einem festen Polymer besteht. Mindestens eine von Wasserstoffelektrode und Sauerstoffelektrode besitzt einen spezifischen Aufbau, der teilweise mit der Elektrolytschicht in Berührung steht. Das Verstärkungselement bewirkt einen Unterschied in der Wasserstoffionenleitfähigkeit zwischen einem Kontaktbereich in der Elektrolytschicht, in dem die mindestens eine Elektrode mit dem spezifischen Aufbau mit der Elektrolytschicht in Berührung steht, und einem nicht berührenden Bereich.
Die Wasserstoffionenleitfähigkeit ist ein Index für die Leichtigkeit der Bewegung von Wasserstoffionen. Eine höhere Leitfähigkeit repräsentiert einen geringeren Widerstand gegen die Bewegung der Wasserstoffionen. In der Brennstoffzelle mit der oben genannten Anordnung besteht eine Differenz der Wasserstoffionenleitfähigkeit zwischen dem Kontaktbereich der Elektrolytschicht, der mit der Elektrode in Berührung steht, und dem nicht berührenden Bereich. Dies führt zu einer Differenz der Verteilung der Wasserstoffionen zwischen dem Kontaktbereich und dem nicht berührenden Bereich. Beispielsweise wird die Wasserstoffionenleitfähigkeit in dem Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, erhöht, und im nicht berührenden Bereich verringert. Dies führt zu einer dichten Verteilung von Wasserstoffionen, die sich im Kontaktbereich an die Sauerstoffelektrode verlagern. Die Elektrodenreaktion läuft tatsächlich im Kontaktbereich ab. Die Variation der Verteilung von Wasserstoffionen hat folglich ähnliche Effekte wie die erhöhte Wasserstoffionenkonzentration im Kontaktbereich in der Nähe der Sauerstoffelektrode. Im Gegensatz hierzu kann die Wasserstoffionenleitfähigkeit in dem nicht berührenden Bereich erhöht und im Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht, gesenkt werden. In diesem Fall weist der nicht berührende Bereich eine dichte Verteilung von an der Wasserstoffelektrode erzeugten Wasserstoffionen auf. Die Effekte sind hierbei ähnlich wie bei einer veringerten Wasserstoffionenkonzentration in dem Kontaktbereich in der Nähe der Wasserstoffelektrode. Die Brennstoffzelle mit der oben genannten Anordnung bewirkt folglich eine Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen dem Kontaktbereich und dem nicht berührenden Bereich. Diese Anordnung verstärkt somit die Leerlaufspannung ebenso wie die Anordnung, bei der die Wasserstoffionenkonzentration zwischen den Elektroden variiert wird.
Es kann eine Vielfalt von Vorgehensweisen angewendet werden, um eine Differenz der Wasserstoffionenleitfähigkeit zwischen dem Kontaktbereich und dem nicht berührenden Bereich herbeizuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Sauerstoffelektrode einen spezifischen Aufbau, der teilweise mit der Elektrolytschicht in Berührung steht, und das Verstärkungselement ist eine auf der Oberfläche des nicht berührenden Bereichs in der Elektrolytschicht vorgesehene, wasserabstoßende Schicht.
Die Wasserstoffionen werden im wesentlichen hydriert bzw. mit Wassermolekülen kombiniert und bilden Hydroniumionen, wenn sie sich durch die Elektrolytschicht verlagern. Das Vorhandensein von Wassermolekülen hat somit einen bedeutsamen Einfluß auf die Wasserstoffionenleitfähigkeit. Die in dem nicht berührenden Bereich in der Nähe der Sauerstoffelektrode vorgesehene wasserabstoßende Schicht hält die Wassermoleküle von dem nicht berührenden Bereich ab und verringert dadurch die Anzahl von Wassermolekülen, die in dem nicht berührenden Bereich vorhanden sind. Die vom nicht berührenden Bereich abgehaltenen Wassermoleküle konzentrieren sich naturgemäß im Kontaktbereich. Die größere Anzahl von Wassermolekülen in der Nähe des Kontaktbereiches verstärkt die Wasserstoffionenleitfähigkeit im Kontaktbereich, wohingegen der nicht berührende Bereich eine verringerte Wasserstoffionenleitfähigkeit aufweist.
Eine wasserabstoßende Schicht, die im Kontaktbereich in der Nähe der Wasserstoffelektrode vorgesehen ist, in dem die Wasserstoffelektrode mit der Elektrolytschicht in Berührung steht, weist die selben Effekte wie die oben erwähnte Anordnung auf. Ähnliche Effekte sind auch zu erwarten, wenn eine hydrophile Schicht im Kontaktbereich in der Nähe der Sauerstoffelektrode oder in dem nicht berührenden Bereich in der Nähe der Wasserstoffelektrode vorgesehen wird. Unter diesen im wesentlichen gleichwertigen Anordnungen läßt sich die wasserabstoßende Schicht auf einfache Weise im nicht berührenden Bereich der Elektrolytschicht in der Nähe der Sauerstoffelektrode ausbilden. Bei dieser Anordnung wird die wasserabstoßende Schicht einfach dadurch hergestellt, daß eine Fluorverbindung auf die Oberfläche der Elektrolytschicht aufgebracht wird, oder diese Oberfläche mit einer Fluorverbindung beschichtet wird. Ein weiterer Vorteil ist es, daß die wasserabstoßende Schicht die Elektrodenreaktion im Kontaktbereich nicht behindert.
In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn der erste Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, schmaler als der zweite Kontaktbereich. ist, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht.
Die Reaktion an jeder Elektrode läuft tatsächlich in dem Kontaktbereich ab, in dem die Elektrolytschicht mit der Elektrode in Berührung steht. Ein schmaler Kontaktbereich unterdrückt die Reaktion, d. h., der schmale Kontaktbereich behindert die problemlose Verlagerung von Wasserstoffionen zwischen der Elektrolytschicht und der Elektrode. Ein breiterer Kontaktbereich hingegen erleichtert die Reaktion und beschleunigt die problemlose Verlagerung von Wasserstoffionen zwischen der Elektrolytschicht und der Elektrode. In der Brennstoffzelle der oben genannten Anwendung ist der erste Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, schmaler als der zweite Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht. Diese Anordnung behindert die problemlose Verlagerung von Wasserstoffionen an der Sauerstoffelektrode und erhöht dadurch die Wasserstoffionenkonzentration im zweiten Kontaktbereich, während sie die problemlose Verlagerung von Wasserstoffionen an der Wasserstoffelektrode beschleunigt und dadurch die Wasserstoffionenkonzentration im ersten Kontaktbereich verringert. Dies erzeugt eine Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich und verstärkt dadurch die Leerlaufspannung basierend auf den oben erläuterten Funktionsweisen. Der Effekt der Verstärkung der Leerlaufspannung durch diese Anordnung ist nicht so beträchtlich, weshalb es vorzuziehen ist, diese Anordnung mit jeglichen der oben erläuterten Anwendungen zu kombinieren.
Im Fall einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle kann die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung durch eine in der Brennstoffzelle beinhaltete Polymerelektrolytmembran verwirklicht werden.
Die vorliegende Erfindung ist demzufolge auf eine Polymerelektrolytmembran gerichtet, die eine Elektrolytschicht der Brennstoffzelle darstellt, wobei die Brennstoffzelle eine Wasserstoffelektrode und eine Sauerstoff felektrode umfaßt, welche beidseitig von einer für Wasserstoffionen durchlässigen Elektrolytschicht angeordnet sind. Die Elektrolytschicht enthält eine Ionenaustauschergruppe für die Wasserstoffionen derart, daß die Konzentration der Ionenaustauschergruppe in einem zweiten Kontaktbereich, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht, geringer als in einem ersten Kontaktbereich ist, in dem die Elektrolytschicht mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht. Die vorliegende Erfindung ist des weiteren auf eine Polymerelektrolytmembran gerichtet, die eine Elektrolytschicht einer Brennstoffzelle darstellt, wobei die Brennstoffzelle eine Wasserstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode umfaßt, die beidseitig von der für Wasserstoffionen durchlässigen Elektrolytschicht angeordnet sind. Die Elektrolytschicht enthält ein von einem Proton verschiedenes Kation in der Nähe eines Kontaktbereiches, in dem die Elektrolytschicht mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht.
Die Anwendung der Polymerelektrolytmembran mit dieser Anordnung auf die Brennstoffzelle bewirkt eine Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen einem Kontaktbereich der Polymerelektrolytmembran in der Nähe der Wasserstoffelektrode und einem Kontaktbereich in der Nähe der Sauerstoffelektrode, die auf den oben erläuterten Funktionsweisen beruht. Dies verstärkt vorteilhaft die Leerlaufspannung. Die Vielfalt von Anordnungen, welche die obenstehend mit Bezug auf die Brennstoffzelle erläuterten zusätzlichen Elemente anwenden, sind auch auf die Polymerelektrolytmembran der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das Variationen von Gleichgewichts-Elektrodenpotentialen an der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode über dem pH-Wert zeigt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Erscheinungsbildes eines Brennstoffzellenstapels in einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Einzelzelle, die ein Grundelement des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels darstellt;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der Einzelzelle;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das Verteilungen der Sulfonsäuregruppe in der in Fig. 4 gezeigten Elektrolytmembran zeigt;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer weiteren Einzelzelle in einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Elektrolytmembran der zweiten Ausführungsform;
Fig. 8 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer wieder anderen Einzelzelle in einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 zeigt die Funktion einer wasserabstoßenden Schicht, die in der in Fig. 8 gezeigten Einzelzelle ausgebildet ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

