燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種燃料電池，其包括：膜電極接合體；夾持膜電極接合體的一對氣體擴散層；以及夾持膜電極接合體和一對氣體擴散層的一對隔板。隔板在與氣體擴散層相對的面上具有肋部，該肋部用于形成作為氣體通路的槽。與氣體擴散層相對的面上的槽的占有面積比SC（-）與氣體擴散層的厚度t（μm）滿足下述式（1）所表示的關(guān)系。0.9＞SC≥55（t－103）2/1000000＋0.3…（1）。
【專利說明】燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池。更詳細而言，本發(fā)明涉及一種使氧輸送阻力及電阻這兩者降低且能夠體現(xiàn)較高性能的燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，以提高燃料電池的擴散層的導電性，使性能提高為目的，對包括基底區(qū)域和金屬制的氣體擴散區(qū)域的燃料電池用擴散層進行了研究和開發(fā)，該基底區(qū)域包含碳而成且能夠與燃料電池的電極鄰接配置。具體而言，提出了如下的燃料電池用擴散層，即，在氣體擴散區(qū)域和基底區(qū)域之間設(shè)置由與氣體擴散區(qū)域和基底區(qū)域不同的材料形成的導電區(qū)域(參照專利文獻I)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2005-32628號公報
[0006]但是，即使是使用上述專利文獻I中記載的燃料電池用擴散層的燃料電池，雖然提高了燃料電池用擴散層的導電性，但存在未預料氧輸送阻力的提高，因此不能充分提高電池輸出的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

_7] 發(fā)明要解決的問題
[0008]本發(fā)明是鑒于這種以往技術(shù)所存在的問題而完成的。而且，本發(fā)明的目的在于，提供一種使氧輸送阻力及電阻這兩者降低且能夠體現(xiàn)較高性能的燃料電池。
_9] 用于解決問題的方案
[0010]本發(fā)明的發(fā)明人為了達成上述目的而反復專心研究。而且，其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過使燃料電池的與氣體擴散層相對的面上的作為氣體通路的槽的占有面積比S。(-)和氣體擴散層的厚度t ( i! m)成預定的關(guān)系等，能夠達成上述目的，進而完成本發(fā)明。
[0011]即，本發(fā)明的燃料電池包括:膜電極接合體；夾持膜電極接合體的一對氣體擴散層；以及夾持膜電極接合體和一對氣體擴散層的一對隔板。一對隔板各自在與氣體擴散層相對的面上具有肋部，該肋部用于形成作為氣體通路的槽。而且，與氣體擴散層相對的面上的槽的占有面積比S。(-)與氣體擴散層的厚度t (Pm)滿足下述式(I)表示的關(guān)系，
[0012]0.9 > Sc 彡 55 (t - 103) Vioooooo + 0.3— (I)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的燃料電池的圖，其中，(A)是概略地表示該燃料電池的剖視圖，(B)是用于說明該燃料電池的隔板的特定部位的長度的定義的圖。
[0014]圖2是概略地表示圖1的燃料電池的氣體擴散層的其他例子的放大剖視圖。
[0015]圖3是表示圖1的燃料電池的氣體擴散層的另一其他例子的電導率的特性的圖表。
[0016]圖4是概略地表示本發(fā)明的第2實施方式的燃料電池的剖視圖。
