專利名稱：具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池。
2.相關(guān)技術(shù)的描述研制出了一種燃料電池，它包括設(shè)置在電解質(zhì)膜兩側(cè)的氫電極和氧電極，氫離子可以透過該電解質(zhì)膜，并且在氫電極和氧電極上可發(fā)生由以下方程所代表的反應(yīng)。由此產(chǎn)生了電動勢。
氫電極(陽極)(陽極反應(yīng))氧電極(陰極)(陰極反應(yīng))根據(jù)電解質(zhì)膜的類型而設(shè)計出了各種類型的燃料電池。例如，設(shè)計出了固體氧化物燃料電池、熔融的碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池以及聚合物電解質(zhì)燃料電池。近來，人們很關(guān)注聚合物電解質(zhì)燃料電池，原因是電能密度高，由此可以將尺寸做小，并且操作溫度相對較低等。也研究了聚合物電解質(zhì)燃料電池的各種改進(jìn)形式。
存在一種具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池，它是通過利用隔離體將多個單元電池堆疊而形成的。每個單元電池的電解質(zhì)膜的兩側(cè)上都設(shè)置有氣體可擴(kuò)散的陽極和氣體可擴(kuò)散的陰極。在具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池中(下文中稱之為“燃料電池堆”)，由于熱輻射的原因，使得在單元電池堆疊的方向上、位于兩端部分的單元電池比位于中心部分的單元電池的溫度低。因此，在燃料電池堆的兩端部分的單元電池中，蒸汽壓被降低，并且可能會積累上述反應(yīng)產(chǎn)生的水。
在聚合物燃料電池中，控制每個單元電池中的水很重要，以確保電解質(zhì)膜中氫離子的導(dǎo)電率，并且確保由催化層和氣體擴(kuò)散層堆疊形成的氣體擴(kuò)散電極的氣體擴(kuò)散率。例如，如果電解質(zhì)膜中的水含量降低，則氫離子的導(dǎo)電率降低，并且由此使得燃料電池的發(fā)電性能降低。而且，如果產(chǎn)生的水在氣體擴(kuò)散電極上累積，則發(fā)生了所謂的溢流，并且氣體擴(kuò)散率降低。從而燃料電池的發(fā)電性能降低。因此，提出了各種關(guān)于控制聚合物電解質(zhì)燃料電池的單元電池中的水的技術(shù)。
例如，日本專利特許公開出版物No.9-92322公開了一種相關(guān)的技術(shù)，其中，在燃料電池堆的兩端部分都增加氧化劑氣體的流量，并且在燃料電池堆的中心部分都降低氧化劑氣體的流量，由此使得多個電解質(zhì)膜中所含的水量相同。
而且，日本專利特許公開出版物No.2001-357869公開了一種技術(shù)，其中，與位于其它部分的單元電池相比，位于燃料電池堆兩端部分的單元電池的陰極氣體擴(kuò)散層的防水性低；或者是與位于其它部分的單元電池相比，位于燃料電池堆兩端部分的單元電池的陰極氣體擴(kuò)散層的氣體可透過性高，由此抑制了陰極催化層中的過量水的累積。
在所有這些技術(shù)中，由于控制了單元電池的潤濕狀態(tài)而抑制了燃料電池的發(fā)電性能的降低。
但是，在上述日本專利特許公開出版物No.9-92322所公開的技術(shù)中存在這樣的問題，即控制氧化劑氣體的流量很困難。而且，在上述日本專利特許公開出版物No.2001-357869所公開的技術(shù)中，其中，考慮到防水性以及氣體可透過性而使得制造氣體擴(kuò)散層的工藝很復(fù)雜。
發(fā)明概述為了解決上述問題而得出了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是，即使在單元電池的溫度或潤濕狀態(tài)不是最佳的情況下，也可抑制具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池中發(fā)電性能的降低。
根據(jù)本發(fā)明，為了解決上述問題中的至少一部分而利用了以下的構(gòu)型。
一方面，本發(fā)明涉及一種具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池，其中該堆疊結(jié)構(gòu)由多個單元電池堆疊而成，每個單元電池包括陽極和陰極，所述電極被設(shè)置在預(yù)定的電解質(zhì)膜的兩側(cè)。燃料電池的特征在于每個單元電池還包括催化層，該催化層被設(shè)置在陽極和陰極中的至少一個中，該催化層負(fù)載有用于促進(jìn)陽極反應(yīng)或陰極反應(yīng)的催化劑；并且多個單元電池所包括的單元電池的催化層負(fù)載催化劑的催化層，該催化劑在類型、重量和比表面積中的至少一個方面與其它單元電池的催化層所負(fù)載的催化劑不相同。