(1) Erste Ausführungsform
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Erscheinungsbildes eines Brennstoffzellen-Stack 10 (im nachfolgenden als Brennstoffzellenstapel bezeichnet) in einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird durch Anordnen einer vorgegebenen Anzahl von Einzelzellen 100 aufeinander erhalten. Jede Einzelzelle 100 ist als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle aufgebaut und erzeugt eine Leerlaufspannung von ca. 1 V. Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau der Einzelzelle 100 veranschaulicht. Die Einzelzelle 100 weist eine Sauerstoffelektrode 136, eine Elektrolytmembran 132 und eine Wasserstoffelektrode 134 auf, die in dieser Reihenfolge und zwischen einem Paar von Separatoren 110 und 120 angeordnet sind. In dem Brennstoffzellenstapel 10 werden die Separatoren 110 und 120 zusammen durch angrenzende Einzelzellen 100 gehalten. Der Aufbau der Einzelzelle 100 wird nachfolgend im einzelnen erläutert.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 weist der Brennstoffzellenstapel 10 eine Endplatte 12, eine Isolatorplatte 16, eine Kollektorplatte 18, eine Mehrzahl von Einzelzellen 100, eine weitere Kollektorplatte 20, eine weitere Isolatorplatte 22, und eine weitere Endplatte 14 auf, die in dieser Reihenfolge aufeinander angeordnet und aufeinandergelegt sind. Die Endplatten 12 und 14 bestehen aus einem Metall wie etwa Kupfer, um eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten. Die Kollektorplatten 18 und 20 bestehen aus einem gasundurchlässigen, leitfähigen Material wie etwa verdichtetem Kohlenstoff oder Kupferblech. Die Isolatorplatten 16 und 22 bestehen aus einem Dielektrikum wie etwa Gummi oder Harz. Die Kollektorplatten 18 und 20 weisen Ausgangsklemmen 19 bzw. 21 auf, über die von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Leistung ausgegeben wird.
In der Endplatte 14 sind eine Gasbrennstoff-Zuführöffnung 35, eine Gasbrennstoff-Abführöffnung 36, eine Oxidationsmittelgas-Zuführöffnung 33, eine Oxidationsmittelgas-Abführöffnung 34, eine Kühlwasser-Zuführöffnung 31 und eine Kühlwasser-Abführöffnung 32 ausgebildet. Eingeleiteter Gasbrennstoff, der durch die Gasbrennstoff-Zuführöffnung 35 in den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, strömt zur Endplatte 12 und wird auf die jeweiligen Einzelzellen 100 verteilt. Der Gasbrennstoff, der jeder Einzelzelle 100 zugeführt wird, strömt durch einen inneren Strömungspfad der Einzelzelle 100 von der Oberseite zur Unterseite der Zeichnung, verläuft auf die Endplatte 14 hin und wird durch die Gasbrennstoff-Abführöffnung 36 abgeführt. Auf ähnliche Weise strömt eingeleitetes Oxidationsmittelgas, das durch die Oxidationsmittelgas-Zuführöffnung 33 zugeführt wird, zur Endplatte 12 und wird auf die jeweiligen Einzelzellen 100 verteilt. Das jeder Einzelzelle 100 zugeführte Oxidationsmittelgas strömt durch einen inneren Strömungspfad der Einzelzelle 100, verläuft auf die Endplatte 14 hin, und wird durch die Oxidationsmittelgas-Abführöffnung 34 abgeführt. In dem Brennstoffzellenstapel 10 weist jede Einzelzelle 100 innere Gasströmungspfade auf, um diese Gasströmungen zu verwirklichen.
Erneut unter Bezugnahme auf Fig. 3 weist die in jeder Einzelzelle 100 enthaltene Elektrolytmembran 132 einen abgedichteten Umfangsbereich auf, der an den Separatoren 110 und 120 anliegt. Die Dichtung verhindert auf wirksame Weise ein Austreten des gasförmigen Brennstoffs und des Oxidationsmittelgases aus den Einzelzellen 100 sowie deren Vermischung. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist zusammengespannt und wird mittels Schrauben und Muttern, die jedoch in der Darstellung weggelassen sind, in der Stapelrichtung unter einer vorgegebenen Druckkraft gehalten. Die Schrauben und die Muttern sind aber keine wesentlichen Bauteile, um die Druckkraft auf die Lagen beaufschlagt zu halten. Es kann stattdessen beispielsweise ein Gehäuse zum Aufnehmen des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet werden.
Die jeweiligen Einzelzellen 100 sind als Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen aufgebaut. Jede Einzelzelle 100 weist die Wasserstoffelektrode 134 und die Sauerstoffelektrode 136 auf, die beidseitig von der Elektrolytmembran 132 und zwischen dem Paar von Separatoren 110 und 120 angeordnet sind. Die Sauerstoffelektrode 136 ist in der Darstellung von Fig. 3 von der Elektrolytmembran 132 verdeckt. Sowohl die Wasserstoffelektrode 134 als auch die Sauerstoffelektrode 136 sind Gasdiffusionselektroden. Die Separatoren 110 und 120 besitzen eine Anzahl von Rillen bildenden Rippen, die in den der Wasserstoffelektrode 134 bzw. der Sauerstoffelektrode 136 gegenüberliegenden Flächen ausgebildet sind. Die Anordnung der Wasserstoffelektrode 134 und der Sauerstoffelektrode 136 zwischen dem Paar von Separatoren 110 und 120 erzeugt einen von dem Separator 110 und der Wasserstoffelektrode 134 zu begrenzenden Gasbrennstoff-Strömungspfad 112 und einen von dem Separator 120 und der Sauerstoffelektrode 136 zu begrenzenden Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122. Jeder der Separatoren 110 und 120 weist auf beiden Seiten die Anzahl von ausgebildeten Rippen auf und ist auf einer Seite davon mit der Wasserstoffelektrode 134 einer Einzelzelle 100 kombiniert, so daß sie zwischen sich den Gasbrennstoff-Strömungspfad 112 begrenzen, und auf der anderen Seite davon mit der Sauerstoffelektrode 136 einer angrenzenden Einzelzelle 100, so daß sie zwischen sich den Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122 begrenzen. Die Separatoren 110 und 120 sind mit den Gasdiffusionselektroden kombiniert, so daß sie zwischen sich die Gasströmungspfade begrenzen und gleichzeitig eine Abtrennung des Gasbrennstoffstroms vom Oxidationsmittelgasstrom in den angrenzenden Einzelzellen 100 bewirken.
Die Elektrolytmembran 132 ist eine protonenleitfähige Ionenaustauschermembran, die aus einem Polymermaterial, z. B. einem Fluorharz, besteht und im Naßzustand eine günstige elektrische Leitfähigkeit besitzt. Beispielsweise kann eine Nation-Membran (hergestellt von DuFont) für die Elektrolytmembran 132 verwendet werden. Platin, das als Katalysator wirkt, ist auf die jeweiligen Seiten der Elektrolytmembran 132 aufgetragen. Der Auftrag des Katalysators wird durch Dispergieren von Kohlenstoffpulver mit Platin als dem darauf getragenen Katalysator in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt, wobei der Dispersion eine geeignete Menge einer Elektrolytlösung (z. B. Nation-Lösung, hergestellt von Aldrich Chemical Corp.) zugegeben wird, wodurch eine Paste erhalten wird, und die Paste mittels Siebdruck auf die Elektrolytmembran 132 aufgebracht wird. Eine Vielfalt von weiteren Verfahren kann für die Ausbildung der Katalysatorschicht anwendbar sein. Ein verfügbares Verfahren bildet eine Paste, die Kohlenstoffpulver mit dem darauf getragenen Katalysator enthält, als Folien aus und preßt die Folien auf die jeweiligen Flächen der Elektrolytmembran 132 auf. Eine Legierung aus Platin und einem weiteren Metall kann als Katalysator verwendet werden. Die Wasserstoffelektrode 134 und die Sauerstoffelektrode 136 sind aus Kohlenstoffgewebe gefertigt, das aus Kohlenstoffasern gewoben ist. Kohlepapier oder Kohlefilz aus Kohlenstoffasern können als Alternative für die Wasserstoffelektrode 134 und die Sauerstoffelektrode 136 verwendet werden. Es ist erforderlich, daß sich der Katalysator zwischen der Gasdiffusionselektrode und der Elektrolytmembran 132 befindet. Der Katalysator kann somit auf die jeweiligen Kontaktflächen der Wasserstoffelektrode 134 und der Sauerstoffelektrode 136 aufgebracht werden, die in Berührung mit der Elektrolytmembran 132 stehen, anstatt sie jeweils auf die Seiten der Elektrodenmembran 132 aufzubringen.
Die Separatoren 110 und 120 bestehen aus einem gasundurchlässigen, leitfähigen Werkstoff, z. B. gasundurchlässigem, verdichteten Kohlenstoff, der durch Komprimieren von Kohlenstoff erhalten wird. Jeder der Separatoren 110 und 120 besitzt eine Anzahl von Rippen, die auf seinen beiden Seiten und parallel zueinander ausgebildet sind. Hierbei ist es nicht nötig, die Rippen auf beiden Seiten des Separators parallel zueinander auszubilden. Die auf jeder der Seiten ausgebildeten Rippen können in einem vorgegebenen Winkel zu den auf einer angrenzenden Seite ausgebildeten Rippen stehen. Bei dieser Ausführungsform sind beispielsweise die auf jeder zweiten Seite ausgebildeten Rippen senkrecht zu den auf jeder angrenzenden Seite ausgebildeten Rippen. Solange die Rippen die Strömungspfade des Gasbrennstoffs und des Oxidationsmittelgases bilden können, können Rippen jede andere Formgebung als die zur Bildung von parallelen Rillen aufweisen.
