專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，特別涉及固體高分子電解質(zhì)型燃料電池的擴(kuò)散電極。
背景技術(shù)：
固體高分子電解質(zhì)型燃料電池，將由膜-電極組合體(MEAMembrane-Electrode Assembly)和隔板構(gòu)成的單元重疊1層或其以上而設(shè)成組件，將該組件層疊而構(gòu)成。
MEA包括由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜、由配置在該電解質(zhì)膜的一面上的催化劑層和擴(kuò)散層構(gòu)成的擴(kuò)散電極(陽(yáng)極)、以及由配置在電解質(zhì)膜的另一面上的催化劑層和擴(kuò)散層構(gòu)成的擴(kuò)散電極(陰極)。在夾持MEA的隔板上形成用于向陽(yáng)極供給燃料氣體(氫氣)的燃料氣體流路和用于向陰極供給氧化氣體(氧氣，通常是空氣)的氧化氣體流路。另外，為了冷卻燃料電池，在隔板上，按每個(gè)單元或者每多個(gè)單元形成致冷劑(冷卻水)流路。隔板構(gòu)成鄰接的單元間的電子的通路。
在單元層疊體的單元層疊方向兩端配置接線板(電極板)、絕緣子、端板，將單元層疊體沿單元層疊方向緊固(連接)，在單元層疊體的外側(cè)用沿單元層疊方向延伸的緊固部件(例如張力板)和螺栓進(jìn)行固定，從而形成層壓體(stack)。
在固體高分子電解質(zhì)型燃料電池中，在陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行使氫變成氫離子和電子的反應(yīng)，氫離子在電解質(zhì)膜中通過(guò)而向陰極側(cè)移動(dòng)，在陰極側(cè)進(jìn)行由氧和氫離子及電子(在相鄰的MEA的陽(yáng)極生成的電子經(jīng)過(guò)隔板，或者在單元層疊體的一端的單元的陽(yáng)極生成的電子經(jīng)過(guò)外部電路到達(dá)單元層疊體的另一端的單元的陰極)生成水的反應(yīng)。
陽(yáng)極側(cè)陰極側(cè)以往的固體高分子型燃料電池，例如特開(kāi)2002-50367中所揭示，一般是將碳織物或碳紙層疊1層或其以上而形成擴(kuò)散層(氣體擴(kuò)散層)。
但是，層疊碳織物或碳紙的擴(kuò)散層是低剛性的，電解質(zhì)膜、催化劑層也是低剛性的，因此隔板的流路的肋部(凹凸的凸部)會(huì)因?qū)訅后w的緊固載荷而陷入(嵌入/吃入)，在擴(kuò)散層上進(jìn)而在電解質(zhì)膜上產(chǎn)生彎曲，擴(kuò)散層和電解質(zhì)膜的與隔板肋部的角部相觸碰的部分會(huì)發(fā)生劣化，產(chǎn)生燃料電池的耐久性降低這樣的問(wèn)題。
雖然在為了消除向膜的陷入而提高擴(kuò)散層的剛性時(shí)，考慮了由金屬網(wǎng)或碳紙構(gòu)成擴(kuò)散層的方案，但對(duì)金屬網(wǎng)而言，存在有腐蝕和由此而引起的膜的劣化、以及制作成本高這樣的問(wèn)題，對(duì)于碳紙(碳和酚樹(shù)脂(フエノ一ル樹(shù)脂)等的復(fù)合材料)而言，則存在有在被隔板的流路的肋部擠壓時(shí)肋部正下方部會(huì)被壓實(shí)，因而引起透氣性不良這樣的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種沒(méi)有隔板肋部的向膜的陷入，并且像以往那樣能夠確保擴(kuò)散層的透氣性的燃料電池。
達(dá)到上述目的的本發(fā)明如下。
(1)一種燃料電池，它是由薄膜狀的薄片形成燃料電池的擴(kuò)散層的燃料電池，其中，在單元緊固時(shí)，維持著在上述薄片上加載有薄片面內(nèi)方向的規(guī)定張力的狀態(tài)而緊固單元。
(2)如(1)中所述的燃料電池，其中，上述擴(kuò)散層被沿著與隔板流路垂直的方向加載張力。
(3)如(1)中所述的燃料電池，其中，上述擴(kuò)散層借助單元外部的框架而被加載張力。
(4)如(1)中所述的燃料電池，其中，上述擴(kuò)散層(13、16)以加載有張力狀態(tài)由粘合劑固定在隔板上。
