專利名稱：固體高分子型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配置有一對電極的電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體與 隔板進(jìn)行層疊的固體高分子型燃料電池。
背景技術(shù)：
固體高分子型燃料電池例如具有發(fā)電單元，發(fā)電單元用一對隔板夾持電解質(zhì)膜電 極構(gòu)造體(MEA)，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體在由高分子離子交換膜形成的電解質(zhì)膜的兩側(cè)分別 配置了陽極側(cè)電極以及陰極側(cè)電極。這種燃料電池通常通過層疊規(guī)定數(shù)量(例如數(shù)百)的 發(fā)電單元，例如用作車載用燃料電池堆。
在上述的燃料電池中，通過經(jīng)燃料氣體流路供應(yīng)給陽極側(cè)電極的燃料氣體(例如 主要含有氫的氣體)與經(jīng)氧化劑氣體流路供應(yīng)給陰極側(cè)電極的氧化劑氣體(例如主要含有 氧的氣體或空氣)之間的電化學(xué)反應(yīng)，可得到電力。
因此，在燃料電池發(fā)電時(shí)，在陰極側(cè)電極生成水，另一方面，在陽極側(cè)電極引起所 述水的逆擴(kuò)散。因此，氧化劑氣體流路以及燃料氣體流路尤其在各自的下游側(cè)容易滯留凝 結(jié)水，在電極端部和水滯留部重合的區(qū)域，電解質(zhì)膜顯著膨潤，燃料氣體向陰極側(cè)電極的交 叉泄漏(cross leak)增大，存在所述電解質(zhì)膜劣化的顧慮。
因此，例如公知有一種專利文獻(xiàn)1公開的燃料電池的元件。該燃料電池的元件具 備電解質(zhì)膜；膜電極接合體，其具有接合于該電解質(zhì)膜的一面并供應(yīng)空氣的陰極以及接 合于該電解質(zhì)膜的另一面并供應(yīng)燃料的陽極；以及成對的導(dǎo)電性材料制的隔板，其夾持該 膜電極接合體，使得在該陰極側(cè)形成空氣室，并且在該陽極側(cè)形成燃料室。
而且，在空氣室以及燃料室的至少一方的出口設(shè)有對連通面積進(jìn)行節(jié)流的節(jié)流 部。因此，在空氣室中，在出口空氣的流速變大，適于排除空氣室內(nèi)的水滴，因此在元件中， 即使動(dòng)作條件不同，也難以阻礙對陰極供應(yīng)空氣，由此陰極整體適于反應(yīng)，元件電壓穩(wěn)定。
專利文獻(xiàn)1 日本特開2007-2；34352號公報(bào)
但是，在上述專利文獻(xiàn)1中，由于在空氣室以及燃料室的至少一方的出口設(shè)有節(jié) 流部，所以在該節(jié)流部壓力損失增大，作為燃料電池系統(tǒng)的效率下降。而且，還存在結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、制造成本高的問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決該問題，目的在于提供一種固體高分子型燃料電池，其能夠以簡單且 經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)來阻止反應(yīng)氣體流路的水滯留部與電極端部重合，并且能夠盡可能阻止電解質(zhì) 膜劣化。
本發(fā)明涉及一種對在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配置有一對電極的電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體與 隔板進(jìn)行層疊的固體高分子型燃料電池
隔板設(shè)有使反應(yīng)氣體沿隔板面流向重力方向的反應(yīng)氣體流路以及與所述反應(yīng)氣 體流路的下端連通的出口緩沖部，同時(shí)電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體構(gòu)成為構(gòu)成電極的催化劑涂敷區(qū)域的終端位于比所述反應(yīng)氣體流路的下端向上方離開的位置。
另外，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體優(yōu)選被設(shè)定成從重力方向中心位置的上方側(cè)的催化劑 涂敷區(qū)域比重力方向中心位置的下方側(cè)的催化劑涂敷區(qū)域大。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成電極的催化劑涂敷區(qū)域的終端位于比反應(yīng)氣體流路的下端向上 方離開的位置，因此，能夠可靠地阻止所述反應(yīng)氣體流路的水滯留部與電極端部重合。因 此，能夠以簡單且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)盡可能阻止電解質(zhì)膜的劣化。


圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池的主要部分分解立體說明圖2是所述燃料電池的、圖1中II-II線截面說明圖3是構(gòu)成所述燃料電池的電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的正面說明圖4是構(gòu)成所述燃料電池的第二隔板的正面說明圖5是所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的催化劑涂敷區(qū)域與反應(yīng)氣體流路的關(guān)系說明 圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池的主要部分分解立體說明圖。