Jeder der Separatoren 110 und 120 weist ein Paar Kühlwasseröffnungen 151 und 152 auf, die an zwei verschiedenen Positionen in einem Umfangsabschnitt des Separators ausgebildet sind und einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Wenn die Einzelzellen 100 übereinandergelegt werden, bilden die Kühlwasseröffnungen 152 und 152 einen Kühlwasser-Strömungspfad, der in der Stapelrichtung der Einzelzellen 100 durch den Brennstoffzellenstapel 10 hindurch verläuft. Jeder der Separatoren 110 und 120 weist des weiteren ein Paar von Gasbrennstoffschlitzen 153 und 154 und ein Paar von Oxidationsmittelgasschlitzen 155 und 156 auf, die sich entlang der jeweiligen Seiten des Separators erstrecken. Wenn die Anzahl von Einzelzellen 100 übereinandergelegt wird, um den Brennstoffzellenstapel 10 zur Verfügung zu stellen, bilden die Gasbrennstoffschlitze 153 und 154 und die Oxidationsmittelgasschlitze 155 und 156 jeweils den Gasbrennstoff-Strömungspfad 112 und den Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122, die in der Stapelrichtung der Einzelzellen 100 durch den Brennstoffzellenstapel 10 hindurch verlaufen. In dem Brennstoffzellenstapel 10 der Ausführungsform ist ein Gasbrennstoff-Zuführungspfad entlang der Oberseite der in Fig. 3 gezeigten Separatoren 110 und 120 gebildet, während ein Gasbrennstoff-Abführungspfad entlang ihrer Unterseite gebildet ist. Auf ähnliche Weise ist ein Oxidationsmittelgas-Zuführungspfad entlang der linken Seite der Separatoren 110 und 120 gebildet, während ein Oxidationsmittelgas-Abführungspfad entlang ihrer rechten Seite gebildet ist.
Die Gasbrennstoff-Zuführöffnung 35 des Brennstoffzellenstapels 10 (Fig. 2) steht mit dem Gasbrennstoff-Zuführungspfad in Verbindung, und die Gasbrennstoff-Abführöffnung 36 steht mit dem Gasbrennstoff-Abführungspfad in Verbindung. Eingeleiteter Gasbrennstoff, der durch die Gasbrennstoff-Zuführöffnung 35 zugeführt wird, verläuft durch den Gasbrennstoff-Zuführungspfad und strömt in den Gasbrennstoff-Strömungspfad 112 der jeweiligen Einzelzellen 100. Der Gasbrennstoff wird an der Wasserstoffelektrode 134 der beschriebenen Reaktion unterzogen und strömt daraufhin durch den Gasbrennstoff-Abführungspfad, so daß er aus der Gasbrennstoff-Abführöffnung 36 abgeführt wird. Die Strömung des Oxidationsmittelgases findet auf ähnliche Weise statt. Die Oxidationsmittelgas-Zuführöffnung 33 des Brennstoffzellenstapels 10 steht mit dem Oxidationsmittelgas-Zuführungspfad in Verbindung, und die Oxidationsmittelgas-Abführöffnung 34 steht mit dem Oxidationsmittelgas-Abführungspfad in Verbindung. Eingeleitetes Oxidationsmittelgas, das durch die Oxidationsmittelgas-Zuführöffnung 33 zugeführt wird, verläuft durch den Oxidationsmittelgas-Zuführungspfad und strömt in den Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122 der jeweiligen Einzelzellen 100. Das Oxidationsmittelgas wird der beschriebenen Reaktion an der Sauerstoffelektrode 136 unterzogen und strömt daraufhin durch den Oxidationsmittelgas-Abführungspfad, so daß es aus der Oxidationsmittelgas-Abführöffnung 34 abgeführt wird.
Der Brennstoffzellenstapel 10 umfaßt des weiteren Kühlseparatoren 140, die an jeder fünften Einzelzelle 100 angeordnet sind. Die Kühlseparatoren 140 begrenzen einen Kühlwasser-Strömungspfad, der von Kühlwasser zum Abkühlen der Einzelzellen 100 durchströmt wird. Jeder Kühlseparator 140 weist eine serpentinenförmige Kühlwasserrille 142 auf, welche die Kühlwasseröffnungen 151 und 152 miteinander verbindet. Jeder der Separatoren 110 und 120, die dem Kühlseparator 140 gegenüberliegen, weist auf der dem Kühlseparator 140 gegenüberliegenden Seite eine flache Oberfläche ohne Rippen auf. Die im Kühlseparator 140 ausgebildete serpentinenförmige Kühlwasserrille begrenzt in Kombination mit dem gegenüberliegenden Separator 110 oder 120 den Kühlwasser-Strömungspfad. Die Separatoren 110 und 120 und der Kühlseparator 140 können aus jeglichem anderen von verschiedenen leitfähigen Werkstoffen als verdichtetem Kohlenstoff bestehen. Für eine bessere Steifigkeit und Wärmeübertragung kann beispielsweise ein Metall wie etwa eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung als das Material für die Separatoren 110 und 120 und den Kühlseparator 140 angewendet werden. Das Verhältnis der Anzahl von Kühlseparatoren 140 zur Anzahl von Einzelzellen 100 kann in einem bestimmten Bereich eingestellt sein, der basierend auf unterschiedlichen Bedingungen wie etwa dem von jeder Einzelzelle 100 erzeugten Wärmebetrag je nach der erforderlichen Leistungsabgabe aus dem Brennstoffzellenstapel 10 und der Temperatur sowie dem Kühlwasserstrom eine ausreichende Kühlwirkung gewährleistet.
Das insbesondere herausragende Merkmal dieser Ausführungsform ist die Zusammensetzung der Elektrolytmembran 132, die in jeder Einzelzelle 100 enthalten ist. Die Zusammensetzung der Elektrolytmembran 132 ist nachfolgend ausführlich erläutert. Fig. 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die den Aufbau der Einzelzelle 100 veranschaulicht. Wie vorausgehend beschrieben wurde, weist jede Einzelzelle 100 die Wasserstoffelektrode 134 und die Sauerstoffelektrode 136 auf, die beidseitig von der Elektrolytmembran 132 und zwischen dem Paar von Separatoren 110 und 120 angeordnet sind. Zur Vereinfachung der Veranschaulichung und Beschreibung wird hier angenommen, daß sowohl der Gasbrennstoff-Strömungspfad 112 als auch der Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122 in einer zur Zeichenebene senkrechten Richtung ausgebildet sind.
Wie oben erwähnt wurde, besteht die Elektrolytmembran 132 aus einem Sulfonsäure enthaltenden Fluorharz. Das Fluorharz enthält eine Sulfonsäuregruppe als die Ionenaustauschergruppe. Die Elektrolytmembran 132 besitzt eine Dicke TH von einigen -zig Mikrometern (um). In dem Brennstoffzellenstapel 10 dieser Ausführungsform variiert die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Elektrolytmembran 132 in der Dickerichtung.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das Verteilungen der Sulfonsäuregruppe in der Elektrolytmembran 132 zeigt. Die durchgezogene Linie stellt eine Verteilung in dieser Ausführungsform dar. Die Abszisse des Diagramms von Fig. 5 gibt eine Koordinate an, die eine Position in der Dickerichtung der Elektrolytmembran 132 von der Wasserstoffelektrode 134 zur Sauerstoffelektrode 136 angibt, d. h. eine Tiefe innerhalb der Membran gemäß der Definition in Fig. 4. Die Konzentration der Sulfonsäuregruppe ist über jede Position entlang der Koordinatenachse der Tiefe innerhalb der Membran gezeigt. Genauer gesagt stellt die Ordinate das Verhältnis der festgestellten Konzentration der Sulfonsäuregruppe zu einer Bezugskonzentration dar. Die Bezugskonzentration bezeichnet die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Nähe einer Kontaktfläche der Elektrolytmembran 132, die mit der Sauerstoffelektrode 136 in Berührung steht.
Wie durch die durchgezogene Linie im Diagramm von Fig. 5 gezeigt ist, fällt die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Elektrolytmembran 132 im Oberflächenbereich mit einer Dicke th1 ab, der mit der Wasserstoffelektrode 134 in Berührung steht. Genauer gesagt beträgt die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in diesem Bereich etwa ein Zehntel der Bezugskonzentration. Die Dicke th1 ist ca. gleich 1 um. Die Konzentration der Sulfonsäuregruppe ist gleich der Bezugskonzentration in dem weiteren Bereich, dessen Tiefe innerhalb der Membran von th1 bis TH rangiert. In dieser Ausführungsform wird die Elektrolytmembran 132 hergestellt, indem zwei separate, Sulfonsäure enthaltende Fluorharzmembranen mit einem unterschiedlichen Gehalt der Sulfonsäuregruppe an der Grenzfläche der Dicke th1 zusammengefügt werden.
Es wird nun der Vorgang zur Herstellung der Elektrolytmembran 132 in mehr Detail erläutert. Die Membran aus Sulfonsäure enthaltendem Fluorharz wird hergestellt durch Copolymerisation und Hydrolyse ihrer Monomere, nämlich Tetrafluorethylen und Perfluorvinylether, die eine Fluorsulfongruppe enthalten. Die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Membran wird durch Variieren der Monomermengen und des Polymerisationsgrades reguliert.
Eine Ionenaustauschermembran, welche eine vorgegebene Konzentration der Sulfonsäuregruppe enthält, wird durch das folgende Verfahren hergestellt. Bei dem Verfahren werden zunächst bestimmte, der vorgegebenen Konzentration entsprechende Mengen der Monomere, nämlich Tetrafluorethylen und Perfluorvinylether, unter Rühren vermischt, die Monomere copolymerisiert, mittels eines geeigneten Verfahrens zum Bilden eines Dünnfilms, beispielsweise des Kalanderwalzverfahrens, ein Dünnfilm aus dem Copolymer geformt, und die Hydrolysierung des Dünnfilms herbeigeführt. Diese Vorgehensweise ergibt eine Ionenaustauschermembran mit einer Konzentration der Sulfonsäuregruppe auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134 und eine weitere Ionenaustauschermembran mit einer anderen Konzentration der Sulfonsäuregruppe auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136.