(5)如(1)中所述的燃料電池，其中，上述張力的值為相對(duì)于單元緊固壓力上述薄膜狀的薄片的與隔板的氣體流路相對(duì)應(yīng)的部分不會(huì)彎曲的程度的值。
(6)如(1)中所述的燃料電池，其中，上述張力根據(jù)燃料電池運(yùn)行條件改變。
(7)如(6)中所述的燃料電池，其中，在從低溫起動(dòng)時(shí)使上述張力較小，在正常運(yùn)行時(shí)使上述張力較大。
上述(1)～(7)的燃料電池，因?yàn)橐詥卧o固狀態(tài)在薄片上加載薄片面內(nèi)方向的規(guī)定張力，因此擴(kuò)散層的剛性提高，即使因單元緊固壓力而被隔板肋部擠壓，肋部也不會(huì)陷入擴(kuò)散層及膜、或者陷入較少，也沒(méi)有因陷入而引起的膜的損壞、或者損壞較少。另外，因?yàn)橥ㄟ^(guò)張力來(lái)提高剛性，所以擴(kuò)散層的構(gòu)造不會(huì)變得致密，即使加載張力，擴(kuò)散層的透氣性也可維持在如以往那樣。
上述(2)的燃料電池，因?yàn)閿U(kuò)散層被沿著與隔板的氣體流路垂直的方向加載張力，所以可有效地抑制隔板肋部陷入擴(kuò)散層及膜。
上述(6)、(7)的燃料電池，因?yàn)槟軌蚋鶕?jù)運(yùn)行條件變更張力，所以可在從低溫起動(dòng)時(shí)將張力設(shè)為較小，降低導(dǎo)電性而促進(jìn)發(fā)熱，且能夠在正常運(yùn)行時(shí)將張力設(shè)為較大，從而提高導(dǎo)電性。


圖1是本發(fā)明的燃料電池的全體概略圖。
圖2是本發(fā)明的燃料電池的單元的局部放大剖面圖。
圖3是本發(fā)明的燃料電池的正面圖。
圖4是用于對(duì)本發(fā)明的燃料電池的擴(kuò)散層的纖維加載張力的纖維和框架的立體圖。
圖5是本發(fā)明的燃料電池的單元層疊體的局部放大剖面圖。
圖6是以往的燃料電池的單元的局部放大剖面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照?qǐng)D1～圖6(但圖6是對(duì)比例)說(shuō)明本發(fā)明的燃料電池。
本發(fā)明的燃料電池是固體高分子電解質(zhì)型燃料電池10。固體高分子電解質(zhì)型燃料電池10例如被搭載在燃料電池汽車上。但是也可以應(yīng)用于汽車以外。
如圖1、圖2所示，固體高分子電解質(zhì)型燃料電池10，通過(guò)將由膜-電極組合體(MEAMembrane-Electrode Assembly)和隔板18構(gòu)成的單元19進(jìn)行層疊而構(gòu)成。
MEA包括由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜11、由配置在該電解質(zhì)膜11的一面上的催化劑層12及擴(kuò)散層13構(gòu)成的擴(kuò)散電極14(陽(yáng)極)、由配置在電解質(zhì)膜11的另一面上的催化劑層15和擴(kuò)散層16構(gòu)成的擴(kuò)散電極17(陰極)。
在單元19的層疊方向兩端配置接線板(電極板)20、絕緣子21、端板22，將單元層疊體19沿單元層疊方向緊固，在單元層疊體19的外側(cè)用沿單元層疊方向延伸的緊固部件(例如張力板24)和螺栓25固定，從而形成層壓體23。
夾這MEA而相對(duì)的一對(duì)隔板18中，在陽(yáng)極側(cè)的隔板上形成用于向陽(yáng)極12供給燃料氣體(氫氣)的燃料氣體流路26，在陰極側(cè)的隔板上形成用于向陰極14供給氧化氣體(氧氣，通常是空氣)氧化氣體流路27。另外，為了冷卻燃料電池，在隔板18中，按每個(gè)單元或者每多個(gè)單元形成流通致冷劑(冷卻水)的致冷劑流路。例如，在圖2中，在隔板18的與MEA相反側(cè)的面上形成致冷劑流路。隔板18將冷卻水和燃料氣體及氧化氣體區(qū)隔開(kāi)，或者將燃料氣體和氧化氣體區(qū)隔開(kāi)。隔板18還形成使電子從相鄰單元的陽(yáng)極向陰極流動(dòng)的電通路。
但是，在如圖5所示，夾著隔板而相對(duì)的擴(kuò)散層彼此通過(guò)導(dǎo)電體31導(dǎo)電的情況下，隔板18也可以是非導(dǎo)體(不導(dǎo)體)。
