專利名稱：燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種供在電動車或類似裝置使用的燃料電池，特別涉及ー種能夠改進發(fā)電性能的燃料電池。
背景技術：
通常，燃料電池包括由如圖13中所示的疊裝的多個發(fā)電電池12形成的燃料電池堆11。如圖14所示，電極組件15被放置在用于分別形成這些發(fā)電電池12的一對框架13，14的聯(lián)接部。電極組件15包括固體電解質膜16，定位在陽極側的電極催化劑層17，和定位在陰極側的電極催化劑層18。固體電解質膜16的外周邊緣通過以三明治方式夾在框13，14兩者之間得以被固定。陽極側氣體擴散層19被層疊在電極催化劑17的表面上，并且陰極側氣體擴散層20被層疊在電極催化劑18的表面上。另外，陽極側第一氣體通道形成構件21被層疊在氣體擴散層19的表面上，并且陰極側第二氣體通道形成構件22被層疊在氣體擴散層20的表面上。板狀分離器23被結合在第一氣體通道形成構件21的表面上,并且 板狀分離器24被結合在第二氣體通道形成構件22的表面上。如圖14和15所示，第一氣體通道形成構件21包括與分離器23相接觸的基板部分21a，一體地形成在基板部分21a的表面上的凸起21b。被氣體擴散層19的表面所阻塞，形成為氣體通道T的直槽21c形成在相鄰的凸起21b之間。第二氣體通道形成構件22具有與第一氣體通道形成構件21相同的結構。換句話說，第二氣體通道形成構件22包括與分離器24相接觸的基板部分22a，以及一體地形成在基板部分22a的表面上的凸起22b。被氣體擴散層20的表面所阻塞，形成為氣體通道F的直槽22c從而形成在相鄰的凸起22b之間。燃料氣體或者氫氣從形成在這些發(fā)電電池12上的燃料氣體引入通道Ml被供應給氣體通道T，并且氧化氣體從也形成在這些發(fā)電電池12上的氧化氣體或氧氣引入通道Rl (參照圖13所示)被供應給通道F。供應燃料氣體和氧化氣體的結果是燃料氣體和氧化氣體在電極組件15內產生電化學反應從而發(fā)電。沒有在發(fā)電過程中使用的燃料廢氣和氧化廢氣分別從形成在這些發(fā)電電池12上的燃料廢氣排放通道M2和氧化廢氣排放通道R2 (參照圖13所示)被排放到到這些發(fā)電電池12外(參考專利文件I)。現(xiàn)有技術文件專利文件專利文件I :日本專利特開2007-207725號

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題然而，如圖14和15所示的傳統(tǒng)燃料電池中，直槽21c，22c被形成有相同的形狀，從而這些氣體通道形成構件21，22的這些直槽21c，22c的所有橫截面積都相等。因此會產生下面的問題。這就是在本領域所知的，當電能通過這些發(fā)電電池12產生時，因為氫和氧的電化學反應，在陰極側電極催化劑層18和氣體擴散層10上生成水。因為燃料氣體和氧化氣體要在處于通過加濕器加濕后的狀態(tài)被供應給這些發(fā)電電池12，以提高發(fā)電效率，カロ濕水被供應給通道T，F(xiàn)。生成在陰極側的ー些水滲進電極組件15，并用作為滲漏水進入陽極側氣體擴散層19和所體通道形成構件21的直槽21c。當作為滯留水W的前述的生成水和加濕水開始依附和保持在陰極側第二氣體通道形成構件22的直槽22的壁面上時，流過直槽22c的氧化氣體的流量會因為滯留水W而減少，并且產生的電能有限。換句話說，如圖16所示，作為舉例，如果有三個直槽22C;這就是說，如果這些通道F被滯留水W阻塞，氧化氣體不再被供應給對應于位于這些直槽22c的最外部位置的兩個凸起22b之間的寬區(qū)域Al的電極催化劑層18。