專(zhuān)利名稱(chēng)：固體高分子形燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)氫與氧的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的固體高分子形燃料電池。
背景技術(shù)：
對(duì)于固體高分子形燃料電池而言，固體高分子電解質(zhì)膜及其兩側(cè)以燃料極催化劑層(下面稱(chēng)作陽(yáng)極)與氧化劑極催化劑層(下面稱(chēng)作陰極)被覆的電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體(membrane electrodeassembly =MEA)的兩側(cè)，以多孔碳材料構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層夾持。另外，把該兩側(cè)配置了用于供給燃料氣體及氧化劑氣體的雙極板而構(gòu)成的多個(gè)單位發(fā)電單元加以層疊，形成層疊體(下面稱(chēng)作組=Stack)，該層疊體的兩端用緊固板夾緊，構(gòu)成燃料電池組(fuel cell stack)。雙極板，一般是其一面具有燃料氣體或氧化劑氣體的流路，而另一面具有冷卻介質(zhì)流路，例如，把金屬薄板通過(guò)壓制加工成形為凹凸而制成。在采用該雙極板的燃料電池中，在陽(yáng)極側(cè)，燃料氣體流路的凸面(下面稱(chēng)作肋部)與氣體擴(kuò)散層連接，而在陰極側(cè)，氧化劑氣體流路的肋部與氣體擴(kuò)散層連接。在該接觸部分，進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生的電子授受，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱傳給冷卻介質(zhì)。另外，燃料氣體或氧化劑氣體流過(guò)凹部，介由氣體擴(kuò)散層供給電極催化劑。燃料電池，與其他的動(dòng)力源相比，由于效率高，環(huán)境負(fù)荷低，故在不斷進(jìn)行作為固定用分散電源或車(chē)載用電源的實(shí)用化。例如，當(dāng)用作車(chē)載用電源時(shí)，要求實(shí)現(xiàn)小型、輕量這樣的高輸出功率密度。因此，要求全部發(fā)電面進(jìn)行一樣的發(fā)電，減少不直接貢獻(xiàn)于發(fā)電的部件。原來(lái)的雙極板是把金屬薄板采用壓制加工，形成反應(yīng)氣體流路，其作用被分割為僅在與氣體擴(kuò)散層接觸的肋部通電，而流路部擔(dān)起氣體擴(kuò)散的作用，主要通過(guò)肋部或流路寬度的大小，產(chǎn)生通電部與氣體擴(kuò)散部的分布。為使均勻發(fā)電，必需把肋部與流路的寬度加以細(xì)分，但從加工的觀點(diǎn)看，細(xì)分是有限度的?？紤]了如下方法反應(yīng)氣體流路采用細(xì)孔連通的多孔體，代替這種壓制加工雙極板。即，當(dāng)采用多孔體時(shí)，作為通電部分的多孔體骨架部與氣體擴(kuò)散部分的細(xì)孔可能達(dá)到均勻混合。由此，可以謀求發(fā)電反應(yīng)的均勻化，可以期待輸出功率的增加。但是，僅通過(guò)反應(yīng)氣體流路多孔化，對(duì)實(shí)現(xiàn)高輸出功率密度也有限度。為要得到更高輸出功率，必需謀求反應(yīng)氣體流路以外部分的冷卻介質(zhì)流路中冷卻的高冷卻密度化，必需削減燃料電池組內(nèi)的冷卻部數(shù)目。特別是，如冷卻部與發(fā)電部達(dá)到一體化，則燃料電池可能達(dá)到更加緊湊。例如，當(dāng)向反應(yīng)氣體流路同時(shí)導(dǎo)入反應(yīng)氣體與冷卻水時(shí)，通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生的熱使冷卻水蒸發(fā)，因奪取蒸發(fā)潛熱而得到冷卻效果。作為向反應(yīng)氣體中供水的方法，專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了通過(guò)水分的高壓噴射所致的細(xì)微水滴的反應(yīng)氣體導(dǎo)入方法。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 特開(kāi)2007-87805號(hào)公報(bào)
