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)明涉及層疊有在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配設(shè)了一對(duì)電極的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體 和隔板的固體高分子型燃料電池。
背景技術(shù)：
例如，固體高分子型燃料電池具備由一對(duì)隔板夾持電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(MEA) 的發(fā)電單元，其中所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體在由高分子離子交換膜形成的電解質(zhì)膜的兩 側(cè)分別配設(shè)了陽極側(cè)電極及陰極側(cè)電極。這種燃料電池通常通過層疊規(guī)定數(shù)量(例如幾 百)的發(fā)電單元，而作為車載用燃料電池堆使用。在上述燃料電池中，通過經(jīng)由燃料氣體流路供給到陽極側(cè)電極的燃料氣體(例如 主要含有氫的氣體)與經(jīng)由氧化劑氣體流路供給到陰極側(cè)電極的氧化劑氣體(例如主要含 有氧的氣體或空氣)的電化學(xué)反應(yīng)，而獲得電力。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，所述水通過反擴(kuò)散向 陽極側(cè)電極透過。從而，結(jié)露水特別容易滯留在氧化劑氣體流路及燃料氣體流路各自的下 游側(cè)，在電極部與水滯留部重疊的區(qū)域，通常在電極端部，電解質(zhì)膜顯著溶脹(膨潤(rùn))而導(dǎo) 致燃料氣體向陰極側(cè)電極的穿透泄漏增大，所述電解質(zhì)膜可能會(huì)劣化。因此，例如已知有專利文獻(xiàn)1所公開的燃料電池的單元。這種燃料電池的單元具 備電解質(zhì)膜；膜電極接合體，其具有接合在該電解質(zhì)膜的一面而供給空氣的陰極、接合在 該電解質(zhì)膜的另一面而供給燃料的陽極；成對(duì)的導(dǎo)電性材料制的隔板，其以在該陰極側(cè)形 成空氣室且在該陽極側(cè)形成燃料室的方式夾持該膜電極接合體。并且，在空氣室及燃料室的至少一方的出口設(shè)有連通面積縮小了的節(jié)流部。例如， 對(duì)于空氣室而言，由于空氣的流速在出口變大，適當(dāng)?shù)爻タ諝馐覂?nèi)的水滴，因此，對(duì)于單 元來說，即使動(dòng)作條件不同，也不會(huì)對(duì)空氣向陰極的供給產(chǎn)生阻礙，從而陰極整體適當(dāng)?shù)剡M(jìn) 行反應(yīng)，單元電壓穩(wěn)定。專利文獻(xiàn)1 日本特開2007-2；34352號(hào)公報(bào)然而，在上述專利文獻(xiàn)1中，由于在空氣室及燃料室的至少一方的出口設(shè)有節(jié)流 部，因此在該節(jié)流部壓力損失增大，燃料電池系統(tǒng)的效率可能會(huì)降低。并且，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜 化、制造成本高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問題而提出，其目的在于提供一種固體高分子型燃料電池，其能 夠以簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)阻止水集中而滯留在電極發(fā)電部的端部附近，盡可能地阻止因與 所述電極發(fā)電部的端部附近對(duì)應(yīng)的電解質(zhì)膜的溶脹而引起的劣化。本發(fā)明提供一種固體高分子型燃料電池，其層疊有在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配設(shè)了陽極 側(cè)電極及陰極側(cè)電極的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體和隔板，且在所述陽極側(cè)電極與一方的隔板 之間形成有使燃料氣體沿重力方向流通的燃料氣體流路，在所述陰極側(cè)電極與另一方的隔板之間形成使氧化劑氣體沿所述重力方向流通的氧化劑氣體流路。該燃料氣體流路的下端位置與氧化劑氣體流路的下端位置被設(shè)定為在重力方向 上不同的位置。另外，優(yōu)選電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體的構(gòu)成電極的催化劑涂敷區(qū)域的下端位置設(shè)定 為比燃料氣體流路的下端位置及氧化劑氣體流路的下端位置靠上方且離開燃料氣體流路 的下端位置及氧化劑氣體流路的下端位置的位置。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，燃料氣體流路的下端位置與氧化劑流露的下端位置在重力方向上不 同，因此各自的水滯留位置在所述重力方向上錯(cuò)開。從而，能夠抑制水集中而滯留在電極發(fā) 電部的端部附近的情況，且能夠以簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)盡可能地阻止因所述電解質(zhì)膜的溶 脹引起的劣化。


圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的燃料電池的主要部分分解立體說明圖。
圖2是所述燃料電池的圖1中II-II線剖面說明圖。
圖3是構(gòu)成所述燃料電池的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體的主視說明圖。
圖4是構(gòu)成所述燃料電池的第二隔板的主視說明圖。