這就降低了發(fā)電效率。換ー種不同的方式來說，因為任何直槽22c可以被滯留水W阻塞，當生成水和加濕水的量開始增多，被滯留水W所阻塞的這些直槽22c的數(shù)量就會増加，這對發(fā)電效率的降低的影響是無止境的。另外，在圖13所示的這些疊式發(fā)電電池12中，例如，如果滯留水W保持在ー個特定發(fā)電電池12的所有通道T，F(xiàn)，并且燃料氣體和氧化氣體的供應被抑止，并且這些發(fā)電電 池12不能發(fā)電，則繼續(xù)發(fā)電變得不可能。這是因為燃料電池堆11的對應的這些發(fā)電電池12是電氣串聯(lián)連接的。本發(fā)明的目的是提供ー種能抑制發(fā)電效率降低的燃料電池。解決問題的手段為達到以上目的和根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，本發(fā)明提供ー種燃料電池，其包括具有陽極表面和陰極表面的電解質膜，分別層疊在所述電解質膜的所述陽極表面和所述陰極表面的一對電極催化劑層，分別層疊在這對電極催化劑層上的一對氣體通道形成構件，形成在每ー個所述氣體通道形成構件上的多個氣體通道，所述多個氣體通道具有第一氣體通道和第二氣體通道，分別與這對氣體通道形成構件一體地或者獨立地設置的一對分離器，用于分別向這些氣體通道引入燃料氣體和氧化氣體的一對引入通道，和用于分別從這些氣體通道排放燃料廢氣和氧化廢氣的ー對排放通道。所述第一氣體通道和所述第二氣體通道的形狀被確定成在每ー個所述氣體通道形成構件的所述第一氣體通道和所述第二氣體通道之間產生一個流動阻力的差異。這些氣體通道最好被平行地排列，并且所述第一氣體通道和所述第二氣體通道的橫截面積最好互相區(qū)別。所述第一氣體通道是具有低氣體流動阻カ的直氣體通道，并且所述第二氣體通道是具有比所述第一氣體通道的所述流動阻力較大的流動阻カ的迂曲通道。這對分離器中的一個對應分離器與每ー個所述氣體通道形成構件的表面相接觸。每ー個所述氣體通道形成構件具有板狀部分和一體地與所述板狀部分形成的多個凸起，所述多個凸起用于形成這些氣體通道。進ー步地，優(yōu)選地，在所述分離器和所述板狀部分之間形成有多個水通道；每一個所述水通道和這些氣體通道中的至少ー個氣體通道通過形成在所述氣體通道形成構件中的聯(lián)通孔相聯(lián)通；每ー個所述水通道深度被設定成小于每ー個所述氣體通道的深度；并且基于所述燃料氣體和所述氧化氣體的反應所生成的水分基于毛細管作用從每ー個所述氣體通道穿過所述聯(lián)通孔進入所述水通道，并且基于氣體的流動壓カ被排放到所述排放通道。優(yōu)選地，所述排放通道具有內壁；每ー個所述氣體通道在沿著所述氣體的流動方向的下游側上具有開ロ ；所述開ロ延伸至所述排放通道的所述內壁；并且在所述排放通道內，用于提高氣體流速的限制部分形成在對應每一個所述水通道的所述開ロ的位置上。延伸穿過所述板狀部分和所述分離器的一個氣體通道最好形成在所述氣體通道形成構件的所述板狀部分和所述分離器的每ー個所述水通道沿著氣體流動方向的下游的部分的位置上，并且所述氣體通道最好與所述排放通道相聯(lián)通并起到限制部分的作用以用于提聞氣體流速。(運行)在本發(fā)明中，在發(fā)電過程中產生的滲漏水和加濕水作為滯留水附著在多個通道中的具有較大流動阻カ的通道上。不過，因為滲漏水和加濕水幾乎不滯留在具有較低流動阻力的通道內，對電極催化劑的氣體供應被適當?shù)貓?zhí)行。從而，減少了對電極催化劑的氣體供應受到抑制的區(qū)域，從而抑制發(fā)電效率的降低成為可能。本發(fā)明的有益效果