Die zwei auf die oben genannte Weise separat hergestellten Ionenaustauschermembranen werden auf eine gemischte Lösung der erwähnten Monomere, die auf eine jeweilige Seite der Ionenaustauschermembranen aufgebracht ist, heißgepreßt. Das Heißpressen stößt die Copolymerisation der gemischten Lösung an und fügt dadurch die beiden Ionenaustauschermembranen zusammen, wodurch die Elektrolytmembran 132 dieser Ausführungsform zur Verfügung gestellt wird. Die Herstellung der Elektrolytmembran 132 ist nicht auf diese Verfahrensweise beschränkt.
Im nachfolgenden werden die Funktionsweise des Brennstoffzellenstapels 10 dieser Ausführungsform sowie die Auswirkungen der verringerten Konzentration der Sulfonsäuregruppe auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134 beschrieben. Wenn dem Brennstoffzellenstapel 10 eingeleiteter Gasbrennstoff zugeführt wird, strömt der Gasbrennstoff durch den in Fig. 4 gezeigten Gasbrennstoff-Strömungspfad 112 und diffundiert in die Wasserstoffelektrode 134 ein. Der Gasbrennstoff ist ein an Wasserstoff reiches Gas. Wenn der Gasbrennstoff in die Wasserstoffelektrode 134 eindiffundiert, wird das im Gasbrennstoff enthaltene Wasserstoffmolekül infolge der Funktion des an der Grenzfläche zwischen der Wasserstoffelektrode 134 und der Elektrolytmembran 132 vorgesehenen Katalysators in das Wasserstoffion und das Elektron aufgespalten. Diese Reaktion ist durch die obenstehend in der Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik gezeigte Gleichung (1) ausgedrückt. Das somit erzeugte Elektron tritt durch die Separatoren 110 und 120 auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134 und strömt aus der Kollektorelektrode des Brennstoffzellenstapels 10. Das Wasserstoffion bewegt sich durch die Elektrolytmembran 132 auf die Sauerstoffelektrode 136 zu.
Wenn dem Brennstoffzellenstapel 10 hingegen eingeleitetes Oxidationsmittelgas zugeführt wird, strömt das Oxidationsmittelgas durch den in Fig. 4 gezeigten Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122 und diffundiert in die Sauerstoffelektrode 136 ein. Das Oxidationsmittelgas ist ein sauerstoffhaltiges Gas. Wenn das Oxidationsmittelgas in die Sauerstoffelektrode 136 eindiffundiert, wird das sich durch die Elektrolytmembran 132 hindurchbewegende Wasserstoffion durch die an der Grenzfläche zwischen der Sauerstoffelektrode 136 und der Elektrolytmembran 132 vorgesehene Funktion mit Sauerstoff kombiniert und nimmt das Elektron auf, so daß ein Wassermolekül erzeugt wird. Diese Reaktion ist durch die obenstehend in der Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik gezeigte Gleichung (2) ausgedrückt. Das für diese Reaktion erforderliche Elektron wird von außen her über die Kollektorelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 und die Separatoren 110 und 120 auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136 geliefert. Die Bildung eines Stromkreises, der die Wasserstoffelektrode 134 mit der Sauerstoffelektrode 136 verbindet, gewährleistet die kontinuierliche Freisetzung und Zuführung des Elektrons und ermöglicht es, daß die Leerlaufspannung zwischen der Wasserstoffelektrode 134 und der Sauerstoffelektrode 136 erzeugt wird, so daß ein elektrischer Strom hervorgerufen wird, solange die Zuführung von Gasbrennstoff und Oxidationsmittelgas andauert. Die durch die Reaktionen erzeugte Leerlaufspannung ist gleich der Potentialdifferenz zwischen der Wasserstoffelektrode 134 und der Sauerstoffelektrode 136, an denen die jeweiligen, oben erläuterten Reaktionen ablaufen. Allgemein ausgedrückt besteht eine bestimmte Energiedifferenz zwischen dem Zustand von Molekülen und Ionen vor und nach einer chemischen Reaktion. Die Energiedifferenz bestimmt das Potential an jeder Elektrode. Die an jeder Elektrode vorliegende Gesamtenergiedifferenz ist proportional zu den Mengen der an der Reaktion teilnehmenden Moleküle und Ionen. Bekanntermaßen hängt bei reversiblen Reaktionen wie bei den Reaktionen der Gleichungen (1) und (2) die Konzentration eines jeden Moleküls oder Ions im Gleichgewichtszustand von der Gleichgewichtskonstante der Reaktion ab. Bei den Reaktionen der Gleichungen (1) und (2) definiert die Bestimmung der Wasserstoffionenkonzentration den Gleichgewichtszustand an jeder Elektrode und bestimmt das Potential an jeder Elektrode.
Es ist bekannt, daß das Potential infolge der an jeder Elektrode der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktion durch die als die Nernstsche Gleichung bezeichnete theoretische Gleichung bestimmt wird. Die Nernstsche Gleichung ist oben als Gleichungen (3) und (4) angegeben. Gemäß den Gleichungen (3) und (4) ist das Elektrodenpotential proportional zu der Wasserstoffionenkonzentration. Eine niedrigere Wasserstoffionenkonzentration resultiert in einem niedrigeren Potential. In einem Fall, in dem die Wasserstoffionenkonzentration durch den pH ausgedrückt ist, resultiert der höhere pH-Wert in einem niedrigeren Potential. Die Beziehung zwischen dem pH und dem Elektrodenpotential ist in dem Diagramm von Fig. 1 gezeigt. Solange der pH an den beiden Elektroden identisch ist, ist die Leerlaufspannung (entsprechend der Spannung V1 in Fig. 1) unveränderlich und theoretisch gleich 1,23 V. In der Elektrolytmembran 132 der Ausführungsform weist der Abschnitt auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134 eine niedrigere Konzentration der Sulfonsäuregruppe als in dem Abschnitt auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136 auf. Wie auf diesem Fachgebiet bekannt ist, bewirkt die Sulfonsäuregruppe die Bewegung der Wasserstoffionen in der Elektrolytmembran 132. Wegen dieser Funktion der Sulfonsäuregruppe hängt die Wasserstoffionenkonzentration in der Elektrolytmembran 132 von der Konzentration der Sulfonsäuregruppe ab. In einem Bereich mit einer größeren Anzahl von Sulfonsäuregruppen liegt somit eine große Anzahl von Wasserstoffionen vor. In dem Brennstoffzellenstapel 10 dieser Ausführungsform resultiert die niedrigere Konzentration der Ionenaustauschergruppe in dem Kontaktbereich der Elektrolytmembran 132, der mit der Wasserstoffelektrode 134 in Berührung steht, in einer niedrigeren Wasserstoffionenkonzentration auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134 als auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136. D. h., die Wasserstoffelektrode 134 hat einen höheren pH-Wert. Unter Bezugnahme auf das Diagramm von Fig. 1 ist der pH-Wert an der Wasserstoffelektrode 134 gleich pHh, wenn der pH-Wert an der Sauerstoffelektrode 136 gleich pHo ist. Die Leerläufspannung einer jeden Einzelzelle 100 entspricht hierbei der Potentialdifferenz V2 zwischen den beiden Elektroden. In dem Brennstoffzellenstapel 10 dieser Ausführungsform verstärkt der pH-Wert an der Wasserstoffelektrode 134, der höher als an der Sauerstoffelektrode 136 ist, die Leerlaufspannung einer jeden Einzelzelle 100.
Der Gleichgewichtszustand der Reaktion, die an jeder Elektrode abläuft, hängt von der Wasserstoffionenkonzentration in dem Kontaktbereich ab, in dem die Elektrode mit der Elektrolytmembran 132 in Berührung steht. Wie oben zu dem Diagramm von Fig. 5 erläutert wurde, verstärkt eine Abnahme der Wasserstoffionenkonzentration in einer relativ geringen Tiefe der Elektrolytmembran 132 in der Nähe der Wasserstoffelektrode 134 die Leerlaufspannung in ausreichendem Maße. Eine Vergrößerung der in Fig. 4 gezeigten Tiefe innerhalb der Membran th1 hingegen trägt kaum zu der Verstärkung der Leerlaufspannung bei. Es ist jedoch nicht nötig, die Konzentration der Sulfonsäuregruppe der Bezugskonzentration in dem Bereich mit der Tiefe innerhalb der Membran von mehr als th1 ab der Wasserstoffelektrode 134 anzugleichen. Die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Elektrolytmembran 132 kann allmählich oder stufenweise auf die Sauerstoffelektrode 136 hin erhöht werden.
Die Differenz des pH zwischen den beiden Elektroden bedeutet nicht, daß irgendeine Differenz zwischen der Anzahl in Wasserstoffionen vorliegt, die an den an den jeweiligen Elektroden stattfindenden Reaktionen teilnehmen. Die Reaktionen laufen nach den obenstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2) ab und verursachen den elektrischen Strom, so daß eine äquivalente Anzahl von Wasserstoffionen an den an den jeweiligen Elektroden stattfindenden Reaktionen teilnimmt. Wenn beispielsweise die an der Wasserstoffelektrode 134 stattfindende Reaktion eine Anzahl A von Wasserstoffionen liefert, dann bewegt sich die Anzahl A von Wasserstoffionen durch die Elektrolytmembran 132 und wird der an der Sauerstoffelektrode 136 ablaufenden Reaktion unterzogen. Für den Fall, daß ein pH-Unterschied zwischen den beiden Elektroden besteht, läuft die Reaktion an der Wasserstoffelektrode 134 unter der Bedingung einer geringeren Anzahl von Wasserstoffionen ab, während die Reaktion an der Sauerstoffelektrode 136 unter der Bedingung einer größeren Anzahl von Wasserstoffionen abläuft.