[0017]圖5是概略地表示本發(fā)明的第3實施方式的燃料電池的剖視圖。
[0018]圖6是概略地表示本發(fā)明的第4實施方式的燃料電池的剖視圖。
[0019]圖7是表示本發(fā)明的第5實施方式的燃料電池的立體圖。
[0020]圖8是沿圖7中的VII1-VIII線的截面的概略圖。
[0021]圖9是表示本發(fā)明的第6實施方式的燃料電池的立體圖。
[0022]圖10是沿圖9中的X-X線的截面的概略圖。
[0023]圖11是說明本發(fā)明的第6實施方式的燃料電池中的肋部寬度Wlteg及槽寬度Wfcg的規(guī)定的做法的圖。
[0024]圖12是說明本發(fā)明的第6實施方式的燃料電池的其他例子中的肋部寬度Wlteg及槽寬度Wfcg的規(guī)定的做法的圖。
[0025]圖13是表示等氧輸送阻力曲線的圖表。
[0026]圖14是表示氧輸送阻力與以車輛額定電壓將車輛額定電流的電壓標準化后的值之間的關(guān)系的圖表。
[0027]圖15是表示氣體通路的占有面積比Sc (_)與以在理想狀態(tài)下的阻力標準化后的阻力(_)之間的關(guān)系的圖表。
[0028]圖16是表示W(wǎng)c/ (Wc + Wk)(-)和與用于確保預定的電壓所必須的氧輸送阻力TRreq的差(S/m)之間的關(guān)系的圖表。
[0029]圖17是表示肋部寬度Wk (mm)與Wc/ (Wc + Wk)的上限(-)之間的關(guān)系的圖表。
[0030]圖18是表示在肋部寬度為1.0 (mm)時使電導率改變的情況下的、Wc/ (Wc + We)(-)和與用于確保預定的電壓所必須的氧輸送阻力TRrai的差(S/m)之間的關(guān)系的圖表。
[0031]圖19是表示在肋部寬度為0.7mm時使電導率改變的情況下的、Wc/ (Wc + Wk)(-)和與用于確保預定的電壓所必須的氧輸送阻力TRrai的差(S/m)之間的關(guān)系的圖表。
[0032]圖20是表示各電導率的Wc/ (Wc + Wk)的上限(_)的圖表。
[0033]圖21是表示各電導率和Wc/ (Wc + Wk)的上限的斜率之間的關(guān)系的圖表。
[0034]圖22是表示各例的性能評價的結(jié)果的圖表。
【具體實施方式】
[0035]參照附圖對本發(fā)明的一實施方式的燃料電池進行詳細說明。另外，為了方便說明，在以下的實施方式中引用的附圖的尺寸比例被夸張，有時與實際的比例不同。
[0036]圖1是表示本發(fā)明的第I實施方式的燃料電池的圖，其中，(A)是概略地表示該燃料電池的剖視圖、(B)是用于說明該燃料電池的隔板中的特定部位長度的定義的圖。
[0037]如圖1所示，第I實施方式的燃料電池100包括:膜電極接合體10 ;夾持膜電極接合體10的一對氣體擴散層20a、20c ;以及夾持該膜電極接合體10和該一對氣體擴散層20a、20c的一對隔板30。一對隔板30各自在與該氣體擴散層20a、20c相對的面上具有肋部31，該肋部31用于形成作為氣體通路的槽Ca、Ce。
[0038]而且，與該氣體擴散層20a、20c相對的面上的槽的占有面積比S。(-)與該氣體擴散層的厚度t (Pm)滿足下述式(I)表示的關(guān)系。[0039]另外，在本例中，由于槽形成為多個彼此平行的直線狀，因此槽的占有面積比S。能夠使用槽的寬度Wc (mm)和肋部的寬度Wk (mm)以Sc = Wc/ (Wc + Wk)進行定義而計算出。此外，在槽不是平行的直線狀的情況下，槽的占有面積比S。根據(jù)各自的情況能夠通過具體地測量而計算出。
[0040]0.9 > Sc ≤ 55 (t-103) 2/1000000 + 0.3...(I)
[0041]以下，對各結(jié)構(gòu)進行更詳細地說明。