所描述的“催化劑在類型方面不同”是指構(gòu)成催化劑的單一元素的類型不同、用作催化劑的合金類型不同、用作催化劑的合金中所含的元素的組成比率不同、或者是支撐該催化劑的載體不同。而且，所描述的“催化層中負(fù)載的催化劑與其它單元電池的催化層所負(fù)載的催化劑的重量不同”是指例如在該催化層和其它催化層中以相同的密度負(fù)載相同顆粒直徑的催化劑時，該催化層的厚度與其它單元電池的催化層的厚度不同。比表面積是指每單位重量的面積。
一般地，在燃料電池堆中，由于對環(huán)境的熱輻射以及冷卻劑的結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致在操作中產(chǎn)生預(yù)定的溫度分布。而且，由于溫度分布而產(chǎn)生了電解質(zhì)膜潤濕狀態(tài)的不均勻分布。因此，由于溫度分布以及電解質(zhì)膜中所含的水量分布、而導(dǎo)致在燃料電池堆中也產(chǎn)生了燃料電池發(fā)電性能的不均勻分布。
而且，當(dāng)單元電池的催化層中負(fù)載的催化劑、與其它單元電池的催化層所負(fù)載的催化劑的類型、重量或比表面積不相同時，該單元電池中的陽極反應(yīng)速率和陰極反應(yīng)速率不同于其它單元電池中的該速率。因此，由催化劑的類型、重量或比表面積所決定的催化劑性能被稱為“催化能力”。
在本發(fā)明的構(gòu)型中，可通過將多個單元電池堆疊來形成燃料電池，多個單元電池所包括的單元電池的催化層中負(fù)載的催化劑、與其它單元電池的催化層所負(fù)載的催化劑在類型、重量和比表面積中的至少一方面不相同，從而可以補(bǔ)償由于燃料電池堆中溫度分布以及電池堆電解質(zhì)膜所含的水量分布而導(dǎo)致的發(fā)電性能降低。也就是說，可將其催化層所具有的催化能力高于其它電池單元的催化層的單元電池設(shè)置在溫度有可能會降低的部分、可能會發(fā)生溢流的部分或可能會干燥的部分。
在具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池中，利用該構(gòu)型可能會得到充足的區(qū)域，在所述區(qū)域中，上述每一種反應(yīng)都發(fā)生在發(fā)電性能可能會降低的部分。因此，即使在單元電池的溫度或潤濕狀態(tài)不是最佳的情況下，也可抑制燃料電池發(fā)電性能的降低。
催化能力不一定必須完全須補(bǔ)償發(fā)電性能的降低。但是，可通過改變催化能力、以使其可以充分地補(bǔ)償發(fā)電性能的降低，由此使得每個單元電池得到相同的發(fā)電性能。
在上述燃料電池中，可根據(jù)燃料電池中的溫度分布或潤濕狀態(tài)來確定多個單元電池的位置。
在上述燃料電池中，在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池中的催化層負(fù)載的催化劑相比，在兩端部分的至少一個位置處的單元電池包括的催化層負(fù)載的催化劑在重量和比表面積中的至少一個方面較大。
在燃料電池堆中，在電池堆疊的方向上，燃料電池端部的溫度可能會降低，且在干電池的端部可能會發(fā)生溢流。因此，燃料電池端部的發(fā)電性能可能會降低。
對于在溫度可能會降低并且可能會產(chǎn)生溢流的端部處設(shè)置的單元電池而言，利用該構(gòu)型可抑制該單元電池發(fā)電性能的降低。上述位于端部的單元電池可包括一個電池單元或多個電池單元。當(dāng)位于端部的單元電池包括多個電池單元時，可根據(jù)溫度分布來逐步或連續(xù)地改變位于端部的多個電池單元的催化層所負(fù)載的催化劑的重量和比表面積中的至少一方面。
此時，在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池中的催化層負(fù)載的催化劑相比，位于兩端部分的每個單元電池包括的催化層所負(fù)載的催化劑在重量和比表面積中的至少一個方面較大。
利用該構(gòu)型，可進(jìn)一步抑制燃料電池發(fā)電性能的降低。
在上述燃料電池中，在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池中的催化層負(fù)載的催化劑相比，位于兩端部分的至少一個部分中的單元電池包括的催化層所負(fù)載的催化劑使反應(yīng)速度更高。
對于位于溫度可能會降低并且可能會產(chǎn)生溢流的端部處的單元電池而言，利用該構(gòu)型可抑制該單元電池發(fā)電性能的降低。
此時，在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池中的催化層負(fù)載的催化劑相比，位于兩端部分的每個單元電池包括的催化層所負(fù)載的催化劑使反應(yīng)速度更高。
利用該構(gòu)型，可進(jìn)一步抑制燃料電池發(fā)電性能的降低。