擴(kuò)散層13由薄膜狀的薄片(也稱做薄的片體)構(gòu)成。既可以是催化劑層12被涂布在擴(kuò)散層13的MEA側(cè)的面上，而將催化劑層12和擴(kuò)散層13形成薄膜片，或者也可以是由催化劑層12被涂布在膜11上，而擴(kuò)散層13由與催化劑層12分開(kāi)地形成的薄膜片構(gòu)成。
同樣地，擴(kuò)散層16由薄膜狀的薄片構(gòu)成。既可以是催化劑層15被涂布在擴(kuò)散層16的MEA側(cè)的面上，而將催化劑層15和擴(kuò)散層16形成薄膜片，或者也可以是催化劑層15被涂布在膜11上，而擴(kuò)散層16由與催化劑層15分開(kāi)地形成的薄膜片構(gòu)成。
如圖2所示，在形成擴(kuò)散層13、16的薄片上，在單元緊固時(shí)分別被加載有薄片面內(nèi)方向的規(guī)定張力F。然后，維持著在擴(kuò)散層13、16上加載有張力F的狀態(tài)而將單元層疊體緊固。在“維持著在擴(kuò)散層13、16上加載有張力F的狀態(tài)而將單元層疊體緊固”時(shí)，包括以在擴(kuò)散層13、16上加載有張力的狀態(tài)用粘合劑將擴(kuò)散層13、16固定在隔板18上，將固定有擴(kuò)散層13、16的隔板18與膜11或者M(jìn)EA層疊，沿單元層疊方向進(jìn)行緊固的情況。
圖5表示將單元19沿單元層疊方向排列，在單元上還未加載單元層疊方向的緊固載荷的狀態(tài)。圖2對(duì)在單元上加載有單元層疊方向的緊固載荷的狀態(tài)下的1單元的一部分進(jìn)行放大顯示。
在用導(dǎo)電體31將夾著隔板18而相對(duì)的擴(kuò)散層13、16連接起來(lái)的情況下，隔板18也可以是非導(dǎo)體。
在擴(kuò)散層13、16上，沿著與和擴(kuò)散層13、16接觸的隔板18的氣體流路16、27垂直的方向加載張力。例如，在圖3中，在氣體流路26、27沿圖3的左右方向延伸的情況下，在擴(kuò)散層13、16上沿圖3的上下方向加載張力F。
在擴(kuò)散層13、16上加載張力的方法，例如，如圖4、圖5所示，將構(gòu)成擴(kuò)散層13、16的薄片的纖維(如碳纖維)28的兩端部綁縛或者粘結(jié)在單元外部的框架29上，借助支持框架29的支柱30使框架29向相互離開(kāi)的方向移動(dòng)，從而在擴(kuò)散層13、16上加載張力。例如，在支柱30的兩端部形成具有彼此相反的螺紋的螺紋部，從而預(yù)先設(shè)成為可通過(guò)使支柱30繞支柱30的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)而使上下的框架29相互離開(kāi)而接近的結(jié)構(gòu)，使支柱30向使框架29相互離開(kāi)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使框架29向相互離開(kāi)的方向移動(dòng)，從而在擴(kuò)散層13、16上加載張力。在圖3中在擴(kuò)散層13、16上沿上下方向加載張力的情況下，被加載有張力的纖維在圖3中沿上下方向伸長(zhǎng)。
在將纖維28固定在框架29上時(shí)，優(yōu)選為如圖4所示，在至少一部分的纖維28的兩端打結(jié)或設(shè)置膨脹部32，使該纖維28的未打結(jié)或未設(shè)置膨脹部32的部分穿過(guò)在框架29上形成的縫隙或孔，將結(jié)或膨脹部32向框架29的外側(cè)面拉伸，由此使得纖維28不會(huì)沿纖維28的張力方向從框架29脫離。
加載在擴(kuò)散層13、16上的張力的值，被設(shè)定成相對(duì)于單元緊固壓力薄膜狀的薄片的與隔板的氣體流路相對(duì)應(yīng)的部分不會(huì)發(fā)生彎曲的程度、即隔板18的氣體流路的肋部不會(huì)陷入膜11的程度。
加載在擴(kuò)散層13、16上的張力F，可以根據(jù)燃料電池的運(yùn)行(工作)條件相應(yīng)地變動(dòng)。在將纖維28固定在框架29上的情況下，變更加載在擴(kuò)散成13、16上的張力F比較容易。