Die Verstärkung der Leerlaufspannung ist dem höheren pH-Wert an der Wasserstoffelektrode 134 relativ zum pH- Wert an der Sauerstoffelektrode 136 zuzuschreiben. Bei dem oben erläuterten Beispiel ist die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Nähe der Wasserstoffelektrode 134 verringert. Alternativ kann die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Nähe der Sauerstoffelektrode 136 erhöht werden. Eine Verteilung der Sulfonsäuregruppe in dem letzteren Fall ist durch die gestrichelte Linie in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall kann die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in dem Oberflächenbereich mit einer Dicke th2, der mit der Sauerstoffelektrode 136 in Berührung steht, auf etwa das Zehnfache der Konzentration im Restbereich gesteigert werden.
Die pH-Differenz zwischen der Wasserstoffelektrode 134 und der Sauerstoffelektrode 136 kann in Abhängigkeit von der Soll-Leerlaufspannung eingestellt werden. Unter der Bedingung, daß die Konzentration der Sulfonsäuregruppe auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134 ein Zehntel der Konzentration auf der Seite der Sauerstoffelektroden 136 beträgt, wird das Potential an der Wasserstoffelektrode 134 um 20 bis 50 mV verstärkt. Die Differenz in der Konzentration der Sulfonsäuregruppe zwischen den beiden Elektroden wird für eine höhere Soll-Leerlaufspannung vergrößert. Im Falle des Sulfonsäuregruppe enthaltenden Fluorharzes verringert die erhöhte Konzentration der Sulfonsäuregruppe allgemein die mechanische Festigkeit des Harzes und verschlechtert somit die Haltbarkeit der Brennstoffzellen. Die verringerte Konzentration der Sulfonsäuregruppe hingegen stört die Bewegung der Wasserstoffionen, so daß sich der innere Widerstand erhöht. Es ist daher erstrebenswert, geeignete Werte für die Konzentration der Sulfonsäuregruppe an den jeweiligen Elektroden einzustellen und zur selben Zeit die Soll-Leerlaufspannung, die mechanische Festigkeit und den inneren Widerstand umfassend zu berücksichtigen. Under der Bedingung dieser Ausführungsform erhöht die Verringerung der Konzentration der Sulfonsäuregruppe auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134 den inneren Widerstand geringfügig. Wenn hingegen der elektrische Strom mit einer Stromdichte von etwa 100 bis 200 mA/cm² floß, wurde trotz des erwähnten Verlustes eine Verstärkung der Leerlaufspannung um 10 bis 30 mV gemessen.
Die Anordnung dieser oben erläuterten Ausführungsform verstärkt auf wirksame Weise die Leerlaufspannung einer jeden Einzelzelle 100. Dies senkt vorteilhaft die Anzahl von Einzelzellen 100, die in dem Brennstoffzellenstapel 10 beinhaltet sind, um die erforderliche Ausgangsspannung zu erzielen, und verringert daher die Baugröße und die Herstellungskosten des Brennstoffzellenstapels 10.
(2) Zweite Ausführungsform
Im folgenden werden Brennstoffzellen einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der grundlegende Aufbau des Brennstoffzellenstapels 10 der zweiten Ausführungsform ist mit dem der ersten Ausführungsform identisch. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform ist der Aufbau einer Einzelzelle 100, genauer gesagt der Aufbau einer Elektrolytmembran 132.
Fig. 6 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der Einzelzelle 100A in der zweiten Ausführungsform. Wie die Einzelzelle 100 der ersten Ausführungsform weist die Einzelzelle 100A der zweiten Ausführungsform eine Wasserstoffelektrode 134A und eine Sauerstoffelektrode 136A auf, die beidseitig von einer Elektrolytmembran 132A und zwischen einem Paar von Separatoren 110A und 120A angeordnet sind. Zur Vereinfa- chung von Veranschaulichung und Beschreibung wird hier angenommen, daß sowohl ein Gasbrennstoff-Strömungspfad 112A als auch ein Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122A in einer Richtung senkrecht zum Zeichnungspapier ausgebildet sind. Wie die Elektrolytmembran 132 der ersten Ausführungsform besteht die Elektrolytmembran 132A der zweiten Ausführungsform aus einem Sulfonsäure enthaltenden Fluorharz, enthält die Sulfonsäuregruppe als die Ionenaustauschergruppe, und besitzt eine Dicke TH von mehreren -zig Mikrometern. Die Unterschiede zur ersten Ausführungsform sind, daß die Elektrolytmembran 132A der zweiten Ausführungsform eine feststehende Konzentration der Sulfonsäuregruppe aufweist, und daß die Elektrolytmembran 132A in einem Bereich in der Nähe der Wasserstoffelektrode 134A Natriumionen enthält.
Fig. 7 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Veranschaulichung der Elektrolytmembran 132A der zweiten Ausführungsform. Die Elektrolytmembran 132A enthält Natriumionen im Oberflächenbereich mit einer Dicke innerhalb der Membran th3, der mit der Wasserstoffelektrode 134A in Berührung steht. In der zweiten Ausführungsform wird die Elektrolytmembran 132A hergestellt, indem eine Natriumionen enthaltende Ionenaustauschermembran mit der Dicke th3 mit einer Ionenaustauschermembran zusammengefügt wird, die frei von Natriumionen ist.
Eine Vielfalt von Verfahren sind anwendbar, um die Natriumionen enthaltende Ionenaustauschermembran herzustellen. In dieser Ausführungsform wird ein Verfahren ähnlich dem Vorgang zum Aufbringen des Katalysators angewendet. Das Verfahren stellt eine Membran aus dem Sulfonsäure enthaltenden Fluorharz zur Verfügung, indem eine Lösung von Natriumnitrat mit den Monomermaterialien vermischt wird und das Gemisch der Copolymerisation und Hydrolyse unterzogen wird. Das Verfahren erhitzt darauffolgend die resultierende Membran, um die Nitrationen zu entfernen. Die Natriumionen verbleiben demzufolge in der Membran. Die Natriumionen enthaltende Ionenaustauschermembran wird dann auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform mit einer weiteren Ionenaustauschermembran zusammengefügt, die frei von Natriumionen ist,. Dies ergibt die Elektrolytmembran 132A der zweiten Ausführungsform. Die Herstellung der Elektrolytmembran 132A ist jedoch nicht auf diese Verfahrensweise beschränkt.
Die Elektrolytmembran 132A der zweiten Ausführungsform besitzt die nachfolgend erläuterten Funktionen. Die bei der ersten Ausführungsform erläuterten Reaktionen laufen in jeder Einzelzelle 100A ab. Die an der Wasserstoffelektrode 134A erzeugten Wasserstoffionen bewegen sich durch die Elektrolytmembran 132A auf die Sauerstoffelektrode 136A hin. In der Elektrolytmembran 132A der zweiten Ausführungsform wirkt eine elektrische Abstoßungskraft zwischen den Wasserstoffionen und den Natriumionen. Die Abstoßungskraft führt dazu, daß die Wasserstoffionen in dem Abschnitt der Elektrolytmembran 132A in der Nähe der Sauerstoffelektrode 136A lokalisiert werden. Die Lokalisierung resultiert in einer Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen der Wasserstoffelektrode 134A und der Sauerstoffelektrode 136A. Insbesondere nimmt die Wasserstoffionenkonzentration auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134A ab und auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136A zu. Die Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen den beiden Elektroden verstärkt die Leerlaufspannung, wie bei der ersten Ausführungsform erläutert wurde.
Auch wenn die Elektrolytmembran 132A Natriumionen enthält, kann jedoch jegliches einer Vielfalt von weiteren, von einem Proton verschiedenen Kationen, wie etwa Kaliumionen, Calciumionen, Silberionen, oder ein weiteres metallisches Kation der Elektrolytmembran 132A anstelle der oder zusätzlich zu den Natriumionen zugegeben werden. Der Gehalt an dem von einem Proton verschiedenen Kation wird auf geeignete Weise in Abhängigkeit von der Soll- Leerlaufspannung eingestellt.
Wie die erste Ausführungsform verstärkt die Anordnung der zweiten Ausführungsform auf wirksame Weise die Leerlaufspannung der Einzelzelle 100A. Die Zugabe des Kations zu dem Abschnitt der Elektrolytmembran 132A auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134A erhöht das Potential an der Wasserstoffelektrode 134A um ca. 80 bis 100 mv. Das Maß des Potentialanstiegs hängt von der Art und der Menge des zugegebenen Kations ab. Der Brennstoffzellenstapel 10 der zweiten Ausführungsform besitzt eine verstärkte Leerlaufspannung, ohne daß die Konzentration der Sulfonsäuregruppe variiert wird. Diese Anordnung erzielt eine verstärkte Leerlaufspannung, während das Potentialproblem aufgrund der variierenden Konzentration der Sulfonsäuregruppe, d. h. die verringerte mechanische Festigkeit bzw. der erhöhte innere Widerstand der Elektrolytmembran 132A, vermieden wird.