本發(fā)明的第二方面涉及這樣一種具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池，其中該堆疊結(jié)構(gòu)由多個單元電池堆疊而成，每個單元電池包括陽極和陰極，所述電極被設(shè)置在預(yù)定的電解質(zhì)膜的兩側(cè)。燃料電池的特征在于每個單元電池還包括催化層，該催化層被設(shè)置在陽極和陰極中的至少一個中，該催化層負(fù)載有用于促進(jìn)陽極反應(yīng)或陰極反應(yīng)的催化劑；并且多個單元電池所包括的至少一個單元電池中，催化層中的催化劑類型、每單位面積的重量和比表面積中的至少一種在平面內(nèi)的分布是不相同的。
上述溫度分布和電解質(zhì)膜中所含的水量分布也存在于至少一個單元電池的平面中。因此，根據(jù)溫度分布和電解質(zhì)膜中所含的水量分布，也產(chǎn)生了發(fā)電性能的面內(nèi)分布。
根據(jù)本發(fā)明，使得至少一個單元電池的催化層中的催化劑類型、重量或比表面積不同，從而用于補(bǔ)償由于至少一個電池單元的平面中溫度分布和電解質(zhì)膜中所含的水量分布、而導(dǎo)致的發(fā)電性能的面內(nèi)分布。也就是說，在溫度有可能會降低的區(qū)域、可能會發(fā)生溢流的區(qū)域或可能會干燥的區(qū)域中，催化層的催化能力被設(shè)置的比其它區(qū)域的催化層的催化能力高。例如，一般地，與單元電池的中心部分相比，單元電池周緣部分的溫度可能會降低。因此，與單元電池的中心部分相比，單元電池周緣部分的催化能力的設(shè)定值高。
在具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池中，利用該構(gòu)型可能會得到充足的區(qū)域，在所述區(qū)域中，上述每一種反應(yīng)都發(fā)生在發(fā)電性能可能會降低的每個電池的區(qū)域。因此，即使在單元電池的溫度或潤濕狀態(tài)不是最佳的情況下，也可抑制燃料電池發(fā)電性能的降低。
在上述燃料電池中，至少一個單元電池中的面內(nèi)分布取決于單元電池的溫度面內(nèi)分布或潤濕狀態(tài)面內(nèi)分布。
而且，在上述燃料電池的至少一個單元電池的催化層中，催化劑的每單位面積的重量以及比表面積中的至少一種的面內(nèi)分布是不相同的，以使得在平面方向上、在周緣部分的每單位面積的重量以及比表面積中的至少一種比周緣部分以外的部分更大。
在上述燃料電池中，在至少一個單元電池的催化層中的催化劑類型的面內(nèi)分布可以是不相同的，以使得在平面方向上、在周緣部分的反應(yīng)速率比周緣部分以外的部分更大。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面以及本發(fā)明第二方面的燃料電池中，電解質(zhì)膜可以是固體聚合物電解質(zhì)膜。
由于聚合電解質(zhì)燃料電池是在低溫下操作，因此，與其它類型的燃料電池相比，溫度分布極大地影響了單元電池的發(fā)電性能，并且進(jìn)一步影響了燃料電池的發(fā)電性能。而且，如上所述，在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，控制電解質(zhì)膜中的含水量很重要。因此，當(dāng)將本發(fā)明的燃料電池用于聚合物電解質(zhì)燃料電池時，可以抑制由于溫度的降低、溢流或干燥而導(dǎo)致的發(fā)電性能的降低。因此，特別是當(dāng)本發(fā)明的燃料電池用于聚合物電解質(zhì)燃料電池時，可得到更好的效果。
可以將本發(fā)明第一方面的燃料電池以及本發(fā)明第二方面的燃料電池結(jié)合使用。


通過結(jié)合附圖來閱讀以下對本發(fā)明典型實施方式的詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明的上述實施方式以及其它實施方式、目的、特征、優(yōu)點、技術(shù)以及工業(yè)重要性。其中
圖1表示燃料電池堆10的外觀透視圖；圖2表示單元電池100的結(jié)構(gòu)透視圖；圖3A-圖3C的示意圖表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的電極構(gòu)型；圖4A-圖4C表示在電池堆疊方向上、燃料電池堆10的分布示意圖。
圖5A-圖5C的示意圖表示根據(jù)第二實施方式的電極構(gòu)型；圖6A-圖6B的示意圖表示根據(jù)改進(jìn)的實施例1的單元電池100的電極構(gòu)型實例。
優(yōu)選實施方式詳述在以下的描述中，將根據(jù)具體實施方式
來更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
以下將描述燃料電池堆的構(gòu)型。