圖5是所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體的催化劑涂敷區(qū)域與氧化劑氣體流路及燃料氣體流路的關(guān)系說明圖。
圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的燃料電池的主要部分分解說明圖。
符號(hào)說明
10、60燃料電池
12,62電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)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
24b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
28a,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
34b, 40b下端位置
36a、42a 入口緩沖部
4
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)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的燃料電池10通過利用第一隔板14 及第二隔板16夾持電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12而構(gòu)成。在燃料電池10的長(zhǎng)邊方向(箭頭C方向)的上端緣部設(shè)有沿箭頭A方向相互連 通的氧化劑氣體入口連通孔20a、燃料氣體入口連通孔22a，其中，所述氧化劑氣體入口連 通孔20a用于供給氧化劑氣體、例如含氧氣體，所述燃料氣體入口連通孔2 用于供給燃料 氣體、例如含氫氣體。在燃料電池10的長(zhǎng)邊方向(箭頭C方向)的下端緣部設(shè)有沿箭頭A方向相互連 通的燃料氣體出口連通孔22b、氧化劑氣體出口連通孔20b，其中，所述燃料氣體出口連通 孔22b用于排出燃料氣體，所述氧化劑氣體出口連通孔20b用于排出氧化劑氣體。在燃料電池10的短邊方向(箭頭B方向)的一端緣部設(shè)有沿箭頭A方向相互連 通的用于供給冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)入口連通孔Ma，且在所述燃料電池10的短邊方向上的 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-電極結(jié)構(gòu)體12具備例如水浸漬于全氟磺酸的薄膜 的固體高分子電解質(zhì)膜26、夾持所述固體高分子電解質(zhì)膜沈的陰極側(cè)電極觀及陽極側(cè)電 極30。構(gòu)成陽極側(cè)電極30的表面及比陰極側(cè)電極觀的表面積小的所謂的階梯型MEA。如圖2所示，陰極側(cè)電極觀具有由碳素紙等構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層28a和將在表面擔(dān) 載有白金合金的多孔質(zhì)碳粒子一樣地涂敷于所述氣體擴(kuò)散層^a的表面上而形成的電極 催化劑層^b。陽極側(cè)電極30具有由碳素紙構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層30a和將在表面擔(dān)載有白金 合金的多孔質(zhì)碳粒子一樣地涂敷于所述氣體擴(kuò)散層30a的表面上而形成的電極催化劑層 30b。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。如后所述，電極催 化劑層^b、30b中的任一方形成在固體高分子電解質(zhì)膜沈的兩面上的規(guī)定的催化劑涂敷 區(qū)域H內(nèi)(參照?qǐng)D幻。即，電極催化劑層^b、30b的下端位置在重力方向上相互錯(cuò)開，一方 形成在催化劑涂敷區(qū)域H內(nèi)，另一方形成在所述催化劑涂敷區(qū)域H外(下方)。具體而言， 優(yōu)選構(gòu)成陽極側(cè)電極30的電極催化劑層30b形成在催化劑涂敷區(qū)域H外，構(gòu)成陰極側(cè)電極 28的電極催化劑層28b形成在所述催化劑涂敷區(qū)域H內(nèi)。第一隔板14及第二隔板件16例如由鋼板、不銹鋼板、鋁板、鍍敷處理鋼板、或?qū)υ?金屬表面實(shí)施了防腐蝕用的表面處理的縱長(zhǎng)形狀的金屬板構(gòu)成。就第一隔板14及第二隔 板16來說，平面為長(zhǎng)方形狀，且具有縱長(zhǎng)形狀，并且通過將金屬制薄板沖壓加工成波形狀， 由此成形為截面凹凸形狀。需要說明的是，也可以代替金屬隔板，例如由碳隔板構(gòu)成第二隔 板14及第二隔板16。如圖1所示，在第一隔板14的朝向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的面14a上形成有 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的氧化劑氣體流路34。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的入口附近及出口附近分別設(shè)有多個(gè)具有壓花的入口緩沖部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與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-電極結(jié)構(gòu)體12的面16a上形成有 連通燃料氣體入口連通孔2 與燃料氣體出口連通孔22b的氧化劑氣體流路40。氧化劑氣 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，且在所述燃料氣體流路40的入 口附近及出口附近分別設(shè)有多個(gè)具有壓花的入口緩沖部4 及出口緩沖部42b。