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題專(zhuān)利文獻(xiàn)1公開(kāi)的細(xì)微水滴導(dǎo)入方法，每單位發(fā)電單元具有細(xì)微水滴導(dǎo)入機(jī)構(gòu)， 可以期待各單元中均勻的冷卻。但是，為了形成細(xì)微水滴，必需以高壓噴水，故因輔機(jī)及驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的增加而使燃料電池系統(tǒng)的小型化困難。本發(fā)明是鑒于這些課題提出的，本發(fā)明的目的是提供一種采用簡(jiǎn)易的冷卻結(jié)構(gòu)、 實(shí)現(xiàn)小型化的燃料電池。用于解決課題的手段本發(fā)明的固體高分子形燃料電池，其是把以電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體、向上述接合體的燃料極供給燃料氣體的導(dǎo)電性氣體擴(kuò)散層、具有燃料氣體流路的導(dǎo)電性隔膜， 以及，向上述接合體的氧化劑極供給氧化劑氣體的導(dǎo)電性氣體擴(kuò)散層、具有氧化劑氣體供給流路的導(dǎo)電性隔膜、把燃料氣體流路與氧化劑氣體流路隔開(kāi)的雙極板所構(gòu)成的多個(gè)單位發(fā)電單元加以層疊的固體高分子形燃料電池，其具有以下的特征1)其特征在于，反應(yīng)氣體流路(燃料氣體流路及氧化劑氣體流路)由導(dǎo)電性多孔體的連通細(xì)孔構(gòu)成，向陰極側(cè)氣體流路混入、供給氧化劑氣體與液體水。2)其特征在于，對(duì)與構(gòu)成陰極側(cè)氣體流路的多孔體的發(fā)電面?zhèn)认喾吹拿鎸?shí)施溝加工。3)其特征在于，把陽(yáng)極側(cè)氣體流路與陰極側(cè)氣體流路加以隔開(kāi)的雙極板是與反應(yīng)氣體流路的多孔體相比氣體透過(guò)系數(shù)小的多孔板。4)其特征在于，上述多孔板為親水性的。發(fā)明效果按照本發(fā)明，制成反應(yīng)氣體流路由多孔體構(gòu)成，與雙極板接觸的面上具有流路溝的結(jié)構(gòu)，與電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體相向的面，可以全面地與多孔體接觸，通過(guò)該細(xì)孔，把反應(yīng)氣體供給電極催化劑的全部面上，因此，可在電極催化劑的全部面上進(jìn)行反應(yīng)。 另外，氧化劑氣體中混入液體水，由于可通過(guò)蒸發(fā)潛熱進(jìn)行冷卻，從而可以減少冷卻元件， 使燃料電池組薄型化。


圖1為本發(fā)明涉及的燃料電池的第一實(shí)施方案中采用的單位電池的部分?jǐn)嗝婺M圖。圖2為本發(fā)明涉及的燃料電池的第二實(shí)施方案中采用的單位電池的部分?jǐn)嗝婺M圖。圖3為表示本發(fā)明涉及的燃料電池的實(shí)施方案中采用的含多孔氣體流路的雙極板的結(jié)構(gòu)的模擬平面圖。以具有多孔氣體流路溝的面作為基準(zhǔn)的模擬圖，波紋線為含有供給-排出反應(yīng)氣體的集合管的雙極板的投影圖。圖4為本發(fā)明涉及的燃料電池的實(shí)施方案中采用的燃料電池組構(gòu)成與系統(tǒng)的概略圖。符號(hào)的說(shuō)明1 固體高分子電解質(zhì)膜2 陽(yáng)極
3陰極
4陽(yáng)極側(cè)氣體擴(kuò)散層
5陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層
6陽(yáng)極側(cè)多孔氣體流路
7陰極側(cè)多孔氣體流路
8多孔雙極板
9雙極板
10陰極側(cè)流路溝
11陽(yáng)極側(cè)流路溝
12電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體
21氧化劑氣體供給集合管
22燃料氣體供給集合管
23氧化劑氣體排出集合管
24燃料氣體排出集合管
25密封墊
51液體水注入泵
52氧化劑氣體風(fēng)機(jī)
53熱交換器
54冷凝水回收罐