圖1表示本發(fā)明實施方式的燃料電池堆10的外觀透視圖。如圖1所示，通過將預(yù)定量的單元電池100堆疊而形成了燃料電池堆10?？筛鶕?jù)所需要的燃料電池10的輸出，將堆疊的單元電池的數(shù)量設(shè)置為任意值。一個單元電池100產(chǎn)生約1V的電動勢。每個單元電池100被成型為聚合物電解質(zhì)燃料電池。在單元電池100的結(jié)構(gòu)中，氧電極、電解質(zhì)膜以及氫電極被依序夾置在隔離體之間。在燃料電池堆10中，鄰近的單元電池100共用一個隔離體。將在下文中詳細(xì)描述單元電池100的結(jié)構(gòu)。
通過將端板12、絕緣板16、集流板18、多個單元電池100、集流板20、絕緣板22以及端板14按照該次序從一端堆疊、來形成燃料電池堆10。為了確保鋼性，利用金屬比如鋼來形成端板12和14。利用氣體可透過并且導(dǎo)電的電池比如致密的碳或銅板來形成集流板18和20。利用絕緣電池比如橡膠或樹脂來形成絕緣板16和22。集流板18設(shè)置有輸出端19，并且集流板20設(shè)置有輸出端21，由此可將燃料電池堆10產(chǎn)生的電能輸出。
一側(cè)的端板14上設(shè)置有燃料氣體供應(yīng)口35、燃料氣體排出口36、氧化氣體供應(yīng)口33、氧化氣體排出口34、冷卻劑供應(yīng)口31和冷卻劑排出口32。由燃料氣體供應(yīng)口35提供至燃料電池堆10的燃料氣體被分布在每個單元電池100中的同時流向端板12。如圖所示，在單元電池100中的通道中，被分布至每個單元電池100的燃料氣體從上側(cè)流向下側(cè)，并且接著流向端板14側(cè)，由此將其從燃料氣體排出口36排出。相似的是，由氧化氣體供應(yīng)口33提供氧化氣體，并且接著被分布在每個單元電池100中的同時流向端板12。被分布至每個單元電池100的氧化氣體在每個單元電池100的通道中流動，并且接著從氧化氣體排出口34排出。在燃料電池堆10中，形成了每個單元電池100的通道，以使得燃料氣和氧化氣體按照以上方式流動。
在構(gòu)成燃料電池10的每個單元電池100的電解質(zhì)膜中，在與隔離體接觸的周緣部分上設(shè)置密封件。該密封件阻止燃料氣和氧化氣體從單元電池100的內(nèi)側(cè)漏出并且相互混合。在電池堆疊的方向上，通過螺栓和螺母(未示出)并且施加預(yù)定的壓力來固定燃料電池堆10，并且將其保持在該狀態(tài)下。為了通過施加壓力而將燃料電池堆10保持在上述的堆疊狀態(tài)下，不一定必須使用螺栓和螺母。例如，也可使用存儲外殼。
圖2表示單元電池100的結(jié)構(gòu)透視圖。單元電100被構(gòu)造為聚合物電解質(zhì)燃料電池。在單元電池100的結(jié)構(gòu)中，在氫電極134和氧電極136之間夾置有電解質(zhì)膜132，并且氫電極134和氧電極136被兩側(cè)的隔離體110和120夾置。在圖2中，沒有示出氧電極136，因為氧電極136處于被電極電解質(zhì)膜132所遮擋的位置處。每個氫電極134和氧電極136是下述的通過堆疊催化層和氣體擴(kuò)散層而形成的氣體擴(kuò)散電極。在與氫電極134和氧電極136相對的隔離體110和120的表面上，形成了許多凸凹的肋條。由于氫電極134和氧電極136被兩側(cè)的隔離體110和120夾置，因此，在隔離體110和氫電極134之間形成了燃料氣通道112，并且在隔離體120和氧電極136之間形成了氧化氣體通道122。
在每個隔離體110和120的兩個表面上形成了肋條。在每個隔離體110的一個表面和氫電極134之間形成了燃料氣通道112。在每個隔離體120的另一個表面和氧電極136之間形成了氧化氣體通道122。因此，在每個隔離體110和120以及氣體擴(kuò)散電極134和136之間形成了氣體通道。另外，隔離體110和120將鄰近單元電池之間的燃料氣體流和氧化氣體流隔開。
電解質(zhì)膜132是具有質(zhì)子導(dǎo)電性的離子交換膜，它是利用固體聚合物材料比如氟碳樹脂形成的。電解質(zhì)膜132在潤濕狀態(tài)下顯示出好的導(dǎo)電性。例如，可利用Nafion膜(Dupont制造)來形成電解質(zhì)膜132。
通過將作為催化劑的鉑施加至電解質(zhì)膜132的表面、由此在電解質(zhì)膜132的表面上形成催化層。在實施方式中，利用以下方法施加催化劑i)將負(fù)載催化劑鉑的碳粉分散于有機(jī)溶劑中，ii)將適量的電解質(zhì)溶液(例如，Aldrich Chemical制造的Nafion Solution)加入有機(jī)溶劑中，以得到糊，和iii)利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將催化劑施加至電解質(zhì)膜132。也可利用其它各種形成催化層的方法。例如，利用含有支撐上述催化劑的碳粉的糊來制造片狀物，并且將該片狀物壓在電解質(zhì)膜132上。而且，也可利用由鉑和其它金屬組成的合金作為催化劑。