在可根據(jù)燃料電池運(yùn)行條件變更加載在擴(kuò)散層13、16上的張力F的情況下，優(yōu)選為在燃料電池從低溫起動(dòng)時(shí)使張力較小，在燃料電池的正常運(yùn)行時(shí)使張力較大。
圖6表示不加載張力的以往的狀態(tài)。圖2表示加載有張力的本發(fā)明的狀態(tài)。
在張力較小的狀態(tài)下，接近于圖6的狀態(tài)。在張力較小的狀態(tài)下，擴(kuò)散層和隔板肋部的接觸面壓力較小，電極擴(kuò)散層的導(dǎo)電性降低而促進(jìn)發(fā)熱，而且電極擴(kuò)散層在未被隔板肋部擠壓的部位向從膜11離開(kāi)的方向彎曲，熱就就在此處被封閉，而促進(jìn)低溫起動(dòng)時(shí)的燃料電池的升溫以及向正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)移。
在張力增大后的燃料電池的正常運(yùn)行時(shí)，如圖2所示，電極擴(kuò)散層的剛性大，隔板的肋部不會(huì)陷入膜11，擴(kuò)散層和隔板肋部的接觸面壓力大，因而導(dǎo)電性提高。
接著，說(shuō)明本發(fā)明的作用。
因?yàn)樵跀U(kuò)散層13、16上加載張力F，所以如圖2所示，擴(kuò)散電極的剛性提高，即使被隔板肋部擠壓，隔板肋部也不易陷入電極擴(kuò)散層13、16及膜11，在與隔板肋部的角部相對(duì)應(yīng)的部位(圖6的部位A)的膜11的損傷就會(huì)減少。一旦膜11損傷，燃料氣體就向氧化氣體側(cè)泄漏，發(fā)生氧化而發(fā)熱，使膜11進(jìn)一步受損，但膜11的損傷情況較少的本發(fā)明，就沒(méi)有這樣的現(xiàn)象。其結(jié)果，燃料電池的耐久性提高。
因?yàn)樵撊剂想姵氐哪途眯缘奶岣?，是通過(guò)在擴(kuò)散層13、16上加載張力而進(jìn)行的，所以不需要提高擴(kuò)散層13、16的密度。另外，因?yàn)楦舭謇卟坎灰紫萑霐U(kuò)散層13、16，所以也不會(huì)因?yàn)槔卟空路奖粔簩?shí)而使密度提高。因此，擴(kuò)散層13、16的透氣性就像以往的那樣，或者在以往以上，被維持在良好的狀態(tài)。
因?yàn)樵跀U(kuò)散層13、16上加載張力F時(shí)，張力F是沿著與隔板氣體流路垂直的方向加載的，所以與平行于隔板氣體流路地加載張力的情況相比，擴(kuò)散層13、16的、相鄰的隔板肋部間的部分不易向隔板流路內(nèi)突入而發(fā)生彎曲，因此隔板肋部不易陷入擴(kuò)散層13、16。其結(jié)果，防止上述的陷入和由其引起的膜11的損傷的作用進(jìn)一步得到加強(qiáng)。
另外，因?yàn)槭窃趩卧獠吭O(shè)置框架29而對(duì)擴(kuò)散層13、16加載張力，所以單元內(nèi)結(jié)構(gòu)可以按照以往那樣不加改變。另外，在通過(guò)將單元外的框架29向相互背離的方向拉伸而在擴(kuò)散層13、16上加載張力的情況下，能夠較容易地進(jìn)行張力的施加、張力的改變。
另外，若將張力設(shè)為可變，在從低溫起動(dòng)時(shí)將上述張力設(shè)為較小，則從低溫(例如-40℃)開(kāi)始的起動(dòng)就變得良好。
產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用可能性本發(fā)明的加載張力的擴(kuò)散層能夠應(yīng)用于燃料電池。
即，在單元緊固狀態(tài)下在擴(kuò)散層的薄片上加載有薄片面內(nèi)方向的規(guī)定張力，因而擴(kuò)散層的剛性提高，即使因單元緊固壓力而從隔板肋部受到擠壓，肋部也不會(huì)陷入擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜或者陷入較少，也沒(méi)有因陷入而引起的電解質(zhì)膜的損壞或者損壞較輕。另外，因?yàn)橥ㄟ^(guò)張力而增大擴(kuò)散層的剛性，所以擴(kuò)散層的構(gòu)造不會(huì)變得致密，即使加載張力擴(kuò)散層的透氣性也如以往那樣可維持在良好狀態(tài)。