·
根據(jù)本發(fā)明，氣體被適當?shù)毓o電極催化劑層，從而抑制發(fā)電效率的降低和避免發(fā)電停止成為可能。


圖I是沿圖13中的1-1線的剖視圖，以示出根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的燃料電池；圖2是沿圖13中的2-2線的剖視圖，以示出形成燃料電池的發(fā)電電池；圖3是示出第一和第二氣體通道形成構件的透視圖；圖4是發(fā)電電池的主要部分的放大剖視圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的燃料電池的第一氣體通道形成構件和分離器的局部透視圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的燃料電池的第二氣體通道形成構件和分離器的局部透視圖；圖7是沿圖13中的1-1線的剖視圖，以示出根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的形成燃料電池的發(fā)電電池；圖8是示出圖7中的發(fā)電電池的第一和第二氣體通道形成構件的局部附視圖；圖9是沿圖13中的2-2線的剖視圖，以示出根據(jù)本發(fā)明的第三個實施例的形成燃料電池的發(fā)電電池；圖10是沿圖13中的1-1線的剖視圖，以示出根據(jù)本發(fā)明的第四個實施例的形成燃料電池的發(fā)電電池；圖11是示出第一個實施例的改進方案的第一和第二氣體通道形成構件的透視圖；圖12是示出第一個實施例的改進方案的第一和第二氣體通道形成構件的透視圖；圖13是示出燃料電池堆的透視圖；圖14是沿圖13中的2-2線的剖視圖，以示出現(xiàn)有的燃料電池堆的發(fā)電電池；圖15是示出現(xiàn)有的第一和第二氣體通道形成構件的透視圖；以及
圖16是示出現(xiàn)有發(fā)電電池的局部放大剖視圖。
具體實施例方式(第一個實施例)參照圖I至4和13描述根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的燃料電池。如圖13所示，第一個實施例的燃料電池堆11是ー種固體聚合物電極電解質燃料電池，并且包括多個疊放的發(fā)電電池12。如圖I所示，這些發(fā)電電池12各自包括方形的第一和第二框架13，14，定位于第一和第二框架13，14內的作為電極結構的膜電極組件(MEA) 15。第一和第二框架13，14由合成樹脂如合成橡膠制成。燃料氣體的通道空間13a形成在第一框架13內，氧化氣體的通道空間14a形成在第二框架14內。膜電極組件15定位于第一和第二框架13，14之間。 如圖I和2所示，各發(fā)電電池12包括裝在燃料氣體的通道空間13a內的第一氣體通道形成構件21，和裝在燃料氣體的通道空間14a內的第二氣體通道形成構件22。第一氣體通道形成構件21由鐵素體SUS (不銹鋼)、鈦合金、或碳制成。第二氣體通道形成構件22由鐵素體SUS (不銹鋼)、鈦合金、碳、金鍍鈦合金、或金合金制成。另外，各發(fā)電電池12包括板狀第一分離器23和第二分離器24。第一分離器23和第二分離器24由鐵素體SUS (不銹鋼)、鈦合金、或碳制成。第一分離器23通過第一框架13和第一氣體通道形成構件21的密封環(huán)(未示出)粘合。第二離器24通過第二框架14和第二氣體通道形成構件22的密封環(huán)(未示出)粘合。