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的燃料電池參照附圖對(duì)實(shí)施例加以說(shuō)明。實(shí)施例1圖1為本發(fā)明涉及的燃料電池的第一實(shí)施方案中采用的單位電池的斷面模擬圖， 為相對(duì)反應(yīng)氣體的流向成直角的斷面。單位電池由固體高分子電解質(zhì)膜1、固體高分子電解質(zhì)膜1的兩面上配置的由催化劑層的陽(yáng)極2、陰極3構(gòu)成的電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體 12，于催化劑層2、3的外側(cè)分別配置的氣體擴(kuò)散層4、5，多孔氣體流路6，7及多孔雙極板8 所構(gòu)成。其中，有時(shí)省略氣體擴(kuò)散層。另外，未加以圖示，單位電池上具有用于防止反應(yīng)氣體與冷卻水的泄漏的密封墊部件。固體高分子電解質(zhì)膜1由含烴的固體高分子材料構(gòu)成，電極-催化劑層2及3為負(fù)載了鉬等催化劑的碳糊膏，氣體擴(kuò)散層4及5由使碳纖維粘接的碳糊膏或碳?xì)謽?gòu)成。本發(fā)明中使用的電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體12采用耐80°C以上、最好耐90°C以上的燃料電池運(yùn)行溫度的材料。下面，對(duì)燃料氣體為氫、氧化劑氣體為空氣加以說(shuō)明，只要燃料氣體為富氫的氣體即可，氧化劑氣體最好為氧。多孔氣體流路6，7為由金屬材料構(gòu)成的多孔體，作為材料，可以選自鈦，鋁，鎂， 鎳，鉻，鉬及含它們一部分的例如SUS等合金等。采用發(fā)泡或燒結(jié)，細(xì)微金屬纖維的粘接等加以制造，采用空隙率在75%以上，含氣孔徑在200 μ m以上的細(xì)孔的多孔體。 陰極側(cè)多孔氣體流路7中，在與多孔雙極板8相向的面上，通過(guò)壓制加工或切削加工等形成多個(gè)陰極側(cè)流路溝10。陰極側(cè)流路溝10，在圖3中在氣流方向成直線形狀，但又不限于直線狀，包含曲線的形狀，由直線與曲線構(gòu)成的溝等也適用。從如圖3的虛線所圖示的氧化劑氣體供給集合管21，使作為反應(yīng)氣體的空氣與供給的液體水，在陰極側(cè)流路溝10中流通。為使氧化劑空氣，在多孔氣體流路7的細(xì)孔中流動(dòng)，向陰極3有效供給氣體，作為陰極流路溝10的尺寸，希望深度在陰極側(cè)多孔氣體流路7的1/2以下。另外，在圖1所示的斷面中，流路溝斷面積的總和，希望在陰極側(cè)多孔氣體流路7的斷面積的1/4以下。另外， 為使供給多個(gè)陰極側(cè)流路溝10的液體水在發(fā)電面內(nèi)均勻分配，在陰極側(cè)流路溝10的出入口部也可設(shè)置未圖示的整流部。供給的液體水量由電極面積、最大工作電流密度來(lái)決定，使其為對(duì)發(fā)電時(shí)的發(fā)熱量可通過(guò)蒸發(fā)潛熱加以冷卻的量。把混合了液體水的氧化劑空氣，導(dǎo)入由多孔體構(gòu)成的陰極側(cè)多孔氣體流路7。陰極側(cè)多孔氣體流路7，從電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體12，把通過(guò)發(fā)電產(chǎn)生的熱加以傳導(dǎo)，供給的液體水通過(guò)與形成陰極側(cè)多孔氣體流路7的金屬多孔體骨架部分接觸而蒸發(fā)。此時(shí)， 由于從多孔體骨架奪取蒸發(fā)潛熱，故在反應(yīng)氣體中的冷卻成為可能。與原來(lái)的流路溝結(jié)構(gòu)相比，形成比表面積可增大的多孔流路，在本發(fā)明中是必要的。蒸發(fā)的水蒸氣與殘留的反應(yīng)氣體一起從反應(yīng)氣體排出集合管26排出。由此，不另外設(shè)置冷卻元件，也可把燃料電池保持在規(guī)定的溫度，對(duì)燃料電池的小型化有效果。特別是燃料電池運(yùn)行溫度在90°C以上時(shí)，可僅通過(guò)蒸發(fā)潛熱的冷卻效果進(jìn)行冷卻，通過(guò)滲出供給反應(yīng)氣體中的液體水的流量，與原來(lái)獨(dú)立地采用冷卻元件，利用液體水的顯熱冷卻的燃料電池相比，可大幅減少。多孔雙極板8，由上述多孔氣體流路6、7中使用的金屬材料或碳作為主原料的材料等形成，氣體透過(guò)系數(shù)與上述多孔氣體流路6、7或氣體擴(kuò)散層4及5相比要小。通過(guò)采用這種構(gòu)成，可把供給陰極側(cè)多孔氣體流路7中形成的多個(gè)陰極側(cè)流路溝10的液體水或因電化學(xué)反應(yīng)生成的水加以吸收，通過(guò)毛細(xì)管力保持水分。通過(guò)這樣，多孔雙極板8變成不透氣，作為燃料氣體的氫與作為氧化劑氣體的空氣可被分離。