符號說明
10、60-燃料電池
12、62-電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體
14、16、64、66-隔板
20a-氧化劑氣體入口連通孔
20b-氧化劑氣體出口連通孔
22a-燃料氣體入口連通孔
22b-燃料氣體出口連通孔
24a-冷卻介質(zhì)入口連通孔
Mb-冷卻介質(zhì)出口連通孔
26-固體高分子電解質(zhì)膜
28-陰極側(cè)電極
^a、30a-氣體擴(kuò)散層
28b,30b-電極催化劑層
30-陽極側(cè)電極
34-氧化劑氣體流路
34a、40a-波狀流路槽部
36a、42a_ 入口緩沖部
36b、42b-出 口 緩沖部
40-燃料氣體流路
46-冷卻介質(zhì)流路
50、52-密封部件具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池10是利用第一隔板14和第二隔 板16夾持電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12而構(gòu)成的。
在燃料電池10的長邊方向(箭頭C方向)的上端緣部設(shè)有在箭頭A方向上互相 連通的、用于供應(yīng)氧化劑氣體例如含氧氣體的氧化劑氣體入口連通孔20a以及用于供應(yīng)燃 料氣體例如含氫氣體的燃料氣體入口連通孔22a。
在燃料電池10的長邊方向(箭頭C方向)的下端緣部設(shè)有在箭頭A方向上互相 連通的、用于排出燃料氣體的燃料氣體出口連通孔22b以及用于排出氧化劑氣體的氧化劑 氣體出口連通孔20b。
在燃料電池10的短邊方向(箭頭B方向)的一端緣部設(shè)有在箭頭A方向上互相 連通的、用于供應(yīng)冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)入口連通孔Ma，并且在所述燃料電池10的短邊方 向的另一端緣部設(shè)有用于排出所述冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)出口連通孔Mb。
如圖1 圖3所示，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12例如包括在全氟磺酸的薄膜中含浸有 水的固體高分子電解質(zhì)膜26和夾持所述固體高分子電解質(zhì)膜沈的陰極側(cè)電極(第一電 極) 及陽極側(cè)電極(第二電極)30。陽極側(cè)電極30具有的表面積小于陰極側(cè)電極觀的 表面積，構(gòu)成所謂的臺階型MEA。
如圖2所示，陰極側(cè)電極觀具有氣體擴(kuò)散層28a和電極催化劑層^b，氣體擴(kuò)散 層^a由碳紙等構(gòu)成，電極催化劑層28b是將表面帶有白金合金的多孔質(zhì)碳粒子均勻涂敷 在所述氣體擴(kuò)散層^a的表面上而形成的。陽極側(cè)電極30具有氣體擴(kuò)散層30a和電極催 化劑層30b，氣體擴(kuò)散層30a由碳紙等構(gòu)成，電極催化劑層30b是將表面帶有白金合金的多 孔質(zhì)碳粒子均勻涂敷在所述氣體擴(kuò)散層30a的表面上而形成的。
電極催化劑層^b、30b形成在固體高分子電解質(zhì)膜沈的兩面。電極催化劑層^b、 30b如后所述，在固體高分子電解質(zhì)膜沈的兩面形成在規(guī)定的催化劑涂敷區(qū)域H內(nèi)(參考 圖3)。
第一隔板14以及第二隔板16例如由鋼板、不銹鋼板、鋁板、鍍處理鋼板或者對其 金屬表面實(shí)施了防腐蝕用的表面處理的縱長形狀的金屬板構(gòu)成。第一隔板14以及第二隔 板16的平面具有矩形形狀，且具有縱長形狀，并且是通過將金屬制薄板沖壓加工成波形， 而成形為截面呈凹凸形狀。另外，第一隔板14以及第二隔板16也可以不由金屬隔板構(gòu)成， 而例如由碳隔板構(gòu)成。
如圖1所示，在第一隔板14的朝向電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的面1 上形成氧化 劑氣體流路；34，氧化劑氣體流路34連通氧化劑氣體入口連通孔20a與氧化劑氣體出口連 通孔20b。氧化劑氣體流路34具有沿箭頭C方向(重力方向)延伸的多個(gè)波狀流路槽部 34a。在氧化劑氣體流路34的入口附近以及出口附近分別設(shè)有具有多個(gè)壓紋(emboss)的 入口緩沖部36a及出口緩沖部36b。
在入口緩沖部36a與氧化劑氣體入口連通孔20a之間形成多個(gè)入口連結(jié)通路38a。 在出口緩沖部36b和氧化劑氣體出口連通孔20b之間形成多個(gè)出口連結(jié)通路38b。
如圖4所示，在第二隔板16的朝向電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的面16a上形成燃料 氣體流路40，燃料氣體流路40連通燃料氣體入口連通孔2 與燃料氣體出口連通孔22b。 燃料氣體流路40具有沿箭頭C方向延伸的多個(gè)波狀流路槽部40a，并且在燃料氣體流路40的入口附近以及出口附近分別設(shè)有具有多個(gè)壓紋的入口緩沖部4 及出口緩沖部42b。
第二隔板16具有連通燃料氣體入口連通孔2 及燃料氣體流路40的多個(gè)供應(yīng) 孔部4 ；以及連通燃料氣體出口連通孔22b及所述燃料氣體流路40的多個(gè)排出孔部44b。