[0042](膜電極接合體)
[0043]膜電極接合體10具有由一對催化劑層13a、13c夾持電解質(zhì)膜11的結(jié)構(gòu)。對于電解質(zhì)膜、催化劑層，能夠使用用于燃料電池的以往公知的材料。以下，具體進行說明。
[0044](電解質(zhì)膜)
[0045]電解質(zhì)膜11例如由固體高分子電解質(zhì)膜構(gòu)成。該固體高分子電解質(zhì)膜具有在固體高分子型燃料電池工作時使在正極側(cè)的催化劑層生成的質(zhì)子沿膜厚方向選擇性地向負極側(cè)的催化劑層透過的功能。此外，固體高分子電解質(zhì)膜還具有用于使供給至正極側(cè)的燃料氣體和供給至負極側(cè)的氧化劑氣體不進行混合的隔壁的功能。
[0046]電解質(zhì)膜因作為構(gòu)成材料的離子交換樹脂的種類不同而大致分為氟類高分子電解質(zhì)膜和烴類高分子電解質(zhì)膜。作為構(gòu)成氟類高分子電解質(zhì)膜的離子交換樹脂，例如能夠舉出Nafion (注冊商標，杜邦公司制)、Aciplex (注冊商標，旭化成股份公司制)、7 ^才> (注冊商標，旭硝子股份公司制)等的全氟化碳磺酸類聚合物、全氟化碳膦酸類聚合物、三氟苯乙烯磺酸類聚合物、乙烯-四氟乙烯-g_苯乙烯磺酸類聚合物、乙烯-四氟乙烯共聚合物、聚偏二氯乙烯-全氟化碳磺酸類聚合物等。從提高耐熱性、化學穩(wěn)定性等發(fā)電性能這一觀點出發(fā)，優(yōu)選使用上述氟類高分子電解質(zhì)膜，特別是優(yōu)選由全氟化碳磺酸類聚合物構(gòu)成的氟類高分子電解質(zhì)膜。
[0047]作為烴類電解質(zhì)，具體而言，能夠舉出磺化聚醚砜(S-PES)、磺化聚芳醚酮、烷基磺化聚苯并咪唑、烷基膦化聚苯并咪唑、磺化聚苯乙烯、磺化聚醚醚酮(S-PEEK )、磺化聚苯撐(S-PPP)等。從原料便宜、制造工序簡單且材料的選擇性較大這一制造上的觀點出發(fā)，優(yōu)選使用上述烴類高分子電解質(zhì)膜。另外，上述的離子交換樹脂可以僅一種單獨使用，也可以兩種以上并用。此外，并不僅限于上述材料，也可以使用其他的材料。
[0048]對于電解質(zhì)膜的厚度，考慮獲得的燃料電池的特性而適當決定即可，并不特別限定。電解質(zhì)膜的厚度通常為5 iim?300 iim左右。當電解質(zhì)膜的厚度為這樣的范圍內(nèi)的值時，就能夠恰當?shù)乜刂浦颇r的強度、使用時的耐久性及使用時的輸出特性的平衡。
[0049](催化劑層)
[0050]催化劑層13a、13c例如包含催化劑成分、用于負載催化劑成分的導電性的催化劑載體及電解質(zhì)。以下，將在催化劑載體上負載有催化劑成分而成的復合體也稱作“電極催化劑”。該催化劑層(正極側(cè)的催化劑層、負極側(cè)的催化劑層)實際上是進行電池反應的層。具體而言，在正極催化劑層進行氫的氧化反應，在負極催化劑層進行氧的還原反應。
[0051]正極側(cè)的催化劑層所使用的催化劑成分只要是對氫的氧化反應具有催化劑作用的物質(zhì)即可，不必特別限定，同樣能夠使用以往公知的催化劑。此外，負極側(cè)的催化劑層所使用的催化劑成分也只要是對氧的還原反應具有催化劑作用的物質(zhì)即可，不必特別限定，同樣能夠使用以往公知的催化劑。具體而言，能夠從如下物質(zhì)中選擇:鉬(Pt)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、鎢(W)、鉛(Pb)、鐵(Fe)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、釩(V)、鑰(Mo)、鎵(Ga)、鋁(Al)等金屬及其合金等。