從保持水的觀點(diǎn)考慮，希望多孔雙極板8的潤(rùn)濕性為親水性。保持的水分可介由陽(yáng)極側(cè)多孔氣體流路6供給陽(yáng)極，可以防止高電流密度工作中固體高分子電解質(zhì)膜1的干燥。當(dāng)陽(yáng)極側(cè)多孔氣體流路6與陰極側(cè)多孔氣體流路7中產(chǎn)生顯著的壓力損失不同時(shí)，則擔(dān)心氣體從壓力高的一側(cè)泄漏。當(dāng)處于該工作條件時(shí)，壓力損失低的多孔氣體流路的多孔體，與壓力損失高的多孔氣體流路的多孔體相比，通過(guò)氣孔率、氣孔徑的組合，使氣體透過(guò)系數(shù)變小。另外，即使多孔氣體流路的厚度變薄，氣體透過(guò)系數(shù)仍可變小，以使陽(yáng)極側(cè)多孔氣體流路6與陰極側(cè)多孔氣體流路7中的壓力損失變小。圖4為表示本實(shí)施例使用的組的一部分的斷面圖。圖4為表示圖3的隔膜加以組化時(shí)的A-A斷面。電池的層疊顯示與圖1同樣，夾持固體高分子電解質(zhì)膜1，形成上部為陽(yáng)極、下部為陰極的構(gòu)成例。圖4的組部分，從上往下依次為陽(yáng)極側(cè)多孔流路6、陽(yáng)極側(cè)氣體擴(kuò)散層4、電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體12、陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層5、陰極側(cè)多孔流路7、雙極板 8，然后，為陽(yáng)極側(cè)多孔流路6，成為這樣的重復(fù)過(guò)程。另外，通過(guò)密封墊25，防止反應(yīng)氣體向外部泄漏以及在集合管周邊的燃料氣體與氧化劑氣體的混入。電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體12，在發(fā)電部分涂布電極催化劑，而在集合管周邊部，與密封墊25接觸的部分，不涂布電極催化劑。向燃料電池組的氣體供給系統(tǒng)，包含供給氧化劑空氣的氧化劑氣體風(fēng)機(jī)52、向氧化劑空氣供給液體水的液體水注入泵51以及連結(jié)氧化劑氣體供給集合管21的配管系統(tǒng)、 從氧化劑氣體排出集合管23排出未反應(yīng)氣體和水蒸氣的配管系統(tǒng)。對(duì)燃料系統(tǒng)未加以圖示，但供給通過(guò)風(fēng)機(jī)或氫氣瓶的壓力來(lái)進(jìn)行。從氧化劑氣體風(fēng)機(jī)52供給的空氣，在途中配管處，與從液體水注入泵51供給的液體水合流，供給氧化劑氣體供給集合管。在集合管中把氧化劑氣體與液體水供給各自的電池，如圖1的說(shuō)明所述，通過(guò)液體水蒸發(fā)，可把電池內(nèi)溫度保持一定。排出氣體從氧化劑氣體排出集合管23，通過(guò)排出系統(tǒng)配管向組外部排出。液體水也可從外部供給，而排出氣體中的水分，介由熱交換器53冷凝，存入冷凝水回收罐M而再利用，由此，發(fā)電反應(yīng)中生成的水可有效利用，使系統(tǒng)的緊湊化成為可能。在上述實(shí)施方案中，反應(yīng)氣體流路由多孔體構(gòu)成，通過(guò)采用與雙極板接觸的面上具有流路溝的結(jié)構(gòu)，與夾持電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體12的氣體擴(kuò)散層5相向的面，由于可遍及全面地與多孔體接觸，反應(yīng)氣體可供給電極催化劑的全面，故在電極催化劑全面上可形成均勻的反應(yīng)。另外，由于氧化劑氣體中混入液體水，通過(guò)蒸發(fā)潛熱進(jìn)行冷卻，故可削減冷卻元件，使燃料電池組的薄型化成為可能。實(shí)施例2圖2為表示本發(fā)明涉及的燃料電池的第二實(shí)施方案中采用的單位電池?cái)嗝娴囊徊糠值哪M圖，其為相對(duì)反應(yīng)氣體的流向成直角的斷面。作為本發(fā)明的第二實(shí)施例，提供一種在陽(yáng)極側(cè)多孔氣體流路6中，在與雙極板9相向的面上，具有陽(yáng)極側(cè)流路溝11，并且具有由金屬平板構(gòu)成的雙極板9的燃料電池。雙極板9，采用厚度0.2mm以下的純金屬或合金、或這些的多塊金屬板加以層疊、 壓延成的金屬包層材料。作為材質(zhì)，例如，可以采用鈦、SUS、鋁、鎂等。當(dāng)雙極板9采用金屬平板時(shí)，供給陰極側(cè)氣體流路7的液體水或發(fā)電反應(yīng)所致的生成水，不能供給陽(yáng)極側(cè)流路11。