利用碳纖維制成的碳紡布來形成每個氫電極134和氧電極136的氣體擴(kuò)散層?？衫脧?fù)寫紙或碳纖維制成的碳?xì)謥硇纬蓺怏w擴(kuò)散層。而且，由于需要將上述催化劑設(shè)置在氣體擴(kuò)散層和電解質(zhì)膜132之間，因此，將催化劑施加至氣體擴(kuò)散層與電解質(zhì)膜132接觸的一側(cè)，而不是將催化劑施加至電解質(zhì)膜132。
利用氣體可透過并且導(dǎo)電的成分來形成每個隔離體110和120，比如該成分是通過壓制碳、以使得碳變?yōu)闅怏w可透過而得到的致密碳。在每個隔離體110和120的兩個表面上形成平行的多個肋條。在一個表面上形成的肋條不一定必須與另一個表面上的平行?？梢愿鞣N角度形成肋條。例如，一個表面上的肋條可與另一個表面上的肋條正交。而且，肋條不一定必須是平行的凹槽，只要可形成燃料氣體通道和氧化氣體通道即可。
在本發(fā)明實施方式的燃料電池堆10中，位于單元電池100的電池堆疊方向上(在端板12和14的附近)的位于端部的隔離體110和120的肋條具有以下特征。也就是說，在隔離體110和120的端部形成肋條，以使得燃料氣體通道112和氧化氣體通道122中每一個的截面積都大于其它部分處的隔離體110和120所形成的燃料氣體通道112和氧化氣體通道122的截面積，原因如下。在燃料電池堆10的溫度分布中，在燃料電池堆10的電池堆疊方向上處于中心部分的溫度高，并且在端部的溫度低。這是因為在端部的單元電池100可能會由于熱輻射至環(huán)境而溫度降低。在單元電池100的端部，由于溫度的降低導(dǎo)致了蒸汽壓的降低，并且因此產(chǎn)生的水可能會累積。因此，制造的每個氣體通道的截面積大，以使得壓力損失降低，并且每種氣體在每個氣體通道中容易流動。因此，除去了產(chǎn)生的過量水。
在每個隔離體110和120的周緣部分的兩個部分處形成了具有圓形截面的冷卻劑孔151和152。當(dāng)將單元電池100堆疊時，冷卻劑孔151和152形成了在燃料電池堆10的電池堆疊方向上延伸的冷卻劑通道。
在隔離體110和120的每一側(cè)附近，沿著每一側(cè)形成了具有窄長形狀的每個燃料氣體孔153和154和氧化氣體孔155和156。當(dāng)通過堆疊元電池100而形成燃料電池堆10時，燃料氣體孔153和154和氧化氣體孔155和156分別形成了在燃料電池堆10的電池堆疊方向上延伸的燃料氣體通道112和氧化氣體通道122。在本發(fā)明的實施方式中，沿著圖2中的較上側(cè)形成了燃料氣體供應(yīng)通道，并且沿著較下側(cè)形成了燃料氣體排出通道。而且，沿著較左側(cè)形成了氧化氣體供應(yīng)通道，并且沿著較右側(cè)形成了氧化氣體排出通道。
燃料電池堆10的燃料氣體供應(yīng)口35被連接至燃料氣體供應(yīng)通道。燃料氣體排出口36被連接至燃料氣體排出通道。由燃料氣體供應(yīng) 35提供的燃料氣體通過燃料氣體供應(yīng)通道流入每個單元電池100的燃料氣體通道112。接著，在燃料氣體被用于預(yù)定的反應(yīng)之后，燃料氣體通過燃料氣體排出通道流到燃料氣體排出 36。氧化氣體的流動路徑與之相似。
燃料電池堆10的氧化氣體供應(yīng)口33被連接至氧化氣體供應(yīng)通道。而且，氧化氣體排出口34被連接至氧化通道。由氧化氣體供應(yīng)口33提供的氧化氣體通過氧化氣體供應(yīng)通道流入每個單元電池100的氧化氣體通道122中。接著，在氧化氣體被用于預(yù)定的反應(yīng)之后，氧化氣體通過氧化氣體排出通道流到氧化氣體排出口34。
在本發(fā)明實施方式的燃料電池堆10中，按照一個冷卻隔離體140對五個單元電池100的比例、設(shè)置冷卻隔離體140。冷卻隔離體140被用于形成冷卻劑通道來冷卻單元電池100。在冷卻隔離體140中，形成了與冷卻劑孔相連接的盤形冷卻劑凹槽142。與冷卻劑隔離體140相對的每個隔離體110和120的表面是沒有肋條的平面。因此，設(shè)置在冷卻隔離體140中的凹槽形成了冷卻隔離體140和每個隔離體110和120之間的冷卻通道。可利用包括致密碳在內(nèi)的各種具有導(dǎo)電性的材料來形成隔離體110和120和冷卻隔離體140。例如，主要是由于剛性和熱傳輸性能而使用金屬比如銅合金或鋁合金。而且，可基于所要求的燃料電池堆10的輸出、溫度以及冷卻劑的流量等而得到的單元電池100的熱量，將冷卻隔離體的比例設(shè)定在合適的范圍內(nèi)。
以下將描述本發(fā)明的第一實施方式。
首先，將描述電極的構(gòu)型。
圖3A是本發(fā)明第一實施方式的燃料電池堆10的構(gòu)型示意圖。圖3B表示位于燃料電池堆10的中心部分的單元電池(下文中將稱之為“中心電池”)的電極構(gòu)型截面圖。圖3C表示位于燃料電池堆10的兩端部分的單元電池(下文中將稱之為“端部電池”)的電極構(gòu)型截面圖。
如圖3B所示，在中心電池中，在電解質(zhì)膜132的一個表面上，催化層134a和氣體擴(kuò)散層134b被按照該次序堆疊，由此形成氫電極134。而且，在電解質(zhì)膜132的另一表面上，催化層136a和氣體擴(kuò)散層136b被按照該次序堆疊，由此形成氧電極136。