燃料氣體 的流動(dòng)方向與氧化劑氣體的流動(dòng)方向設(shè)定為相同方向。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)供給孔 部44a、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5所示，燃料氣體流路40的下端位置40b與氧化劑氣體流路34的下端位置 34b在重力方向(箭頭方向C)上的位置不同。在第一實(shí)施方式中，燃料氣體流路40的下端 位置40b設(shè)定為比氧化劑氣體流路34的下端位置34b向下方突出距離hi的位置。氧化劑 氣體流路34的下端位置34b設(shè)定為比電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的催化劑涂敷區(qū)域H的下 端位置向下方突出距離h2的位置。具體而言，催化劑涂敷區(qū)域H的上端位置設(shè)定為與氧化劑氣體流路34及燃料氣力 流路40的上端位置相同的位置。另一方面，催化劑涂敷區(qū)域H的下端位置設(shè)定為比氧化劑 氣體流路34的下端位置34b及所述燃料氣體流路40的下端位置40b靠上方的位置。如圖1所示，在第一隔板14的面14b與第二隔板16的面16b之間形成連通冷卻 介質(zhì)入口連通孔2 與冷卻介質(zhì)出口連通孔24b的冷卻介質(zhì)流路46。冷卻介質(zhì)流路46是 波狀流路槽部34a、40a的背面形狀，通過這些槽部重疊來設(shè)置沿箭頭B方向延伸的流路槽 部(未圖示)。如圖1及圖2所示，第一密封部件50圍繞該第一隔板14的外周端緣部而獨(dú)立或 一體地設(shè)置在第一隔板14的面14a、14b上。第二密封部件52圍繞該第二隔板16的外周 端緣部而獨(dú)立或一體地設(shè)置在第二隔板16的面16a、16b上。第一密封部件50圍繞電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的外周外方，且具有連通氧化劑 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的突起部50a。如 圖2及圖4所示，第二密封部件52具有沿構(gòu)成電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的固體高分子電 解質(zhì)膜26的外周緣部抵接的突起部52a。以下，對(duì)這樣構(gòu)成的燃料電池10的動(dòng)作進(jìn)行說明。首先，如圖1所示，向氧化劑氣體入口連通孔20a供給含氧氣體等氧化劑氣體，且 向燃料氣體入口連通孔2 供給含氫氣體等燃料氣體，進(jìn)而，向冷卻介質(zhì)入口連通孔2 供 給純水或乙二醇、油等冷卻介質(zhì)。因此，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而被向氧化劑氣體流路34引導(dǎo)。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)，而被向電解質(zhì)膜一電極結(jié)構(gòu)體12的陰極側(cè)電極觀供給。另一方面，燃料氣體從燃料氣體入口連通孔2 通過供給孔部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40在重力方向(箭頭C方向)上 移動(dòng)，而被向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的陽極側(cè)電極30供給(參照?qǐng)D1)。由此，在電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12中，向陰極側(cè)電極觀供給的氧化劑氣體與向陽 極側(cè)電極30供給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。接下來，供給到電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的陰極側(cè)電極觀而消耗的氧化劑氣體 沿氧化劑氣體出口連通孔20b向箭頭A方向排出。另一方面，供給到電解質(zhì)膜一電極結(jié)構(gòu) 體12的陽極側(cè)電極30而消耗的燃料氣體通過排出孔部44b而被向第二隔板16的面16b 側(cè)引導(dǎo)。向面16側(cè)導(dǎo)出的燃料氣體被向燃料氣體出口連通孔22b排出。另外，供給到冷卻介質(zhì)入口連通孔Ma的冷卻介質(zhì)如圖1所示那樣被導(dǎo)入在構(gòu)成 一個(gè)燃料電池10的第一隔板14與構(gòu)成另一個(gè)燃料電池10的第二隔板16之間形成的冷卻 介質(zhì)流路46。因此，從冷卻介質(zhì)入口連通孔2 向冷卻介質(zhì)流路46供給的冷卻介質(zhì)沿箭頭 B方向移動(dòng)而冷卻燃料電池10后，被向冷卻介質(zhì)出口連通孔24b排出。這種情況下，在第一實(shí)施方式中，如圖5所示，燃料體流路40的下端位置40b比氧 化劑氣體流路；34的下端位置34b向下方突出距離hi。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)的各水滯留部在重力方向上的相同高度位置 重疊。從而，在電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12中，在能夠抑制水與各水滯留部對(duì)應(yīng)地集中而 滯留在電極發(fā)電部的端部附近的情況。由此，固體高分子電解質(zhì)膜沈不會(huì)顯著溶脹，能夠 可靠地阻止大量的燃料氣體向陰極側(cè)電極觀穿透泄漏(cross leak)的情況。因此，能夠以簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)盡可能地阻止固體高分子電解質(zhì)膜沈的劣化。 