[0052]其中，為了使催化劑活性、抗熱性、對于一氧化碳等的抗失活性等提高，優(yōu)選使用至少包含鉬的物質(zhì)。另外，雖然合金的組成也根據(jù)合金化的金屬的種類而不同，但優(yōu)選鉬的含有量為30原子％?90原子％，與鉬進行合金化的金屬的含有量為10原子％?70原子％。另外，所謂合金，一般是指在金屬元素中添加一種以上的金屬元素或非金屬元素而成的物質(zhì)，是具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)的總稱。在合金的組織中，具有成分元素成為各自結(jié)晶的所謂混合物的共晶合金、成分元素成為完全溶合的固溶體的物質(zhì)、成分元素形成金屬間化合物或者金屬與非金屬的化合物的物質(zhì)等，在本發(fā)明中任一者皆可。此時，正極側(cè)的催化劑層所使用的催化劑成分及負極側(cè)的催化劑層所使用的催化劑成分能夠從上述之中適當?shù)剡x擇。在本說明書中沒有特別記載的情況下，對于正極側(cè)的催化劑層用及負極側(cè)的催化劑層用的催化劑成分的說明中，兩者為相同的定義。因此，一概稱作“催化劑成分”。但是，正極側(cè)的催化劑層及負極側(cè)的催化劑層的催化劑成分不必相同，能夠進行適當?shù)剡x擇以便取得上述期望的作用。
[0053]催化劑成分的形狀、大小不必特別限定，能夠采用與以往公知的催化劑成分同樣的形狀和大小。只是，優(yōu)選的是，催化劑成分的形狀為顆粒狀。優(yōu)選的是，催化劑顆粒的平均顆粒徑為Inm?30nm。當催化劑顆粒的平均顆粒徑為該范圍內(nèi)的值時，能夠恰當?shù)乜刂婆c進行電化學反應的有效電極面積相關(guān)聯(lián)的催化劑利用率和負載的簡便度的平衡。另外，本發(fā)明的“催化劑顆粒的平均顆粒徑”能夠以如下方式進行測定:將由X射線衍射的催化劑成分的衍射峰值的半值寬度求得的微晶直徑和由穿透式電子顯微鏡像檢測的催化劑成分的顆粒徑的平均值作為催化劑顆粒的平均顆粒徑。
[0054]催化劑載體作為用于負載上述催化劑成分的載體及參與電子在催化劑成分和其他構(gòu)件之間的電子授受的電子傳導通道發(fā)揮作用。作為催化劑載體只要是具有用于使催化劑成分以期望的分散狀態(tài)進行負載的比表面積，并具有充分的電導率的材料即可，優(yōu)選其主要成分為碳。
[0055]具體而言，能夠舉出碳黑、活性碳、焦碳、天然石墨、人造石墨等組成的碳顆粒。另外，“主要成分為碳”是指，作為主要成分包含碳原子，其是包含僅由碳原子組成、實質(zhì)由碳原子組成這兩方面的概念。根據(jù)情況，為了使燃料電池的特性提高，也可以包含碳原子以外的元素。另外，“實質(zhì)由碳原子組成”意味著能夠允許混入2質(zhì)量％?3質(zhì)量％程度以下的雜質(zhì)。
[0056]催化劑載體的BET比表面積為只要能夠使催化劑成分高分散地被負載的、充分的比表面積即可，優(yōu)選的是20m2/g?1600m2/g,更優(yōu)選的是80m2/g?1200m2/g。當催化劑載體的比表面積為該范圍內(nèi)的值時，就能夠恰當?shù)乜刂拼呋瘎┹d體上的催化劑成分的分散性和催化劑成分的有效利用率的平衡。
[0057]對于催化劑載體的尺寸沒有特別限定，從以適當?shù)姆秶刂曝撦d的簡便度、催化劑利用率、催化劑層的厚度等觀點出發(fā)，平均顆粒徑為5nm?200nm左右，優(yōu)選的是IOnm?IOOnm左右。