同時，如圖3C所示，在端部電池中，在電解質(zhì)膜132的一個表面上，催化層134c和氣體擴(kuò)散層134d被按照該次序堆疊，由此形成氫電極134。而且，在電解質(zhì)膜132的另一表面上，催化層136c和氣體擴(kuò)散層136d被按照該次序堆疊，由此形成氧電極136。
中心電池中氣體擴(kuò)散層的防水性不同于端部電池。端部電池的氣體擴(kuò)散層134d和136d的防水性低于中心電池的氣體擴(kuò)散層134b和136b的防水性。因此，產(chǎn)生的水可容易地透過氣體擴(kuò)散層134d和136d的表面，并且可容易地與氣體一起排出。因此，可保持氣體擴(kuò)散層134d和136d好的氣體可滲透性。
中心電池與端部電池的催化層中所負(fù)載的催化劑的類型和比表面積相同。也就是說，中心電池與端部電池中每單位體積的催化層的催化能力相同。
中心電池與端部電池的每一催化層的厚度不同。端部電池中每一催化層134c和136c的厚度大于中心電池中每一催化層134a和136a的厚度。也就是說，端部電池中每一催化層134c和136c的催化能力大于中心電池中每一催化層134a和136a的催化能力。在實施方式中，每一催化層134c和136c的厚度是中心電池中每一催化層134a和136a的厚度的兩倍。在該實施方式中，中心電池的催化層134a和催化層136a的厚度相同。而且，端部電池的催化層134c和催化層136c的厚度相同。但是，可將這些催化層中的任何一層的厚度設(shè)定為任意值。
下文中將描述該實施方式的效果。
圖4A-4C的示意圖表示第一實施方式的效果。圖4A的示意圖表示燃料電池堆10的側(cè)面(從與電池堆疊方向相垂直的方向看)。此時，在電池堆疊的方向上、位于每一端的四個單元電池100被認(rèn)為是端部電池。圖4B表示在電池堆疊方向上的催化層的厚度分布。圖4C表示在電池堆疊方向上的電池電壓分布。在圖4B的4C中都利用實線來表示該實施方式的每種分布。而且，利用虛線來表示常規(guī)燃料電池堆中的每種分布。如圖4B所示，通過將包括厚度相同的催化層的電池單元堆疊來形成常規(guī)的燃料電池堆。
如圖4C所示，在常規(guī)燃料電池堆的溫度分布中，在電池堆疊方向上、中心部分的溫度高，并且在電池堆疊方向上、兩端部分的溫度低。因此，在端部電池中電池電壓下降。同時，在該實施方式的燃料電池堆10中，在所有的單元電池100中得到了基本上相同的電池電壓。
在該實施方式中，如圖4B所示，四個端部電池中的催化層厚度相同。但是，在點劃線所示的改進(jìn)的實施例中，根據(jù)溫度分布可逐步改變催化層的厚度。
在以上所描述的第一實施方式的燃料電池堆10中，端部電池的每個催化層的厚度大于中心電池。因此，在端部電池中發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域增加，并且因此可增加每一層的催化能力。由此可以抑制端部電池中的溫度降低，并且抑制由于溢流而導(dǎo)致的燃料電池堆10的發(fā)電性能的降低。
以下將描述本發(fā)明的第二實施方式。
在第一實施方式中，中心電池的每一催化層的厚度與端部電池不同。在第二實施方式中，中心電池的每一催化層負(fù)載的催化劑的比表面積不同于端部電池。
圖5A-5C的示意圖表示本發(fā)明第二實施方式的單元電池100的電極構(gòu)型。在第二實施方式中，中心電池的每一催化層134a和136a的厚度與端部電池的每一催化層134e和136e的厚度相同。除了端部電池的每一催化層134e和136e所負(fù)載的催化劑的比表面積大于中心電池中每一催化層134a和136a所負(fù)載的催化劑的比表面積之外，第二實施方式與第一實施方式相同。
在以上所描述的第二實施方式的燃料電池中，端部電池的每一催化層所負(fù)載的催化劑的比表面積大于中心電池中每一催化層所負(fù)載的催化劑的比表面積。因此，在端部電池中發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域增加。因此，可抑制端部電池中的溫度降低，并且抑制由于溢流而導(dǎo)致的燃料電池堆10的發(fā)電性能的降低。
迄今為止已經(jīng)描述了本發(fā)明的具體實施方式
。但是，本發(fā)明不限于這些實施方式。不背離本發(fā)明的實質(zhì)可以各種實施方式的形式來實現(xiàn)本發(fā)明。例如，可以以下的改進(jìn)實施例的形式實現(xiàn)本發(fā)明。
以下將描述第一改進(jìn)實施例。
在上述實施方式中，在燃料電池堆10堆疊的方向上，基于溫度分布而使端部電池的每一催化層的厚度、或端部電池的每一催化層所負(fù)載的催化劑的比表面積大于中心電池的所述值。但是，本發(fā)明不限于這些實施方式。中心電池的每一催化層所負(fù)載的催化劑的類型不同于端部電池的所述類型。也就是說，在溫度可能會降低的端部電池中，所使用的催化劑的催化能力高于中心電池的所述能力。