(3) Dritte Ausführungsform
Im nachfolgenden werden Brennstoffzellen in einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der grundlegende Aufbau des Brennstoffzellenstapels 10 der dritten Ausführungsform ist identisch mit dem der ersten Ausführungsform. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist der Aufbau einer Einzelzelle 100, genauer gesagt der Aufbau der Elektrolytmembran 132.
Fig. 8 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der Einzelzelle 100B in der dritten Ausführungsform. Wie die Einzelzelle 100 der ersten Ausführungsform weist die Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform eine Wasserstoffelektrode 134B und eine Sauerstoffelektrode 136B auf, die beidseitig von einer Elektrolytmembran 132B und zwischen einem Paar von Separatoren hOB und 120B angeordnet sind. Zur Vereinfachung der Veranschaulichung und Beschreibung wird hier angenommen, daß sowohl ein Gasbrennstoff-Strömungspfad 112B als auch ein Oxidationsmittelgas-Strömungspfad 122B in einer Richtung senkrecht zum Zeichnungsblatt ausgebildet sind. Wie die Elektrolytmembran 132 der ersten Ausführungsform besteht die Elektrolytmembran 132B der zweiten Ausführungsform aus einem Sulfonsäure enthaltenden Fluorharz, enthält die Sulfonsäuregruppe als die Ionenaustauschergruppe, und besitzt eine Dicke TH von mehreren -zig Mikrometern.
Anders als bei der ersten Ausführungsform sind die Wasserstoffelektrode 134B und die Sauerstoffelektrode 136B der dritten Ausführungsform intermittierend auf den Rippen der Separatoren 110B und 120B angeordnet. In der Einzelzelle 100 der ersten Ausführungsform stehen die jeweiligen Elektroden 134 und 136 mit der gesamten Fläche der Elektrolytmembran 132 in Berührung. In der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform hingegen stehen sowohl die Wasserstoffelektrode 134B als auch die Sauerstoffelektrode 136B nur mit Teilflächen der Elektrolytmembran 132B an den Positionen der Rippen der Separatoren 110B und 126B in Berührung. Der Katalysator ist ebenfalls nur in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B aufgebracht, die mit der jeweiligen Elektrode 134B und 136B in Berührung stehen. Das Vorhandensein des Gasbrennstoff-Strömungspfades 112B und des Oxidationsmittelgas- Strömungspfades 122B führt dazu, daß selbst die nicht berührenden Bereiche der Elektrolytmembran 132B dem Gasbrennstoff und Oxidationsmittelgas ausgesetzt sind. In den nicht berührenden Bereichen ist jedoch kein Katalysator vorhanden, so daß die Reaktionen in solchen Bereichen nicht ablaufen. Die Reaktionen laufen folglich nur an der Wasserstoffelektrode 134B und der Sauerstoffelektrode 136B ab, die teilweise mit der Elektrolytmembran 132B in Berührung stehen.
In the Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform ist die Formgebung eines jeden Separators 110B oder 120B auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B von der auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B verschieden. Wie aus Fig. 8 klar ersichtlich ist, besitzt der Separator hOB auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B eine größere Anzahl von Rippen mit jeweils einer größeren Oberfläche als der Separator 1203 auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B. Im Resultat ist der Kontaktbereich der Elektrolytmembran 132B, der mit der Wasserstoffelektrode 134B in Berührung steht, größer als der Kontaktbereich der Elektrolytmembran 132B, der mit der Sauerstoffelektrode 136B in Berührung steht.
Die Elektrolytmembran 132B der dritten Ausführungsform besitzt einen Aufbau, der ebenfalls von dem der Elektrolytmembran 132 der ersten Ausführungsform verschieden ist. Der erste Unterschied besteht darin, daß der Abschnitt der Elektrolytmembran 132B in der Nähe der Wasserstoffelektrode 134B Natriumionen enthält, wie bei der zweiten Ausführungsform. Die schwarzen Punkte in Fig. 8 stellen die Natriumionen dar. In diesem Beispiel sind die Natriumionen in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B lokalisiert, die mit der Wasserstoffelektrode 134B in Berührung stehen. Die Elektrolytmembran 132B kann alternativ eine Schicht aufweisen, die wie die Elektrolytmembran 132A der zweiten Ausführungsform Natriumionen enthält.
Der zweite Unterschied besteht darin, daß die Konzentration der Sulfonsäure in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B, die mit der Sauerstoffelektrode 136B in Berührung stehen, erhöht ist, und in den nicht berührenden Bereichen der Elektrolytmembran 132B in der Nähe der Sauerstoffelektrode 136B verringert ist. Es kann entweder die Erhöhung oder die Verringerung der Konzentration angewendet werden, um die unterschiedliche Konzentration der Sulfonsäuregruppe zu bewirken. Beispielsweise kann die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in den nicht berührenden Bereichen der Elektrolytmembran 132B in der Nähe der Sauerstoffelektrode 136B äquivalent zu der Konzentration in dem restlichen Abschnitt der Elektrolytmembran 132B gehalten werden, während die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B erhöht wird. In einem weiteren Beispiel kann die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B in der Nähe der Sauerstoffelektrode 136B äquivalent zu der Konzentration in dem restlichen Abschnitt der Elektrolytmembran 132B gehalten werden, während die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in den nicht berührenden Bereichen der Elektrolytmembran 132B verringert wird.
Der dritte Unterschied ist, daß eine wasserabstoßende Schicht 138B auf der Oberfläche der nicht berührenden Bereiche der Elektrolytmembran 132B auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B gebildet ist. Die wasserabstoßende Schicht 138B wird durch Aufbringen eines Films aus Fluorsilicon auf der Oberfläche der nicht berührenden Bereiche hergestellt. Die wasserabstoßende Schicht 138B ist ein dünner Film mit einer Dicke von ca. einigen Hundert Nanometern bis 1 um. Die wasserabstoßende Schicht 138B kann alternativ durch Beschichten der Oberfläche der nicht berührenden Bereiche mit einem solchen Film hergestellt werden. Die wasserabstoßende Schicht 138B ist nicht auf den Fluorsiliconfilm beschränkt, sondern es können auch Fluorverbindungen und jegliche weiteren geeigneten Materialien für die wasserabstoßende Schicht 138B verwendet werden.
Der Brennstoffzellenstapel 10 der dritten Ausführungsform besitzt die nachfolgend erläuterten Funktionen. Das Vorhandensein des von einem Proton verschiedenen Kations auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B verstärkt die Leerlaufspannung der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform vermittels des bei der zweiten Ausführungsform erläuterten Mechanismus. Die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B, die mit der Sauerstoffelektrode 136B in Berührung stehen, ist vergleichsweise höher als die Konzentration in den nicht berührenden Bereichen. Die auf die Sauerstoffelektrode 136B hin verlagerten Wasserstoffionen werden infolgedessen in den Kontaktbereichen und in den nicht berührenden Bereichen auf unterschiedliche Weise verteilt. Dies resultiert in der höheren Wasserstoffionenkonzentration in den Kontaktbereichen. Durch den bei der ersten Ausführungsform erläuterten Mechanismus verstärkt die ungleichmäßige Verteilung von Wasserstoffionen die Leerlaufspannung.
In der Einzelzelle 100 der dritten Ausführungsform trägt die wasserabstoßende Schicht 138B auch zu der Verstärkung der Leerlaufspannung bei. Fig. 9 ist eine vergrößerte Ansicht der Nachbarschaft der Sauerstoffelektrode 136B für die Erklärung der Funktion der wasserabstoßenden Schicht 138B. Die wasserabstoßende Schicht 138B bewirkt, daß die Wassermoleküle von den nicht berührenden Bereichen in der Elektrolytmembran 132B abgehalten werden, so daß sich die Wassermoleküle in den Kontaktbereichen lokalisieren. Wie obenstehend erwähnt ist, werden die Wasserstoffionen im wesentlichen mit Wassermolekülen kombiniert, bilden die Hydroniumionen (xH&sub2;O)H&spplus;, und verlagern sich in die Elektrolytmembran 132B. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, lokalisiert sich infolgedessen eine große Anzahl von Wasserstoffionen, die sich auf die Sauerstoffelektrode 136B hin verlagert haben, in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B, die mit der Sauerstoffelektrode 136B in Berührung stehen und in denen eine große Anzahl von Wassermolekülen vorliegt. Dies resultiert in einer Zunahme der Wasserstoffionenkonzentration in den Kontaktbereichen. Durch den bei der ersten Ausführungsform erläuterten Mechanismus verstärkt die erhöhte Wasserstoffionenkonzentration die Leerlaufspannung der Einzelzelle 100B.
