专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池。
相关技术的说明
燃料电池是一般通过使用氢和氧作为燃料获得电能的装置。因为燃料电池在环境和增加的能效方面表现优异，所以正在努力地开发燃料电池作为未来的能量供给系统。
例如，日本专利申请/^开No. 6-349508描述了一种将多孔体导电集电器电极设置在膜电极组合件(MEA)的两个表面上以作为气体流动通道和集电器的技术。根据该技术，可以使电流分布到膜电M合件。
然而，利用日本专利申请^iHf No. 6-349508中描述的才支术，当多孔导电集电器电极内的一部分被液态水阻塞时，反应气体可能不能供给到电极，这可导致发电能力降低。
发明内容
本发明提供抑制发电性能降低的燃料电池。
本发明的第一方面涉及燃料电池。该燃料电池包括发电部，所iOL电部包括阳极、电解质和阴极；多孑L体流动通道，所述多孑L体流动通道设置在所iOC电部的阳极侧和阴极侧的至少一个侧面上；和隔离器(隔板)，所述隔离器设置在所述多孔体流动通道的与所述发电部相反的侧面上。所述多孔体流动通道包括孔隙率高于所述多孔体流动通道的平均孔隙率的高孔隙率区域和孔隙率低于所述孔体流动通道的平均孔隙率的低孔隙率区域。所述高孔隙率区域通过所述低孔隙率区域与气体排放侧歧管连通。
在根据本发明第一方面的燃料电池中，因为高孔隙率区域具有小的阻碍反应物气体流动的阻力，所以反应物气体容易流过所述高孔隙率区域。因此，反应物气体容易通过所述高孔隙率区域扩散穿过整个多孔体流动通道。能够经过高孔隙率区域排沈良电时所产生的水(发电所产生的水)。因此，能够抑制发电所产生的水累积。结果，可以抑制发电效率的降低。
高孔隙率区域可以从气体供给侧延伸到气体排放侧。在该情况下，发电所产生的水一般倾向于累积在下游侧。因此，反应物气体难以扩散到下游侧。然而，根据本发明第一方面的燃料电池，即佳发电所产生的水累积在多孔体流动通道的下游侧，也促进气体到多孔体流动通道下游侧的扩散。因此，可以更有效地抑制发电效率的降低。
高孔隙率区域可以连接到气体供给侧歧管。在该情况下，反应物气体易于通过该高孔隙率区域进行扩散。多孔体流动通道可以具有多个高孔隙率区域。在该情况下，促进了气体扩散。每个高孔隙率区域的长度可以不同。在该情况下，反应物气体可以容易地供给到整个发电部。
件，i中多孑u^;动i道可以设置在发电部的至少阳极;二流;控制构件可以使来自阳极的排放气体的流动停止。在该情况下，控制阳极废气的流动提高了氢的消耗效率。尽管阳极废气的流动停止，但是促进了燃料气体在多孑L体流动通道中的扩散，由此增加了阳极废气流动停止时发电部发电的时间。因此，可以促进氬的消耗效率。
流动控制构件可以是能够进行控制以使得气体流动停止的阀。燃料电池还可以具有检测燃料电池电压的电压检测单元，其中可以基于由电压检测单元检测的电压开关所述阀。
部，其中多孔体流动通道可以设置在发电部的至少阳极侧。在该情况下，尽管抑制了阳极废气的流动，但是可以促进燃料气体在多孔体流动通道中的扩散，由此延长了阳极废气流动受到抑制时发电部可以发电的时间。从而提高了氢的消耗效率。此外，高孔隙率区域可以是空隙。在该情况下，容易形成高孔隙率区域。高孔隙率区域可以4_在多孔体流动通道的隔离器侧形成的切口或槽。隔离器可以具有板状形状。
根据本发明，可以抑制燃料电池的发电性能降低。
参照附图，从以下示例性实施方案的描述中，本发明的前述和其它特征和优点会变得明显，附图中类似的附图标记用于表示类似的要素/元件，
其中
图l是根据本发明第一实施方案的燃料电池的简化图2A~图2D是描述隔离器和具有隔离器和密封垫的MEA的细节的图3A和3B是描述多孔体流动通道的细节的图4A~图4F是显示示例性切口形状的图5是显示多孔体流动通道的另一实例的图；以及
图6是显示设置有根据本发明第二实施方案的燃料电池的燃料电池系统的总体构造的示意图。
具体实施例方式
下面描述实施本发明的最佳模式。
图1是显示根据本发明第一实施方案的燃料电池100的简化图。如图1所示，燃料电池100由多个具有密封垫的膜电极组合件(在下文称为MEA-垫组合件)20构成，该MEA-垫组合件20具有设置在一个表面上的多孔体流动通道50和设置在另一表面上的多孔体流动通道60,所述多个MEA-垫组合件之间插有隔离器10并层叠在一起。隔离器10具有板状形状，其中中心板12夹在与阴似目对的板ll和与阳^目对的板13之间。构成隔离器10的三块板可以通过例如热压接合。