膜電極組件15由固體電解質膜16、第一電極催化劑層17和第二電極催化劑層18、以及具有導電性的第一氣體擴散層19和第二氣體擴散層20形成。第一電極催化劑層17從電解質膜16的陽極表面形成，即，層疊在如圖中所示的上表面上的催化劑。第二電極催化劑層18從電解質膜16的陰極表面形成，即，層疊在如圖中所示的下表面上的催化劑。氣體擴散層19，20分別與電極催化劑層17、18的表面相接觸。固體電解質膜16由氟化聚合物膜形成。各電極催化劑層17、18包含碳顆粒(未示出)。鉬(Pt)制的大量的催化劑顆粒附著于碳顆粒的表面。燃料電池的發(fā)電效率可以通過利用催化劑顆粒的催化效果得以改迸。各氣體擴散層19、20由碳紙形成。現(xiàn)在說明氣體通道形成構件21，22。第一氣體通道形成構件21位于陽極側而第二氣體通道形成構件22位于陰極側，具有相同的結構的，但是第一和第二氣體通道形成構件21，22的安裝方向不同，例如差90度角。第一氣體通道形成構件21和第二氣體通道形成構件22的安裝方向可以是相同的方向或相反的方向。如圖I和3所示，各第一氣體通道形成構件21由與第一分離器23相接觸的基板部分2la、和與基板部分21a的表面一體地形成的多個平行的凸起21b配置而成。由于被氣體擴散層19的表面封堵，相鄰的凸起21b之間形成有第一直槽21c和第二直槽21d (它們分別形成燃料氣體的第一氣體通道Tl和第二氣體通道T2)。第二氣體通道形成構件22由與第二分離器24相接觸的基板部分22a、和與基板部分22a的表面一體地形成的多個平行的凸起22b配置而成。由于被氣體擴散層20的表面封堵，在相鄰的凸起22b之間形成第一直槽22c和第二直槽22d(它們分別形成燃料氣體的第一氣體通道Fl和第二氣體通道F2)。如圖4所示，所有第一和第二直槽21c、21d(22c、22d)的深度dl、d2被設定成相等的深度，并且第一直槽21c (22c)的寬度Wl被設定成比第二直槽22c (22d)的深度W2窄ー些。因此，第一氣體通道Tl (Fl)的燃料氣體或氧化氣體的橫截面積SI被設定成較狹窄以增加氣體的流動阻力。第二氣體通道T2(F2)的燃料氣體或氧化氣體的橫截面積S2被設定成較寬，以使其流動阻カ小于第一氣體通道Tl (Fl)的流動阻力。如圖2所示，引入通道Ml和排放通道M2形成在各發(fā)電電池12的第一和第二框架13,14以及第一和第二分離器23、24上。引入通道Ml用來從燃料氣體供應源(未示出)例如氫氣鋼瓶向通道Tl、T2供應燃料氣體或氫氣。排放通道M2用來將未用來發(fā)電的燃料廢氣排放到發(fā)電電池12外。如圖I所示，引入通道Rl和排放通道R2形成在各發(fā)電電池12的第一和第二框架13、14以及第一和第二 分離器23、24上。入通道Rl用來從氧化氣體供應源(未示出)例如壓縮機向通道FI、F2供應氧化氣體或空氣。排放通道R2用來將未用來發(fā)電的氧化廢氣排放到發(fā)電電池12外?，F(xiàn)在描述具有上述結構的燃料電池的運轉過程。在圖2中，被加濕器(未示出)加濕后的燃料氣體或氫氣通過引入通道Ml被供應進入第一氣體通道形成構件21的通道T1，T2(參照圖I)，并且沿著箭頭所示方向流動。燃料氣體在穿過通道Tl、Τ2內的第一氣體擴散層19而被擴散，并且被均一地供應給第一電極催化劑層17。在圖I中，被加濕器(未示出)加濕后的氧化氣體或氧氣通過引入通道Rl被供應進入第二氣體通道形成構件22的通道F1、F2 (參照圖2)，并且沿著箭頭所示方向流動。燃料氣體在穿過通道Fl、F2內的第二氣體擴散層20而被擴散，并且均一地被供應給第ニ電極催化劑層18。由于供應有燃料氣體和氧化氣體，在膜電極組件15中發(fā)生電極反應，并且電力得以產生。