In der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform trägt auch die Differenz des Gesamtkontaktbereichs zwischen der Wasserstoffelektrode 134B und der Sauerstoffelektrode 136B zu der Verstärkung der Leerlaufspannung bei. Wie obenstehend erwähnt ist, ist in der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform der Gesamtkontaktbereich der Elektrolytmembran 132B, der mit der Wasserstoffelektrode 134B in Berührung steht, größer als der Gesamtkontaktbereich der Elektrolytmembran 132B, der mit der Sauerstoffelektrode 136B in Berührung steht. In dieser Ausführungsform ist der Gesamtkontaktbereich der Elektrolytmembran 132B mit der Wasserstoffelektrode 134B ungefähr fünfmal so groß wie der Gesamtkontaktbereich mit der Sauerstoffelektrode 136B. Der Kontaktübergangswiderstand zwischen jeder Elektrode und der Elektrolytmembran 132B ist praktisch proportional zum Gesamtkontaktbereich. Der größere Gesamtkontaktbereich mit der Wasserstoffelektrode 134B beschleunigt daher die Bewegung der Wasserstoffionen aus der Wasserstoffelektrode 134B in die Elektrolytmembran 132B. Diese Anordnung erleichtert die Bewegung der Wasserstoffionen von der Wasserstoffelektrode 132B zur Elektrolytmembran 132B und gewährleistet ein rasches Eindiffundieren der Wasserstoffionen in die Elektrolytmembran 132B. Andererseits behindert diese Anordnung die Bewegung der Wasserstoffionen von der Elektrolytmembran 132B zur Sauerstoffelektrode 136B. Die Wasserstoffionen lokalisieren sich daher in dem Abschnitt der Elektrolytmembran 132B in der Nähe der Sauerstoffelektrode 136B. This resultiert in der Differenz der Wasserstoffionenkonzentration zwischen der Wasserstoffelektrode 134B und der Sauerstoffelektrode 136B. Die Wasserstoffionenkonzentration nimmt somit auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B ab, während sie auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B zunimmt. Vermittels des bei der ersten Ausführungsform erläuterten Mechanismus verstärkt die unterschiedliche Wasserstoffionenkonzentration die Leerlaufspannung.
Das Verhältnis des Gesamtkontaktbereichs der Elektrolytmembran 132B mit der Wasserstoffelektrode 134B zum Gesamtkontaktbereich mit der Sauerstoffelektrode 1363 ist nicht auf den oben genannten Wert beschränkt, sondern kann beliebig in dem Bereich von 2 : 1 bis 10 : 1 eingestellt werden. Es können geeignete Werte für die Gesamtkontaktbereiche unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Soll- Leerlaufspannung sowie der mechanischen Festigkeit der Separatoren 110B und 120B und der jeweiligen Elektroden 134B und 136B eingestellt werden.
Aufgrund der oben erläuterten charakteristischen Merkmale besitzt die Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform eine um ca. 100 bis 150 mV verstärkte Leerlaufspannung. Die Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform besitzt die mehreren charakteristischen Merkmale, die zu der verstärkten Leerlaufspannung beitragen. Alle diese charakteristischen Merkmale können jedoch nicht gleichzeitig auf die Einzelzelle angewendet werden, sondern eine oder einige von ihnen können individuell angewendet werden. Bei der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform werden beispielsweise Natriumion örtlich begrenzt zu den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B zugegeben, die mit der Wasserstoffelektrode 134B in Berührung stehen. Bei einer möglichen Modifikation wird auf die Zugabe der Natriumionen verzichtet. In diesem Fall beträgt die erwartete Verstärkung der Leerlaufspannung ca. 90 bis 130 mv. Da das Kation nicht zugegeben wird, weist der Abschnitt der Elektrolytmembran 132B auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B eine gleichförmige Zusammensetzung auf. Dies vereinfacht den Aufbau der Einzelzelle 100B und gewährleistet einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 über eine lange Zeitdauer von mehr als 10.000 Stunden.
Bei dem Aufbau der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform besteht eine Differenz zwischen dem Gesamtkontaktbereich der Elektrolytmembran 132B auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B und auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B. Bei einer möglichen Modifikation kann der Gesamtkontaktbereich auf den Seiten der jeweiligen Elektroden identisch sein. Auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B wird die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B unterschiedlich von der Konzentration in den nicht berührenden Bereichen gemacht. Bei einer möglichen Modifikation kann die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in den Kontaktbereichen sowie in den nicht berührenden Bereichen identisch sein. Die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Elektrolytmembran 132B auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B kann auch identisch mit der Konzentration auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B sein. Die verschiedenen charakteristischen Merkmale der dritten Ausführungsform können individuell unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Soll-Leerlaufspannung, der Herstellungskosten, und der weiteren damit in Beziehung stehenden Faktoren angewendet werden.
In der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform ist die wasserabstoßende Schicht 138B auf den nicht berührenden Bereichen der Elektrolytmembran 132B auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B ausgebildet. Die wasserabstoßende Schicht 138B läßt sich ziemlich einfach mit hoher Präzision ausbilden und verstärkt daher auf einfache Weise die Leerlaufspannung der Einzelzelle 100B. Die wasserabstoßende Schicht 138B wird separat nach dem Bilden der Elektrolytmembran 132B ausgebildet. Dies macht keine komplizierten Schritte bei dem Vorgang zur Bildung der Elektrolytmembran 132B erforderlich. Wie oben erläutert wurde, weist die Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform mehrere Merkmale für eine Verstärkung der Leerlaufspannung auf. Es ist jedoch nicht nötig, all diese charakteristischen Merkmale gleichzeitig anzuwenden, sondern eine oder einige von ihnen können individuell angewendet werden. Bei einer möglichen Modifikation wird auf die Bildung der wasserabstoßenden Schicht 138B verzichtet.
Die wasserabstoßende Schicht 138B kann durch einen anderen Aufbau mit äquivalenten Effekten ersetzt sein. Bei der Einzelzelle 100B der dritten Ausführungsform ist die wasserabstoßende Schicht 138B vorgesehen, um die ungleichmäßige Verteilung von Wassermolekülen zu erzielen. Es kann ein jeglicher von der wasserabstoßenden Schicht 138B verschiedener Aufbau angewendet werden, um ähnliche Effekte zu erreichen. Beispielsweise kann eine hydrophile Schicht in den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B ausgebildet werden, die mit der Sauerstoffelektrode 136B in Berührung stehen. Bei einem weiteren Beispiel kann die wasserabstoßende Schicht 138B auf den Kontaktbereichen der Elektrolytmembran 132B ausgebildet werden, die mit der Wasserstoffelektrode 134B in Berührung stehen. Eine hydrophile Schicht kann alternativ auf den nicht berührenden Bereichen der Elektrolytmembran 132B auf der Seite der Wasserstoffelektrode 134B ausgebildet werden. Jegliche dieser Vorgehensweisen können je nach Erfordernis kombiniert werden. Obgleich eine jegliche dieser Vorgehensweisen angewendet werden kann, besitzt die in der dritten Ausführungsform angewendete Ausbildung der wasserabstoßenden Schicht 138B auf den nicht berührenden Bereichen der Elektrolytmembran 132B auf der Seite der Sauerstoffelektrode 136B den Vorteil, daß keine Störung der Elektrodenreaktion auf den Kontaktbereichen stattfindet.
Obgleich die obigen Ausführungsformen im Hinblick auf Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen beschränkt, sondern auch auf weitere Brennstoffzellen wie Phosphorsäure-, Karbonatschmelze-, Feststoffoxid- und Alkali-Brennstoffzellen anwendbar. Beispielsweise im Fall eines flüssigen Elektrolyts wie bei Phosphorsäure-Brennstoffzellen wird eine poröse Membran in dem flüssigen Elektrolyt gebildet, und die Wasserstoffionenkonzentration der porösen Membran· zwischen den beiden Elektroden unterschiedlich eingestellt. Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen der obigen Ausführungsformen besteht die Elektrolytmembran aus Fluorharz, welches die Sulfonsäuregruppe als Ionenaustauschergruppe enthält. Die Zusammensetzung der Elektrolytmembran und der Ionenaustauschergruppe sind jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Jegliche weitere Gruppe, z. B. die Phosphorsäuregruppe, kann als die Ionenaustauschergruppe verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist auch auf die Polymerelektrolytmembran selbst gerichtet, die in den Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen beinhaltet ist.