[0058]在催化劑載體中負載有催化劑成分而成的電極催化劑中，優(yōu)選的是催化劑成分的負載量相對于電極催化劑的總量為10質(zhì)量％?80質(zhì)量％,更優(yōu)選的是30質(zhì)量％?70質(zhì)量％。當催化劑成分的負載量為該范圍內(nèi)的值時，就能夠恰當?shù)乜刂拼呋瘎┹d體上的催化劑成分的分散度和催化劑性能的平衡。另外，電極催化劑中的催化劑成分的負載量能夠利用電感耦合等離子發(fā)光分光法(ICP)進行測定。
[0059]在催化劑層中，除了電極催化劑外，還含有離子傳導性的高分子電解質(zhì)。該高分子電解質(zhì)并不特別限定，能夠參照以往公知的知識。例如，構(gòu)成上述高分子電解質(zhì)層的離子交換樹脂能夠作為高分子電解質(zhì)添加于催化劑層。
[0060](氣體擴散層)
[0061]氣體擴散層(正極側(cè)的氣體擴散層20a、負極側(cè)的氣體擴散層20c)各自具有層疊氣體擴散層基底層21a、21c和氣體擴散層基材層23a、23c而成的結(jié)構(gòu)。該氣體擴散層具有如下功能:促進經(jīng)由隔板的作為氣體通路的槽供給來的氣體(燃料氣體或氧化劑氣體)向催化劑層的擴散以及作為電子傳導通道。
[0062](氣體擴散層基底層)
[0063]為了使防水性進一步提高，氣體擴散層基底層21a、21c例如具有由包含碳和防水材料的碳顆粒的集合體組成的結(jié)構(gòu)。這樣的氣體擴散層基底層被稱作微孔層(MPL)。
[0064]碳并不特別限定，能夠適當?shù)厥褂锰己?、石墨、膨脹石墨等的以往公知的材料。其中，從電子傳導性?yōu)異，比表面積較大而言，優(yōu)選的是使用爐法碳黑、槽法碳黑、燈黑、熱裂法碳黑、乙炔黑等碳黑。優(yōu)選的是碳顆粒的平均顆粒徑為IOnm?IOOnm左右。由此,能夠獲得利用毛細管力產(chǎn)生的較高的排水性，并且還能夠使與催化劑層的接觸性提高。
[0065]防水材料只要能夠進一步提高防水性從而抑制以至防止液泛現(xiàn)象等即可，并不特別限定。具體而言，能夠舉出聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)、聚六氟丙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚合物等氟類的高分子材料、聚丙烯、聚乙烯等烯烴類的高分子材料。其中，從防水性、電極反應時的抗腐蝕性等優(yōu)異性而言，優(yōu)選的是使用氟類的高分子材料。
[0066]考慮防水性和電子傳導性的平衡，優(yōu)選的是氣體擴散層基底層中的碳和防水材料的混合比的質(zhì)量比為90: 10?40:60 (碳:防水材料)左右。另外，通過使用氣相沉積碳、碳纖維、納米碳管，來調(diào)整含有的碳的取向性等，能夠使電傳導性具有各向異性。此外，氣體擴散層基底層的厚度見后述。
[0067]另外，氣體擴散層基底層也可以含有碳和防水材料以外的材料，能夠使用用于氣體擴散層的以往公知的材料。
[0068](氣體擴散層基材層)
[0069]對于氣體擴散層基材層23a、23c來說，并不對構(gòu)成材料進行特別限定，能夠使用以往公知的材料。例如，能夠舉出碳制的織物、紙狀抄紙體、毛氈、無紡布這種具有導電性和多孔質(zhì)性的碳制的物質(zhì)以及發(fā)泡金屬、膨脹合金、沖孔金屬板、蝕刻板、精密沖壓加工板、鐵絲網(wǎng)、金屬網(wǎng)、金屬細線燒結(jié)體這樣的具有導電性和多孔質(zhì)性的金屬制的物質(zhì)(金屬多孔體)。該物質(zhì)可以一種單獨使用，也可以兩種以上并用。此外，上述金屬多孔體還具有易于在制造過程中調(diào)整厚度、空隙率等的優(yōu)點。氣體擴散層基材層的厚度見后述。
[0070]本實施方式的燃料電池的氣體擴散層基底層含有碳和防水材料，優(yōu)選的是氣體擴散層基材層含有金屬多孔體。