因此，從多個疊放的發(fā)電電池12形成的燃料電池堆11中輸出想要的電力。沒有被用來發(fā)電的ー些燃料氣體被作為燃料廢氣從第一氣體通道形成構件21的通道T1、T2藉由排放通道M2排放到電池堆11外。沒有被用來發(fā)電的ー些氧化氣體被作為氧化廢氣從第一和第二通道F1、F2藉由排放通道R2排放到電池堆11外?；谠谀る姌O組件15中的上述電極反應，在陰極側第二氣體通道形成構件22的通道F1，F(xiàn)2內生成水分。生成的水與加濕水一起基于在第一和第二通道Fl，F(xiàn)2內的流動的氧化氣體的氣流壓力得以被排放到排放通道R2。ー些生成的水分滲進第二電極催化劑層18的陰極側、固體電解質膜16、第一電極催化劑層17和第一氣體擴散層19，并且作為滲漏水流入第一氣體通道形成構件21的通道Tl、T2內。滲漏水與加濕水一起基于在第一和第二通道Tl、T2內的流動的燃料氣體的氣流壓力得以被排放到排放通道M2。陰極側第二氣體通道形成構件22的第一和第二通道Fl，F(xiàn)2內的大部分生成水和加濕水基于氧化氣體的氣流壓力得以朝向氧化氣體排放通道R2排放。殘留的生成水和加濕水附著于第一和第二通道Fl,F2內的壁面上。第一通道Fl的橫截面積SI被設定成窄ー些。從而，生成水和加濕水因為其表面張カ而趨向于滯留，并且滯留水W趨向附著于或滯留在第一通道Fl的內壁表面的ー個較大部分上，如圖4所示。然而，第二通道F2的橫截面積
S2被設定成比第一通道Fl的橫截面積SI寬。滯留水W難以保持在第二通道F2內，并且滯留水W通過氧化氣體的氣流壓力被沖出而幾乎不保持在第二通道F2內。因此，對應于被滯留水W阻塞的第一通道Fl，供應給第二電極催化劑層18的氧化的供應變得不足，電能的產生變得局部地不可能。然而，因為通過第二通道F2給第二電極催化劑層18供應氧化氣體在適當?shù)剡M行，從而可以抑制發(fā)電效率的降低。換句話說，如圖4所示，當ー個第一通道Fl被滯留水W阻塞時，氣體擴散層19被兩凸起22b和滯留水W屏蔽，不能發(fā)電的區(qū)域是Al表示的區(qū)域。然而，由于第二通道F2不會被滯留水阻塞，比區(qū)域Al寬的區(qū)域A2是可以一直發(fā)電的區(qū)域。同時，在陽極側第一氣體通道形成構件21的第一和第二通道T1、T2內的滲漏水和加濕水基于燃料氣體的氣流壓力得以朝向燃料氣體排放通道M2排放。殘留的滲漏水和加濕水附于第一和第二通道Τ1，Τ2的內壁表面。因為第一通道Fl的橫截面積SI被設定成較窄，殘留的滲漏水和加濕水因為其表面張カ而成為滯留水W，并且趨向附著于和保持在第一氣體通道Tl的內壁表面的ー個較大面積上。然而，因為第二通道F2的橫截面積S2被設定成比第一通道Fl的橫截面積SI寬，滯留水W難以保持在第二氣體通道Τ2內，并且滯留水W通過通過氧化氣體的氣流壓力被沖出而幾乎不滯留在第二通道F2內。因此，可以通過第二通道F2適當?shù)亟o第二電極催化劑層18供應氧化氣體，從而可以抑制發(fā)電效率的降低。根據(jù)第一個實施例的燃料電池，下述優(yōu)點可以被獲得。 (I)第一氣體通道形成構件21的第一通道Tl的橫截面積SI被設定成窄ー些，并且第二通道Τ2的橫截面積S2被設定成比第一通道Tl的橫截面積SI寬。另外，第二氣體通道形成構件22的第一通道Fl的橫截面積SI被設定成較狹窄，并且第二通道F2的橫截面積S2被設定成比第一通道Fl的橫截面積。
權利要求