多孔体流动通道50、 60由多孔的导电材料制成。可以使用例如泡沫烧结的金属例如多孔不锈钢作为多孔体流动通道50、 60。多孔体流动通道50、60的平均孔隙率为例如约70%~85%，其中的平均孔径为例如50 pm到150pm,其厚度为约0.6mm。多孔体流动通道50作为用于氧化气体的流动通道，多孔体流动通道60作为用于燃料气体的流动通道。多孔体流动通道50、 60也作为集电器。多孔体流动通道50具有形成于其中的多个切口51,多孔体流动通道60具有形成于其中的多个切口 61。切口 51、 61的细节在下文描述。
MEA-垫组合件20具有膜电极组合件(MEA) 21和密封垫22。 MEA21具有发电部24，其中催化剂层形成于具有质子导电性的电解质膜的两个表面上，气体扩散层23形成于发电部24的一个表面上，气体扩散层25形成于发电部24的另一表面上。
气体扩散层23、 25可由多孔的导电材料例如碳纸制成。气体扩散层23将在多孔体流动通道50中流动的氧化气体扩散到发电部24中。气体扩散层25将在多孑L体流动通道60中流动的燃料气体扩散到发电部24中。因此，气体扩散层23、 25不同于多孑L体流动通道50、 60。在该实施方案中，MEA21的一侧的表面作为阴极，MEA21的另一侧的表面作为阳极。
提供图2A~图2D用于描述隔离器10和MEA-垫20的细节。图2A是与阴似目对的板11的平面示意图，图2B是与阳^目对的板13的平面示意图，图2C是中心板12的平面示意图，图2D是MEA-垫组* 20的平面示意图。
与阴^W目对的板11是矩形金属板。可以使用由例如钛、钬M、或不锈钢制成的板(其表面被^A以防止腐蚀)。与阴似目对的板11可以具有例如约0.15 mm的厚度。
如图2A所示，与阴似目对的板ll的与MEA21相对的部分(在下文称为发电部X)是平坦的。在与阴JW目对的板II的外围上设置燃料气体供给歧管41a、燃料气体排放歧管41b、氧化气体供给歧管42a、氧化气体排放歧管42b、冷却剂供给歧管43a和冷却剂糸Mt歧管43b。此外，在与阴极相对的板11上形成多个氧化气体供给孔44a和多个氧化气体排放孔44b。前述歧管和孔在与阴^U目对的板11的厚度方向上穿过与阴^目对的板ll。
与阳似目对的板13是形状和与阴^目对的板11基4^目同的矩形金属板，并且由和与阴^目对的板11类似的材料制成。与阳^U目对的板13具有例如0.15 mm的厚度。如图2B所示，与阳^目对的板13的发电部X是平坦的。
和与阴拟目对的板11类似，在与阳拟目对的板13的外围上形成燃料气体供给歧管41a、燃料气体排放歧管41b、氧化气体供给歧管42a、氧化气体排放歧管42b、冷却剂供给歧管43a、和冷却剂排放歧管43b。同样，在与阳W目对的板13上形成多个燃料气体供给孔45a和多个燃料气体排放孔45b。前述歧管和孔在与阳^目对的板13的厚度方向上穿过与阳^目对
7的板13。
中心板12是形状和与阴拟目对的板11相同的矩形金属板，并且由和与阴^目对的板11类似的材料制成。中心板12可以具有例如0.35 mm的厚度。
和与阴似目对的板11类似，在中心板12的外围上形成燃料气体供给歧管41a、燃料气体排放歧管41b、氧化气体供给歧管42a、和氧化气体排放歧管42b。中心板12具有多个燃料气体供给流动通道46a，燃料气体供给流动通道46a的一端与燃料气体供给歧管41a连通，燃料气体供给流动通道46a的另一端与燃料气体供给歧管45a连通。同样地，中心板12具有多个燃料气体排放流动通道46b，燃料气体排放流动通道46b的一端与燃料气体排放歧管41b连通，燃料气体排放流动通道46b的另一端与燃料气体排放歧管45b连通。
此外，在中心板12中形成多个氧化气体供给流动通道47a，氧化气体供给流动通道47a的一端与氧化气体供给歧管42a连通，氧化气体供给流动通道47a的另一端与氧化气体供给孔44a连通。同样地，在中心板12中形成多个氧化气体排放流动通道47b，氧化气体排放流动通道47b的一端与氧化气体排放歧管42b连通，氧化气体排放流动通道47b的另一端与氧化气体排放孔44b连通。此外，在中心板12中还形成多个冷却剂流动通道48,冷却剂流动通道48的一端与冷却剂供给歧管43a连通，冷却剂流动通道48的另一端与冷却剂排放歧管43b连通。前述流动通道在中心板12的厚度方向上穿过中心板12。