以下將描述第二改進(jìn)實施例。
在上述實施方式中，在燃料電池堆10堆疊的方向上，基于溫度分布而使端部電池的每一催化層的厚度、或端部電池的每一催化層所負(fù)載的催化劑的比表面積大于中心電池的所述值。但是，本發(fā)明不限于這些實施方式。在第二改進(jìn)實施例中，可根據(jù)面內(nèi)溫度分布來改變每一個單元電池100中的催化層的厚度。
圖6A-6B的示意圖表示第二改進(jìn)實施例中的單元電池100的電極構(gòu)型。圖6A表示從氧電極136側(cè)看到的單元電池100。在圖6A中，為了方便起見，略去了隔離體110和氣體擴(kuò)散層136b。圖6B表示從圖6A的線A-A獲得的截面中的溫度分布(面內(nèi)溫度分布)。
在圖6A中，中心部分處的陰影線區(qū)域M相當(dāng)于溫度相對高的區(qū)域。在周緣部分用交叉排線畫出陰影的區(qū)域N相當(dāng)于溫度相對低的區(qū)域。在該平面中催化層的厚度不均勻。在區(qū)域N中的催化層的厚度大于區(qū)域M中的催化層的厚度。氫電極134側(cè)與氧電極136側(cè)相同。
在上述構(gòu)型中，也可能抑制溫度的降低，并且可能抑制由于溢流而導(dǎo)致的燃料電池堆10的發(fā)電性能的降低。
在第二改進(jìn)實施例中，區(qū)域N中的催化劑的厚度不同于區(qū)域M中的該厚度。但是，區(qū)域N中的催化層所負(fù)載的催化劑的比表面積或催化劑的類型可不同于區(qū)域M。而且，在第二改進(jìn)實施例中，根據(jù)溫度分布提供了兩種類型的區(qū)域。但是，也可提供三種或多種類型的區(qū)域。
以下將描述第三改進(jìn)實施例。
在上述實施方式中，盡管本發(fā)明適用于氫電極134和氧電極136這二者，但是本發(fā)明也適用于氫電極134和氧電極136之一。但是優(yōu)選本發(fā)明至少適用于氧電極136。這是因為在氧電極上發(fā)生的陰極反應(yīng)的反應(yīng)速度低于氫電極上的陽極反應(yīng)速度。
以下將描述第四改進(jìn)實施例。
在第一實施方式中，本發(fā)明適用于燃料電池堆10的兩端部分的單元電池100。但是，本發(fā)明適用于燃料電池堆10的兩端部分的其中一端。
而且，多個單元電池100所包括的催化層的催化能力與其它單元電池的催化層不同的單元電池100。例如，在上述實施方式的燃料電池堆10中，由于設(shè)置了冷卻隔離體140，因此，與冷卻隔離體140鄰近的單元電池的溫度可能會降低。因此，在與冷卻隔離體140鄰近的單元電池100中，可增加催化層的厚度，增加催化層所負(fù)載的催化劑的比表面積，或者催化劑可具有高的催化能力。
而且，在高溫下可能會干燥的單元電池中，可使用具有高催化能力的催化層。利用該構(gòu)型，可抑制由于電解質(zhì)膜的干燥而導(dǎo)致的燃料電池堆10的發(fā)電性能的降低。
以下將描述第五改進(jìn)實施例。
在上述每一實施方式和第一改進(jìn)實施例中，可獨立地改變有關(guān)催化能力的參數(shù)，即催化層的厚度、催化層所負(fù)載的催化劑的比表面積或催化劑的類型。但是，也可改變至少兩種參數(shù)的組合。
以下將描述第六改進(jìn)實施例。
在上述實施方式中，本發(fā)明適用于聚合物電解質(zhì)燃料電池。但是，本發(fā)明也適用于具有堆疊結(jié)構(gòu)的其它類型的燃料電池。
以下將描述第七改進(jìn)實施例。
在上述實施方式和改進(jìn)實施例中，在溫度可能會降低或者可能會發(fā)生溢流的單元電池中使用了催化能力高的催化層。但是，本發(fā)明不限于這些實施方式和改進(jìn)的實施例。由于本發(fā)明是為了即使燃料電池堆中在單元電池的溫度或潤濕狀態(tài)不是最佳的情況下、也可抑制燃料電池中發(fā)電性能的降低，因此，在可能會干燥的單元電池中使用催化能力高的催化層。
盡管已參考典型的實施方式描述了本發(fā)明，但是，應(yīng)理解的是本發(fā)明不限于典型的實施方式或構(gòu)型。相反地，本發(fā)明意欲覆蓋各種改進(jìn)形式和等同的設(shè)置。另外，盡管典型實施方式的電池被表示在各種典型的組合和構(gòu)型中，但是，包括更多、更少或僅一個電池的其它組合和構(gòu)型也屬于本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池，該堆疊結(jié)構(gòu)由多個單元電池(100)堆疊而成，每個單元電池包括在預(yù)定的電解質(zhì)膜(132)的兩側(cè)設(shè)置的陽極(134)和陰極(136)，，其特征在于多個單元電池(100)的每一個還包括催化層，該催化層被設(shè)置在陽極(134)和陰極(136)中的至少一個中，該催化層負(fù)載有用于促進(jìn)陽極反應(yīng)或陰極反應(yīng)的催化劑；并且多個單元電池(100)所包括的單元電池(100)的催化層(134a、134c、136a、136c)負(fù)載的催化劑，與其它單元電池(100)的催化層(134a、134c、136a、136c)所負(fù)載的催化劑，在類型、重量和比表面積的至少一方面不相同。