1.ー種燃料電池，包括 具有陽極表面和陰極表面的電解質膜； 分別層疊在所述電解質膜的陽極表面和陰極表面的一對電極催化劑層； 分別層疊在這對電極催化劑層上的一對氣體通道形成構件； 形成在每個氣體通道形成構件上的多個氣體通道，所述多個氣體通道具有第一氣體通道和第二氣體通道； 分別與這對氣體通道形成構件一體地或者獨立地設置的一對分離器； 用于分別將燃料氣體和氧化氣體引入所述氣體通道的一對引入通道；和 用于分別將燃料廢氣和氧化廢氣從所述氣體通道排出的一對排放通道， 所述燃料電池的特征在于，所述第一氣體通道和所述第二氣體通道被成形為，在每個氣體通道形成構件中的所述第一氣體通道和所述第二氣體通道之間產生流動阻カ的差異。
2.根據(jù)權利要求I所述的燃料電池，其特征在于這些氣體通道被平行地排列，其中所述第一氣體通道和所述第二氣體通道的橫截面積互不相同。
3.根據(jù)權利要求I所述的燃料電池，其特征在于所述第一氣體通道是具有低氣體流動阻力的直氣體通道，并且所述第二氣體通道是具有比所述第一氣體通道的所述流動阻カ大的流動阻カ的迂曲通道。
4.根據(jù)權利要求I所述的燃料電池，其特征在干， 所述ー對分離器中的對應分離器與各所述氣體通道形成構件的表面相接觸， 各所述氣體通道形成構件具有 板狀部分；和 與所述板狀部分一體地形成的多個凸起，所述多個凸起用于形成所述氣體通道，并且其中 在所述分離器和所述板狀部分之間形成有多個水通道， 各所述水通道、以及所述氣體通道中的至少ー個氣體通道經由形成在所述氣體通道形成構件中的連通孔相連通， 各所述水通道深度被設定成小于各所述氣體通道的深度，并且基于所述燃料氣體和所述氧化氣體的反應所生成的水分由于毛細管作用從各所述氣體通道穿過所述連通孔進入所述水通道，并且由于氣體的流動壓カ被排放到所述排放通道。
5.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池，其特征在于 所述排放通道具有內壁， 各所述氣體通道在沿著所述氣體的流動方向的下游側上具有開ロ， 所述開ロ延伸至所述排放通道的所述內壁，并且 在所述排放通道內，在對應各所述水通道的所述開ロ的位置處形成有用于提高氣體流速的限制部分。
6.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池，其特征在于 在所述氣體通道形成構件的所述板狀部分和所述分離器的各所述水通道沿氣體流動方向的下游部分處，形成有延伸通過所述板狀部分和所述分離器的氣體通道，以及 所述氣體通道與所述排放通道相連通并起到用于提高氣體流速的限制部分的作用。
全文摘要
由固體電解質膜(16)和置于一對框架(13，14)之間的電極催化劑層(17，18)形成的膜電極組件。氣體擴散層(19)層疊在電極催化劑層(17)表面上，同時氣體擴散層(20)層疊在電極催化劑層(18)表面上。第一氣體通道形成構件(21)層疊在氣體擴散層(19)表面上，同時第二氣體通道形成構件(22)層疊在氣體擴散層(20)表面上。分離器(23)與框架(13)表面和第一氣體通道形成構件(21)接觸，同時分離器(24)與框架(14)表面和第二氣體通道形成構件(22)接觸。多個第一和第二直槽(21c，21d)形成在第一氣體通道形成構件(21)上，從而其寬度(w1，w2)不同。從而第一和第二氣體通道(T1，T2)的路徑橫截面積設定為不同。
文檔編號H01M8/02GK102725896SQ20108006216
公開日2012年10月10日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權日2010年1月19日
發(fā)明者二見諭, 川尻浩右, 林友和, 橋本圭二 申請人:豐田車體株式會社