如图2D所示，MEA-垫组合件20的结构具有在MEA 21外围边缘上的密封垫22。密封垫22由诸如聚硅氧烷橡胶、丁基橡胶或H&橡胶的树脂材料制成。密封垫22通过注射成型制成，其中MEA 21的外围面向用于注射成型上述树脂材料的模腔。采用该方法，MEA 21和密封垫22以相互之间无间隙的方式掩^。如此，可以防止冷却剂、氧化气体和燃料气体从^处泄漏。
和与阴似目对的板ll类似，在密封垫22中形成燃料气体供给歧管41a、燃料气体排放歧管41b、氧化气体供给歧管42a、氧化气体排放歧管42b、冷却剂供给歧管43a和冷却剂排放歧管43b。密封垫22在两个隔离器之间提供密封，密封垫22与隔离器的上表面和下表面接触。密封垫22在MEA21的外围和歧管外围之间提供密封。
现在将描述燃料电池100的一般操作。首先，将含氢的燃料气体供给 到燃料气体供给歧管41a。燃料气体通过燃料气体供给歧管46a供给到多 孔体流动通道60。供给到多孔体流动通道60的燃料气体在被供给到MEA 21的阳极侧上的气体扩散层25时穿过多孔体流动通道60。供给到气体扩 散层25的燃料气体扩散穿过气体扩散层25，并到达发电部24的阳极侧上 的催化剂层。燃料气体中包含的氢在发电部24的催化剂层处转化成质子。 所转化的质子传导穿过发电部24的电解质膜，并且到达阴极侧上的催化剂 层。
将含氧的氧化气体供给到氧化气体供给歧管42a。氧化气体通过氧化 气体供给通道47a供给到多孔体流动通道50。供给到多孔体流动通道50 的氧化气体在被供给到MEA 21阴极侧上的气体扩散层23时流过多孔体 流动通道50。供给到气体扩散层23的氧化气体扩散穿过气体扩散层23， 并且到达发电部24的阴极侧上的催化剂层。此后，由氧化气体中的氧和到 达阴极侧上的催化剂层的质子产生水并发电。所产生的电能通过多孔体流 动通道50、 60和隔离器10回收。
例如可以将冷却7jC供给到冷却剂供给歧管43a。冷却剂流过冷却剂流 动通道48并冷却燃料电池100。如此，可以将燃料电池100的温度调节到 合适的温度。在流过冷却剂流动通道48之后，冷却剂通过冷却剂排放歧管 43b排放到外部。在发电中未使用的燃料气体通过燃料气体排放流动通道 46b和燃料气体排放歧管41b排放到外部。此外，在发电中未4吏用的氧化 气体通过氧化气体排放流动通道47b和氧化气体排放歧管42b排放到外 部。
现在将描述多孔体流动通道50、 60的细节。图3A和3B描述了多孔 体流动通道50、 60的细节。图3A显示了多孔体流动通道50与隔离器10 的边界，图3B显示了多孑L体流动通道60与隔离器10的边界。如图3A和 图3B所示的，多孔体流动通道50、 60具有与发电部24基;^目同的形状。 多孔体流动通道50、 60具有例如85 mm x 278 mm的尺寸。
如图3A所示，在多孔体流动通道50的隔离器10侧上形成多个切口 51。切口 51在从氧化气体供给孔44a到氧化气体排放孔44b的方向上延 伸。切口 51形成为彼此间隔开例如约几毫米到几厘米。切口51的宽度可
9以为例如约1 mm到4 mm。尽管切口 51可以通过氧化气体供给孔44a直 接连接到氧化气体供给歧管42a，但是它们通过形成多孔体流动通道50的 多孔导体连接到氧化气体排放孔44b。
因为在切口 51中对气体的流动几乎没有阻力，所以氧化气体容易地流 过切口 51。因此，氧化气体通过切口 51扩散到整个多孔体流动通道50中。 因发电而产生的7jC通常倾向于累积在下游，使得气体难以在下游扩散。然
而，利用上述构造，即使因发电而产生的水累积在多孔体流动通道50的下 游，也促进气体在多孔体流动通道50的下游方向上的扩散。
在该情况下，可以使MEA21中的发电均匀分布，并且可以改善瞬态 响应。也就是说，当供给的氧化气体的量变化时，MEA21中产生的电量 达到与供给的氧化气体的量相匹配的电量的时间量减小。这是因为促进了 氧化气体到整个MEA21的供给。也改善了排水。也就是说，易于通过切 口 51排^Ut电时产生的水。如此，可以抑制因发电而产生的水的累积。