從而，獲得能夠抑制燃料電池10的發(fā)電性能降低這樣的效果。進(jìn)而，如圖5所示，氧化劑氣體流路34的下端位置34b比電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體 12的催化劑涂敷區(qū)域H的下端位置向下方突出距離h2。由此，氧化劑氣體流路34的下端 位置34b與催化劑涂敷區(qū)域H的下端位置錯(cuò)開，因此能夠抑制水的滯留。從而，能夠可靠地 阻止容易形成在氧化劑氣體流路34的下端位置34b的水滯留部與催化劑涂敷區(qū)域H重疊， 能夠良好地阻止固體高分子電解質(zhì)膜沈的顯著溶脹。另外，電極催化劑層^b、30b的下端位置在重力方向上錯(cuò)開，一方形成在催化劑 涂敷區(qū)域H內(nèi)，另一方形成在所述催化劑涂敷區(qū)域H外(下方)。具體而言，構(gòu)成陽極側(cè)電 極30的電極催化劑層30b形成在催化劑涂敷區(qū)域H外，構(gòu)成陰極側(cè)電極觀的電極催化劑 層28b形成在所述催化劑涂敷區(qū)域H內(nèi)。因此，能夠有效地防止水集中在固體高分子電解 質(zhì)膜20的表背。圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的燃料電池60的主要部分分解立體說明圖。 需要說明的是，對(duì)與第一實(shí)施方式所涉及的燃料電池10相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同的參考 符號(hào)，而省略詳細(xì)的說明。燃料電池60通過利用第一隔板64及第二隔板66夾持電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體62 而構(gòu)成。電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體62中，通過陰極側(cè)電極觀及陽極側(cè)電極30夾持固體高分 子電解質(zhì)膜26。陰極側(cè)電極觀和陽極側(cè)電極30設(shè)定為相同的表面積，且固體高分子電解 質(zhì)膜26設(shè)定為比所述陰極側(cè)電極觀及所述陽極側(cè)電極30的表面積大的表面積。燃料氣體流路40的下端位置與氧化劑氣體流路34的下端位置34b在重力方向(箭頭C方向)上的位置不同。在第二實(shí)施方式中，氧化劑氣體流路34的下端位置34b比 燃料氣體流路40的下端位置40b向下方突出距離hi。在第二實(shí)施方式中，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)的各水滯留部在重力方向上的相同高度位置重疊的情況。因此，固體高分 子電解質(zhì)膜26不會(huì)顯著溶脹，能夠以簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)盡可能地阻止所述固體高分子 電解質(zhì)膜26的劣化等，獲得與上述第一實(shí)施方式相同的效果。需要說明的是，在第一實(shí)施方式及第二實(shí)施方式中，氧化劑氣體流路34及燃料氣 體流路40構(gòu)成為波狀，但也可以構(gòu)成為直線狀。
權(quán)利要求
1.一種固體高分子型燃料電池，其層疊有在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配設(shè)了陽極側(cè)電極及陰極 側(cè)電極的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體和隔板，且在所述陽極側(cè)電極與一方的隔板之間形成有使 燃料氣體沿重力方向流通的燃料氣體流路，在所述陰極側(cè)電極與另一方的隔板之間形成有 使氧化劑氣體沿所述重力方向流通的氧化劑氣體流路，所述固體高分子型燃料電池的特征 在于，所述燃料氣體流路的下端位置與所述氧化劑氣體流路的下端位置被設(shè)定為在所述重 力方向上不同的位置。
2.根據(jù)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-電極結(jié)構(gòu)體的構(gòu)成電極的催化劑涂敷區(qū)域的下端位置設(shè)定為比所述 燃料氣體流路的下端位置及所述氧化劑氣體流路的下端位置靠上方且離開所述燃料氣體 流路的下端位置及所述氧化劑氣體流路的下端位置的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體高分子型燃料電池，其能夠以簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)阻止水集中而滯留在電解質(zhì)膜的下端部附近，盡可能地阻止因所述電解質(zhì)膜的溶脹而引起的劣化。燃料電池(10)通過利用第一隔板(14)及第二隔板(16)夾持電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)而構(gòu)成。電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)具備固體高分子電解質(zhì)膜(26)、陰極側(cè)電極(28)及陽極側(cè)電極(30)。第一隔板(14)上設(shè)有氧化劑氣體流路(34)，另一方面，第二隔板(16)上設(shè)有燃料氣體流路(40)。燃料氣體流路40的下端位置(40b)與氧化劑氣體流路(34)的下端位置(34b)設(shè)定為在重力方向上不同的位置。
文檔編號(hào)H01M4/86GK102130353SQ20101062310
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者小田優(yōu), 渡邊康博, 石丸龍平 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社