[0071]通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠獲得可以進一步降低電阻的燃料電池。
[0072]另外，在本發(fā)明中，對于含有碳和防水材料的氣體擴散層基底層來說，應解釋為包括僅由碳和防水材料組成的氣體擴散層基底層的意思。此外，在本發(fā)明中，對于含有金屬多孔體的氣體擴散層基材層來說，應解釋為包括僅由金屬多孔體組成的氣體擴散層基材層的意思。
[0073]此外，圖2是概略地表示氣體擴散層的其他例子的放大剖視圖。如圖2所示，例如，氣體擴散層20c也可以在作為氣體擴散層基材層23c的空孔的部分中含有作為構(gòu)成氣體擴散層基底層21C的材料的碳、防水材料。如此，具有能夠控制空孔內(nèi)的表面形狀等，能夠使抗液泛性進一步提高這樣的優(yōu)點。
[0074]并且，圖3是表示氣體擴散層的另一其他例子的電導率的特性的圖表。
[0075]氣體擴散層在如圖3中實線所示那樣對于厚度方向的表面壓力具有靈敏度的情況(例如，碳等)下，作為后述式(2)的氣體擴散層的電導率O，優(yōu)選的是適用形成燃料電池后的狀態(tài)下的電導率opMssure。形成燃料電池后的狀態(tài)是指，在氣體擴散層上施加有與電池組裝時的表面壓力相同的表面壓力Pa的狀態(tài)。作為式(2)的電導率0而采用電導率Qpmss 從而即使在使氣體擴散層對于厚度方向的表面壓力具有靈敏度的情況下，也能夠獲得使氧輸送阻力和電阻進一步降低、能夠體現(xiàn)更高性能的燃料電池。
[0076]另外，“對于表面壓力具有靈敏度”是指，在施加于氣體擴散層的表面壓力改變的情況下，氣體擴散層的電導率改變的意思。
[0077]另外，在圖3中，單點劃線表示對于表面壓力而不具有靈敏度的氣體擴散層(例如，金屬多孔體等)的例子。毫無疑問的是，能夠?qū)⑦@樣的對于厚度方向的表面壓力不具有靈敏度的氣體擴散層應用于本發(fā)明的燃料電池。
[0078](隔板)
[0079]隔板30夾持膜電極接合體10和一對氣體擴散層20a、20c。此外，隔板30在與氣體擴散層20a、20c相對的面.上具有肋部31，該肋部31用于形成作為氣體通路的槽Ca、Ce。
[0080]另外，隔板并不特別限定構(gòu)成的材料，能夠使用以往公知的材料。構(gòu)成隔板的材料優(yōu)選的是供給的氣體難以穿過的材料，且優(yōu)選的是電池反應中得到的電流易于流過的材料。具體而言，能夠舉出鐵、鈦、鋁、上述合金等的金屬材料，以及借助各種金屬材料、碳材料等付與了導電性的高分子材料(導電性塑料)等。另外，鐵合金中包含不銹鋼。
[0081]本實施方式的燃料電池中，優(yōu)選的是氣體擴散層相對于膜電極接合體及隔板的任一者或兩者接合或壓接等。
[0082]通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠降低界面的接觸阻力，并能夠獲得使氧輸送阻力及電阻進一步降低、能夠體現(xiàn)更高性能的燃料電池。
[0083]在此，在接合、壓接中，能夠利用例如冷壓、熱壓、熔敷、焊接、擴散接合等。可以單獨使用上述方法中的一種，也可以兩種以上的方法并用。
[0084]此外，圖4是概略地表示本發(fā)明的第2實施方式的燃料電池的剖視圖。另外，對于與第I實施方式中說明了的部分同等的部分，標注與上述同等的部分相同的附圖標記并省略說明。
[0085]第2實施方式的燃料電池200中，作為一對氣體擴散層20a、20c各自使用由單一的層組成的氣體擴散層，除此以外，具有與上述第I實施方式的燃料電池同樣的結(jié)構(gòu)。當作為一對氣體擴散層20a、20c各自使用由單一的層組成的氣體擴散層時，具有能夠使構(gòu)造簡單化，并能夠?qū)崿F(xiàn)低成本這一優(yōu)點。另外，作為氣體擴散層的構(gòu)成材料，可以使用原有的氣體擴散層基底層的構(gòu)成材料和氣體擴散層基材層的構(gòu)成材料的任一者，也可以將氣體擴散層基底層的構(gòu)成材料和氣體擴散層基材層的構(gòu)成材料進行適當?shù)亟M合。