在擴(kuò)散層被沿著與隔板流路垂直的方向記載張力的情況下，可有效地抑制隔板肋部向擴(kuò)散層及膜的陷入。
在擴(kuò)散層借助單元外部的框架而被加載張力的的情況下，不必使單元內(nèi)構(gòu)造比以往從本質(zhì)上改變，就能夠在擴(kuò)散層上加載張力。另外，易于將加載在擴(kuò)散層上的張力設(shè)為可變。
在擴(kuò)散層被加載張力、借助粘合劑等而被固定在隔板上的情況下，不必使單元內(nèi)構(gòu)造比以往從本質(zhì)上改變，就能夠在擴(kuò)散層上加載張力。
在張力為相對(duì)于單元緊固壓力薄片的與隔板的氣體流路相對(duì)應(yīng)的部分不會(huì)彎曲那樣的大小時(shí)，不會(huì)將擴(kuò)散層薄片拉伸破壞，而使剛性得到提高。
在根據(jù)運(yùn)行條件使張力變化的情況下，可以在從低溫起動(dòng)時(shí)使張力較小，從而降低導(dǎo)電性而促進(jìn)發(fā)熱，提高起動(dòng)性，并能夠在正常運(yùn)行時(shí)使張力較大，從而提高導(dǎo)電性。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池(10)，它是由薄膜狀的薄片形成燃料電池(10)的擴(kuò)散層(13、16)的燃料電池，其中，在單元緊固時(shí)，維持著在上述薄片上加載有薄片面內(nèi)方向的規(guī)定張力的狀態(tài)而將單元(19)緊固。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池(10)，其中，在上述擴(kuò)散層(13、16)上沿著與隔板流路(26、27)垂直的方向加載張力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池(10)，其中，在上述擴(kuò)散層(13、16)上借助單元外部的框架(29)加載張力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池(10)，其中，上述擴(kuò)散層(13、16)以被加載有張力的狀態(tài)被用粘合劑固定在隔板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池(10)，其中，上述張力為相對(duì)于單元緊固壓力上述薄膜狀的薄片的與隔板的氣體流路相對(duì)應(yīng)的部分不會(huì)發(fā)生彎曲的程度的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池(10)，其中，根據(jù)燃料電池運(yùn)行條件而改變上述張力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池(10)，其中，在從低溫起動(dòng)時(shí)使上述張力較小，在正常運(yùn)行時(shí)使上述張力較大。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池(10)，是由薄膜狀的薄片形成燃料電池的擴(kuò)散層(13、16)的燃料電池，在單元緊固時(shí)維持著在薄片上加載有薄片面內(nèi)方向的規(guī)定張力的狀態(tài)來(lái)緊固單元。擴(kuò)散層(13、16)借助單元外部的框架(29)而被加載張力。張力的值為相對(duì)于單元緊固壓力薄膜狀的薄片的與隔板氣體流路相對(duì)應(yīng)的部分不會(huì)發(fā)生彎曲的程度的值。根據(jù)燃料電池運(yùn)行條件改變張力。由此，不會(huì)有隔板肋部的向膜的陷入，并且能夠像以往那樣確保透氣性。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1669164SQ0381668
公開(kāi)日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
發(fā)明者中西治通, 松本信一 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社