因此，在與陽(yáng)極側(cè)多孔氣體流路6的雙極板9相向的面上也設(shè)置陽(yáng)極側(cè)流路溝11，與陰極側(cè)流路溝10同樣供給液體水。供給的液體水一部分發(fā)生蒸發(fā)，可用于陽(yáng)極的保濕。與可靠地進(jìn)行冷卻的陰極側(cè)流路溝10相比，供給的水量可進(jìn)一步減少。因此，陽(yáng)極側(cè)流路溝11與陰極側(cè)流路溝10相比，圖2所示的斷面中，設(shè)定的每條流路溝的斷面積變小。此時(shí)，設(shè)定的流路寬度以及流路深度比陰極側(cè)流路溝10小。另外，設(shè)定的由多個(gè)構(gòu)成的陽(yáng)極側(cè)流路溝11的總斷面積也變小。采用這樣的構(gòu)成時(shí)，通過(guò)使用金屬板構(gòu)成的雙極板9可以可靠地實(shí)現(xiàn)不透氣。另外，也向陽(yáng)極側(cè)流路溝11供水，在發(fā)電反應(yīng)中，補(bǔ)充質(zhì)子及向陰極側(cè)移動(dòng)的水分，可以防止固體高分子電解質(zhì)膜1的陽(yáng)極側(cè)的干燥。
權(quán)利要求
1.固體高分子形燃料電池，其是把以電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體、向上述接合體的燃料極供給燃料氣體的導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層、燃料氣體流路、以及、向上述接合體的氧化劑極供給氧化劑氣體的導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層、氧化劑氣體供給流路、把燃料氣體流路與氧化劑氣體流路加以隔開(kāi)的雙極板所構(gòu)成的單位發(fā)電單元多個(gè)加以層疊的固體高分子形燃料電池，其特征在于，上述燃料氣體流路以及氧化劑氣體流路以導(dǎo)電性多孔體構(gòu)成，向上述氧化劑氣體流路混入、供給氧化劑氣體及液體水。
2.按照權(quán)利要求1所述的固體高分子形燃料電池，其特征在于，在與構(gòu)成上述氧化劑氣體流路的多孔體的發(fā)電面?zhèn)认喾吹拿嫔蠈?shí)施溝加工。
3.按照權(quán)利要求2所述的固體高分子形燃料電池，其特征在于，把上述燃料氣體流路與氧化劑氣體流路隔開(kāi)的雙極板，與構(gòu)成燃料氣體流路及氧化劑氣體流路的多孔體相比， 為氣體透過(guò)系數(shù)小的多孔板。
4.按照權(quán)利要求3所述的固體高分子形燃料電池，其特征在于，上述多孔板為親水性的。
5.按照權(quán)利要求2所述的固體高分子形燃料電池，其特征在于，在與構(gòu)成上述燃料氣體流路的多孔體的發(fā)電面?zhèn)认喾吹拿嫔蠈?shí)施溝加工。
6.按照權(quán)利要求5所述的固體高分子形燃料電池，其特征在于，燃料氣體流路上形成的溝的斷面積比氧化劑氣體流路上形成的溝的斷面積小。
7.按照權(quán)利要求5所述的固體高分子形燃料電池，其特征在于，把上述燃料氣體流路與氧化劑氣體流路隔開(kāi)的雙極板以金屬板構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供通過(guò)在陰極進(jìn)行有效冷卻，在高電流密度下工作時(shí)，電池溫度保持適當(dāng)?shù)男⌒腿剂想姵?。其是把以電解質(zhì)膜-電極催化劑接合體、向上述接合體的燃料極供給燃料氣體的導(dǎo)電性氣體擴(kuò)散層、具有燃料氣體流路的導(dǎo)電性隔膜、以及、向上述接合體的氧化劑極供給氧化劑氣體的導(dǎo)電性氣體擴(kuò)散層、具有氧化劑氣體供給流路的導(dǎo)電性隔膜、把燃料氣體流路與氧化劑氣體流路加以隔開(kāi)的雙極板所構(gòu)成的多個(gè)單位發(fā)電單元加以層疊的固體高分子形燃料電池，其特征在于，上述燃料氣體流路以及氧化劑氣體流路以導(dǎo)電性多孔體構(gòu)成，向上述氧化劑氣體流路混入、供給氧化劑氣體及液體水。
文檔編號(hào)H01M8/10GK102195058SQ20111004604
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者奧澤務(wù), 小境正也 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所