Claims

1. Brennstoffzelle, umfassend:

eine Wasserstoffelektrode;

eine Sauerstoffelektrode; und

eine zwischen der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode eingefügte Elektrolytschicht, welche eine die Wasserstoffionenpermeation ermöglichende Konstruktion und Anordnung aufweist, wobei die Elektrolytschicht einen ersten Kontaktbereich, der mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht, und einen zweiten Kontaktbereich, der mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht, aufweist, wobei der erste Kontaktbereich eine höhere Wasserstoffionenkonzentration als der zweite Kontaktbereich aufweist.

2. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrolytschicht eine Wasserstoffionenaustauschermembran umfaßt, welche hauptsächlich aus einem festen Polymer besteht.

3. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2, wobei die Elektrolytschicht eine Ionenaustauschergruppe enthält und der erste Kontaktbereich eine höhere Konzentration der Ionenaustauschergruppe aufweist als der zweite Kontaktbereich.

4. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 3, wobei die Elektrolytschicht eine Wasserstoffionenaustauschermembran umfaßt, welche hauptsächlich aus einem Perfluorkohlenwasserstoff-Polymer besteht, welches eine Sulfonsäuregruppe als Ionenaustauschergruppe enthält.

5. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2, wobei die Elektrolytschicht ein von einem Proton verschiedenes Kation enthält und die Konzentration des von einem Proton verschiedenen Kations in der Nähe des zweiten Kontaktbereiches höher ist als die Konzentration des von einem Proton verschiedenen Kations in der Nähe des ersten Kontaktbereichs.

6. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrolytschicht eine Wasserstoffionenaustauschermembran umfaßt, welche hauptsächlich aus einem festen Polymer besteht, und wobei mindestens eine Elektrode aus der Gruppe der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode Rippen und Rillen zwischen den Rippen aufweist, wobei die Rippen mit mindestens einer der gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytschicht so in Berührung stehen, daß die mindestens eine der gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytschicht eine nicht berührende Schicht aufweist, die nicht in Berührung mit der mindestens einen Elektrode aus der Gruppe der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode steht; und wobei die höhere Konzentration von Wasserstoffionen des ersten Kontaktbereichs durch eine Differenz der Wasserstoffionenleitfähigkeit zwischen dem nicht berührenden Bereich und dem sich an den nicht berührenden Bereich anschließenden Kontaktbereich an der mindestens einen Elektrode aus der Gruppe der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode bewirkt wird.

7. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 6, wobei die Sauerstoffelektrode die Rippen und Rillen aufweist und wobei die Differenz der Wasserstoffionenleitfähigkeit auf einer auf der Oberfläche des nicht berührenden Bereichs der Elektrolytschicht vorgesehenen wasserabstoßenden Schicht beruht.

8. Brennstoffzelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Kontaktbereich schmaler als der zweite Kontaktbereich ist.

9. Brennstoffzelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Elektrolytschicht eine Ionenverteilungsschicht umfaßt, welche mindestens an einer der gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytschicht, welche der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode gegenüberliegen, ausgebildet ist, wobei die Ionenverteilungsschicht eine Kraft auf die Wasserstoffionen in der Elektrolytschicht ausübt, so daß der erste Kontaktbereich eine höhere Wasserstoffionenkonzentration aufweist als der zweite Kontaktbereich.

10. Polymerelektrolytmembran zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei die Polymerelektrolytmembran als Elektrolytschicht zwischen einer Wasserstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode eingefügt ist, wobei die Polymerelektrolytmembran umfaßt:

einen ersten Kontaktbereich der mit der Sauerstoffelektrode in Berührung steht; und

einen zweiten Kontaktbereich, der mit der Wasserstoffelektrode in Berührung steht;

wobei die Polymerelektrolytmembran eine Verstärkungseinrichung enthält, welche die Wasserstoffionenkonzentration am ersten Kontaktbereich verstärkt, so daß diese höher ist als die Wasserstoffionenkonzentration am zweiten Kontaktbereich.

11. Polymerelektrolytmembran gemäß Anspruch 10 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei die Verstärkungseinrichtung eine Ionenaustauschergruppe für Wasserstoffionen darstellt, so daß der erste Kontaktbereich eine höhere Konzentration der Ionenaustauschergruppe aufweist als der zweite Kontaktbereich.

12. Polymerelektrolytmembran gemäß Anspruch 10 und/oder 11 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei die Verstärkungseinrichtung ein von einem Proton verschiedenes Kation in der Nähe des zweiten Kontaktbereichs ist.