如圖1所示，在第一隔板14的面14b與第二隔板16的面16b之間形成冷卻介質(zhì) 流路46，冷卻介質(zhì)流路46連通冷卻介質(zhì)入口連通孔2 和冷卻介質(zhì)出口連通孔Mb。冷卻 介質(zhì)流路46設(shè)有流路槽部(未圖示)，流路槽部是波狀流路槽部34a、40a的背面形狀，且通 過它們重合而沿箭頭B方向延伸。
如圖1及圖2所示，在第一隔板14的面14a、14b上，圍繞該第一隔板14的外周端 緣部而分體或者一體地設(shè)有第一密封部件50。在第二隔板16的面16a、16b上，圍繞該第二 隔板16的外周端緣部而分體或者一體地設(shè)有第二密封部52。
第一密封部件50具有突起部50a，突起部50a圍繞電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的外周 外側(cè)，并且將氧化劑氣體入口連通孔20a及氧化劑氣體出口連通孔20b與氧化劑氣體流路 34連通起來。第二密封部件52如圖2及圖4所示具有突起部52a，突起部5 沿構(gòu)成電解 質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的固體高分子電解質(zhì)膜沈的外周緣部抵接。
如圖5所示，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12構(gòu)成為電極催化劑層^b、30b的催化劑涂 敷區(qū)域H的終端位于比氧化劑氣體流路34及燃料氣體流路40的下端向上方離開的位置。
具體地說，電極催化劑層^b、30b的催化劑涂敷區(qū)域H的上端位置被設(shè)定為與氧 化劑氣體流路34及燃料氣體流路40的上端位置相同的位置；另一方面，所述催化劑涂敷區(qū) 域H的下端位置被設(shè)定為比所述氧化劑氣體流路34及所述燃料氣體流路40的下端位置更 靠上方。而且，優(yōu)選將電極催化劑層^b、30b的下端位置錯(cuò)開。這是為了防止水集中在固 體高分子電解質(zhì)膜20的表背面。
如圖3所示，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12在長邊方向上重力方向中心位置0的上方側(cè) 的催化劑涂敷區(qū)域HA被設(shè)定成大于重力方向中心位置0的下方側(cè)的催化劑涂敷區(qū)域HB(HA > HB)。電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的氣體擴(kuò)散層^a、30a具有上下對稱形狀，相對于中心位 置0為非對稱。
以下說明這樣構(gòu)成的燃料電池10的動(dòng)作。
首先，如圖1所示，對氧化劑氣體入口連通孔20a供應(yīng)含氧氣體等氧化劑氣體，并 且對燃料氣體入口連通孔2 供應(yīng)含氫氣體等燃料氣體。進(jìn)而對冷卻介質(zhì)入口連通孔2 供應(yīng)純水或甘醇、油等冷卻介質(zhì)。
為此，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口連通孔20a通過第一隔板14的入口連結(jié)通路 38a被導(dǎo)入向氧化劑氣體流路34。該氧化劑氣體沿氧化劑氣體流路34在箭頭C方向(重 力方向)上移動(dòng)，被供應(yīng)給電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的陰極側(cè)電極觀。
另一方面，燃料氣體從燃料氣體入口連通孔2 通過供應(yīng)孔部44a向第二隔板16 的面16a側(cè)移動(dòng)。如圖4所示，燃料氣體沿燃料氣體流路36在重力方向(箭頭C方向)上 移動(dòng)，被供應(yīng)給電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的陽極側(cè)電極30。
因此，在電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12中，供應(yīng)給陰極側(cè)電極觀的氧化劑氣體和供應(yīng)給 陽極側(cè)電極30的燃料氣體在電極催化劑層內(nèi)通過電化學(xué)反應(yīng)被消耗，從而進(jìn)行發(fā)電。
接著，供應(yīng)給電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的陰極側(cè)電極觀而消耗了的氧化劑氣體沿 氧化劑氣體出口連通孔20b在箭頭A方向上被排出。另一方面，供應(yīng)給電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的陽極側(cè)電極30而消耗了的燃料氣體通過排出孔部44b被導(dǎo)出到第二隔板16的面 16b側(cè)。導(dǎo)出到面16b側(cè)的燃料氣體被排出到燃料氣體出口連通孔22b。
另外，如圖1所示，供應(yīng)給冷卻介質(zhì)入口連通孔2 的冷卻介質(zhì)被導(dǎo)入到一方的構(gòu) 成燃料電池10的第一隔板14與另一方的構(gòu)成燃料電池10的第二隔板16之間形成的冷卻 介質(zhì)流路46中。因此，從冷卻介質(zhì)入口連通孔2 供應(yīng)給冷卻介質(zhì)流路46的冷卻介質(zhì)在 箭頭B方向上移動(dòng)，將燃料電池10冷卻后，被排出到冷卻介質(zhì)出口連通孔Mb。
此時(shí)，在第一實(shí)施方式中，如圖5所示，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12構(gòu)成為電極催化 劑層28b、30b的催化劑涂敷區(qū)域H的終端位于比氧化劑氣體流路34及燃料氣體流路40的 下端(與出口緩沖部36b、42b的邊界部位)向上方離開的位置。