[0086]此外,在氣體擴散層的電導率存在各向異性的情況下，作為后述式(2)的氣體擴散層的電導率0，應用圖4的箭頭X所示肋部的寬度方向的電導率 可。作為式(2)的電導率0采用電導率Oinpl 從而即使在氣體擴散層的電導率存在各向異性的情況下，也能夠獲得使氧輸送阻力及電阻進一步降低、能夠體現(xiàn)更高性能的燃料電池。
[0087]另外，在氣體擴散層的電導率不存在各向異性、即電導率具有各向同性的情況下，可以應用任一方向的電導率。
[0088]并且，圖5是概略地表示本發(fā)明的第3實施方式的燃料電池的剖視圖。另外，對于與第I實施方式中說明了的部分同等的部分，標注與上述同等的部分相同的附圖標記并省略說明。
[0089]第3實施方式的燃料電池300中，作為一對氣體擴散層20a、20c各自使用由單一的層組成的氣體擴散層、槽的與隔板的氣體流動方向大致垂直的截面中的形狀為非矩形形狀(本實施方式中為梯形形狀)，除此之外，具有與第I實施方式的燃料電池同樣的結(jié)構(gòu)。在該情況下，作為后述式(2)的肋部寬度Wk，應用肋部的與隔板相接部分的寬度WK_tart即可。此外，作為槽寬度W。，應用槽的與氣體擴散層相對部分的寬度W—。,即可。該槽寬度W—。，相當于構(gòu)成槽的非矩形狀截面的邊中的與氣體擴散層相抵接的邊的長度。
[0090]作為式(2)的肋部寬度Wk及槽寬度W。應用肋部寬度WK_tac;t及槽寬度W—。,，從而即使在槽的與隔板的氣體流動方向大致垂直的截面中的形狀不為矩形形狀的情況下，也能夠獲得使氧輸送阻力及電阻進一步降低、能夠體現(xiàn)更高性能的燃料電池。
[0091]此外，圖6是概略地表示本發(fā)明的第4實施方式的燃料電池的剖視圖。另外，對于與第I實施方式中說明了的部 分同等的部分，標注與上述同等的部分相同的附圖標記并省略說明。
[0092]第4實施方式的燃料電池400中，作為一對氣體擴散層20a、20c各自使用由n層組成的氣體擴散層(具有在厚度方向上層疊的n層構(gòu)造的氣體擴散層)，除此之外，具有與上述第I實施方式的燃料電池同樣的結(jié)構(gòu)。在該情況下，作為后述式(2)的氣體擴散層的電導率O，應用由下述式(3)計算出的電導率0lay_d即可。
[0093](數(shù)學式I)
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池，其特征在于， 該燃料電池包括: 膜電極接合體； 夾持上述膜電極接合體的一對氣體擴散層；以及 夾持上述膜電極接合體及上述一對氣體擴散層的一對隔板， 上述一對隔板各自在與上述氣體擴散層相對的面上具有肋部，該肋部用于形成作為氣體通路的槽， 與上述氣體擴散層相對的面上的上述槽的占有面積比S。(-)與上述一對氣體擴散層各自的厚度t ( U m)滿足下述式(I)表不的關(guān)系，
0.9 > Sc ^ 55 (t — 103) Vioooooo + 0.3...(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 上述槽的寬度W。(mm)、上述肋部的寬度Wk (mm)、上述氣體擴散層的電導率o (S/m)及上述氣體擴散層的厚度t ( y m)滿足由下述式(2)表示的關(guān)系，