2.權(quán)利要求1的燃料電池，其中根據(jù)燃料電池中的溫度分布或潤濕狀態(tài)分布來設(shè)置多個單元電池(100)。
3.權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池(100)中的催化層(134a、136a)所負(fù)載的催化劑相比，位于兩端部分的至少一端的單元電池(100)包括的催化層(134c、136c)所負(fù)載的催化劑，在重量和比表面積的至少一個方面較大。
4.權(quán)利要求3的燃料電池，其中在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池(100)中的催化層(134a、136a)所負(fù)載的催化劑相比，位于兩端部分的每個單元電池(100)包括的催化層(134c、136c)所負(fù)載的催化劑，在重量和比表面積的至少一個方面較大。
5.權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池(100)中的催化層(134a、136a)所負(fù)載的催化劑相比，位于兩端部分的至少一端的單元電池(100)包括的催化層(134c、136c)所負(fù)載的催化劑的反應(yīng)速度較高。
6.權(quán)利要求5的燃料電池，其中在堆疊結(jié)構(gòu)的電池堆疊方向上，與位于兩端部分之外的位置處的單元電池(100)中的催化層(134a、136a)所負(fù)載的催化劑相比，位于兩端部分的每個單元電池(100)包括的催化層(134c、136c)所負(fù)載的催化劑的反應(yīng)速度較高。
7.權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中電解質(zhì)膜是固體聚合物電解質(zhì)膜。
8.一種具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池，該堆疊結(jié)構(gòu)由多個單元電池(100)堆疊而成，每個單元電池包括陽極(134)和陰極(136)，所述電極被設(shè)置在預(yù)定的電解質(zhì)膜的兩側(cè)，其特征在于多個單元電池(100)的每一個還包括催化層(134a、134c、136a、136c)，該催化層被設(shè)置在陽極(134)和陰極(136)的至少一個中，該催化層負(fù)載有用于促進(jìn)陽極反應(yīng)或陰極反應(yīng)的催化劑；并且多個單元電池所包括的至少一個單元電池(100)中所包含的催化層(134a、134c、136a、136c)中的催化劑類型、每單位面積的重量和比表面積的至少一種在平面內(nèi)的分布不均勻。
9.權(quán)利要求8的燃料電池，其中至少一個單元電池(100)中的平面內(nèi)分布取決于單元電池(100)的平面內(nèi)溫度分布或潤濕狀態(tài)的平面內(nèi)分布。
10.權(quán)利要求8或9的燃料電池，其中在至少一個單元電池(100)的催化層(134a、134c、136a、136c)中，催化劑的每單位面積的重量以及比表面積中的至少一種的平面內(nèi)分布是不均勻的，以使得在平面方向上、在周緣部分的催化劑的每單位面積的重量以及比表面積中的至少一種比周緣部分以外的部分更大。
11.權(quán)利要求8或9的燃料電池，其中在至少一個單元電池(100)的催化層(134a、134c、136a、136c)中的催化劑類型的平面內(nèi)分布是不均勻的，以使得在平面方向上、在周緣部分的反應(yīng)速率比周緣部分以外的部分更大。
12.權(quán)利要求8或9的燃料電池，其中電解質(zhì)膜是固體聚合物電解質(zhì)膜。
全文摘要
在具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池中，即使在單元電池的溫度或潤濕狀態(tài)不是最佳的情況下，也可抑制燃料電池中發(fā)電性能的降低。在燃料電池堆(10)的每個單元電池中，所形成的氫電極和氧電極中的至少一個上設(shè)置有催化層。每一個端電池的催化層厚度被制造為大于中心電池的催化層的厚度，其中所述的端電池是設(shè)置在燃料電池堆(10)兩端部分的單元電池，所述的中心電池是設(shè)置在燃料電池堆(10)中心部分的單元電池。端部電池的催化層所負(fù)載的催化劑與中心電池的催化層所負(fù)載的催化劑的類型或比表面積可以不同。
文檔編號H01M8/24GK1614804SQ200410088310
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月6日
發(fā)明者菅野善仁, 久米英明 申請人:豐田自動車株式會社