因此，能夠可靠地阻止容易形成在氧化劑氣體流路34及燃料氣體流路40的下游 側(cè)的水滯留部WR與電極催化劑層^b、30b的催化劑涂敷區(qū)域H重合。
因此，在電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12中，固體高分子電解質(zhì)膜沈不會(huì)因?yàn)樗疁舨縒R 的水而顯著膨潤，能夠阻止多數(shù)量的燃料氣體交叉泄漏到陰極側(cè)電極觀。
由此，能夠以簡單且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)盡可能地阻止固體高分子電解質(zhì)膜沈劣化。因 此，能夠得到如下效果能夠可靠地避免因燃料電池10的發(fā)電性能的下降或固體高分子電 解質(zhì)膜26的破損引起的發(fā)電停止。
圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池60的主要部分分解立體說明圖。而且， 對于與第一實(shí)施方式的燃料電池10相同的構(gòu)成要素標(biāo)注相同的參考符號，省略其詳細(xì)的 說明。
燃料電池60是利用第一隔板64以及第二隔板66夾持電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62而 構(gòu)成的。電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62利用陰極側(cè)電極觀以及陽極側(cè)電極30夾持固體高分子 電解質(zhì)膜26。陰極側(cè)電極觀以及陽極側(cè)電極30被設(shè)定成相同的表面面積，并且固體高分 子電解質(zhì)膜26被設(shè)定成大的表面面積。
電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62構(gòu)成為電極催化劑層^b、30b的催化劑涂敷區(qū)域H的終 端位于比氧化劑氣體流路34及燃料氣體流路40的下端、即比水滯留部WR向上方離開的位置。
在該第二實(shí)施方式中，可得到如下等與上述第一實(shí)施方式同樣的效果固體高分 子電解質(zhì)膜26不會(huì)因?yàn)樗疁舨縒R的水而顯著膨潤，能夠以簡單且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)盡可能地 阻止所述固體高分子電解質(zhì)膜沈劣化。
此外，在第一及第二實(shí)施方式中，雖然氧化劑氣體流路34等氣體流路構(gòu)成為波 狀，但是也可以構(gòu)成為直線狀。另外，催化劑層端部除了直線狀以外，還可以是凹凸形狀。權(quán)利要求
1.一種固體高分子型燃料電池，對在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配置有一對電極的電解質(zhì)膜電極 構(gòu)造體與隔板進(jìn)行層疊，其特征在于，所述隔板設(shè)有反應(yīng)氣體流路和出口緩沖部，所述反應(yīng)氣體流路使反應(yīng)氣體沿隔板面在 重力方向上流通，所述出口緩沖部與所述反應(yīng)氣體流路的下端連通，所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體構(gòu)成為構(gòu)成所述電極的催化劑涂敷區(qū)域的終端位于比所述 反應(yīng)氣體流路的下端向上方離開的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的重力方向中心位置的上方側(cè)的所述催化劑涂敷區(qū)域被設(shè) 定得大于所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的重力方向中心位置的下方側(cè)的所述催化劑涂敷區(qū)域。
全文摘要
提供一種固體高分子型燃料電池，其能夠以簡單且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)可靠阻止反應(yīng)氣體流路的水滯留部與電極重合，從而盡可能阻止電解質(zhì)膜劣化。燃料電池(10)通過用第一隔板(14)及第二隔板(16)夾持電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)而構(gòu)成。電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)具有固體高分子電介質(zhì)膜(26)、陰極側(cè)電極(28)及陽極側(cè)電極(30)。電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)構(gòu)成為陰極側(cè)電極(28)的電極催化劑層(28b)及陽極側(cè)電極(30)的電極催化劑層(30b)的催化劑涂敷區(qū)域(H)的終端位于比氧化劑氣體流路(34)及燃料氣體流路(40)的下端向上方離開的位置。
文檔編號H01M8/10GK102035003SQ201010283710
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者伊丹俊輔, 坂野雅章, 小田優(yōu), 石丸龍平, 金岡長之 申請人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社