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其特征在于， 在上述氣體擴散層的電導率具有各向異性的情況下，作為上述式(2)的氣體擴散層的電導率O，應用上述肋部的寬度方向的電導率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池，其特征在于， 在上述槽的與上述隔板的氣體流動方向大致垂直的截面中的形狀為梯形形狀的情況下，作為上述式(2)的肋部寬度Wk，應用上述肋部的與上述氣體擴散層相接的部分的寬度，作為槽寬度W。，應用上述槽的與上述氣體擴散層相對的部分的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 在上述氣體擴散層具有在厚度方向上層疊的n層構(gòu)造的情況下，作為上述式(2)的氣體擴散層的電導率0，應用由下述式(3)計算出的電導率olay_d，
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 在上述氣體擴散層對于厚度方向的表面壓力具有靈敏度的情況下，作為上述式(2)的氣體擴散層的電導率O，應用形成燃料電池狀態(tài)下的電導率。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 在上述隔板的氣體流動方向不為一個方向的情況下，規(guī)定上述隔板的氣體流動方向中的比例最大的方向為主流方向，作為上述式(2)的肋部寬度Wk，應用上述肋部的與上述主流方向大致垂直的截面中的寬度，作為上述式(2)的槽寬度Wc，應用上述槽的與上述主流方向大致垂直的截面中的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 在與上述肋部的厚度方向大致垂直的截面中的肋部配置形狀為點狀或島狀配置形狀的情況下， 作為上述式(2)的肋部寬度Wk，計算出肋部的重心位置和連結(jié)該重心位置而形成的不重疊的三角形的重心位置，應用連結(jié)上述肋部的重心位置及上述三角形的重心位置而成的線段與該肋部的外形線的交點和該肋部的重心位置之間的距離乘以二所得的值， 作為上述式(2)的槽寬度WC，應用上述交點與上述三角形的重心位置之間的距離乘以二所得的值。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 在與上述肋部的厚度方向大致垂直的截面中的肋部配置形狀為點狀或島狀配置形狀的情況下， 作為上述式(2)的肋部寬度Wk及槽寬度W。， 計算出肋部的重心位置和通過連結(jié)該重心位置而形成的不重疊的三角形的重心位置， 連結(jié)上述肋部的重心位置及上述三角形的重心位置而成的線段與該肋部的外形線的交點和該肋部的重心位置 之間的距離乘以二所得的肋部寬度WKc;g以及上述交點與上述三角形的重心位置之間的距離乘以二所得的槽寬度Wfcg中的、Wccg/ (ffCcg + ffEcg)最小的肋部寬度Ig和槽寬度W&g。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 上述氣體擴散層由位于上述膜電極接合體側(cè)的氣體擴散層基底層和位于上述隔板側(cè)的氣體擴散層基材層構(gòu)成， 上述氣體擴散層基底層含有碳和防水材料， 上述氣體擴散層基材層含有金屬多孔體。
【文檔編號】H01M8/10GK103430365SQ201280014254
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月6日
【發(fā)明者】小高敏和, 田渕雄一郎, 福山陽介 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社