如图3B所示，在多孔体流动通道60的隔离器10侧上形成多个切口 61。切口 61在从燃料气体供给孔45a到燃料气体排放孔45b的方向上延 伸。切口 61的宽度可以为例如约1 mm到4 mm。尽管切口 61可以通过 燃料气体供给孔45a直接连接到燃料气体供给歧管41a，但是它们通过形 成多孔体流动通道60的多孔导体连接到燃料气体排放孔45b。
通过采用上述构造，燃料气体通过切口 61扩散到整个多孔体流动通道 60中。如此，可以改善燃料气体的分布。在该情况下，可以使MEA21的 发电均匀分布，并且可以改善瞬态响应。也就是说，当供给的燃料气体的 量变化时，MEA 21中产生的电量达到与供给的燃料气体的量相匹配的电 量的时间量减小。此外，当发电中产生的水反向扩散到阳极侧时，改善了 排水。
切口 51的长度在每个切口 51之间可以不同。不同长度的切口 51有助 于燃料气体扩散到整个多孔体流动通道50中。相同地，通过改变每个切口 61的长度有助于燃料气体在整个多孔体流动通道60中扩散。
图4A到图4F显示了切口 61的形状的实例。下文描述的构造也可以 应用于切口51。如图4A和图4B所示，切口 61可以具有矩形横截面。如 图4A所示，切口 61可以是通道形状，并且形成于隔离器10和多孔体流 动通道60之间。如图4B所示，切口61可以是通道形状，并且可以形成
10于MEA 21和多孔体流动通道60之间。
如图4C和图4D所示，切口 61可以具有三角形横截面。如果切口61 形成于隔离器10和多孔体流动通道60之间，则优选三角形开口朝向隔离 器10。如果切口 61形成于MEA21和多孔体流动通道60之间，则优选三 角形开口朝向MEA21。这有助于在多孔体流动通道60中形成切口 61。
如图4E所示，可以设置在气体流动方向上分割多孔体流动通道60的 槽62来代替切口61。此外，如图4F所示，可以:没置在气体流动方向上穿 过多孔体流动通道60的通孔63代替切口 61。尽管槽62和通孔63可以与 燃料气体供给孔45a直接连通，但是它们通过形成多孑L体流动通道60的多 孔导体与燃料气体排放孔45b连通。
如图5所示，可以设置孔隙率低于多孔体流动通道50的平均孔隙率的 低孔隙率区域54代替诸如切口 51的空隙。在该情况下，除了促进气体通 过低孔隙率部分54的扩散之外，还可以改善发电所产生的水的排放。在多 孔体流动通道60中，同样也可以设置孔隙率低于多孔体流动通道60的平 均孔隙率的低孔隙率部分代替切口 61。
只要在任一多孑L体流动通道50、 60中设置有上述切口、槽或通孔中的 一种，就可以实现本发明的效果。本发明的效果可以在因发电而产生的水 的累积妨碍多孑L体流动通道中的气体扩散的任何燃料电池中获得。上述切 口、槽和通孔可以通过例如抛光或蚀刻形成。
在该实施方案中，形成多孔体流动通道50、 60的导电材料是低孔隙率 区域的实施方案，切口51、 61、槽62和通孔63是高孔隙率区域的实施方 案，燃料气体排放歧管41b或氧化气体排放歧管42b是气体排放侧歧管的 实施方案，燃料气体供给歧管41a或氧化气体供给歧管42a是气体供给侧 歧管的实施方案。
现在将描述根据本发明第二实施方案的燃料电池200。图6是显示设 置有燃料电池200的燃料电池系统300的总体构造。如图6所示，燃料电 池系统300具有燃料电池200、氧化气体供给装置110、燃料气体供给装置 120、电压检测装置130、和控制器150。燃料电池200具有增加了阀140 的第一实施方案的燃料电池100的结构。
氧化气体供给装置110是用于将含氧气体供给到燃料电池200的氧化 气体供给歧管42a的装置。例如，可以使用空气泵作为氧化气体供给装置
ii110。燃料气体供给装置120是用于将含氢燃料气体供给到燃料电池200 的燃料气体供给歧管41a的装置。例如，可以使用液态氢罐或重整器作为 燃料气体供给装置120。
电压检测装置130可以是检测燃料电池200所产生的电压的电压表等。 阀140控制从燃料电池200排放的燃料气体的流动，并且连接到燃料电池 200的燃料气体排放歧管41b。控制器150包括CPU (中央处理单元)、 ROM (只读存储器)和RAM (随^取存储器)。
现在将描述燃料电池系统300的运行。氧化气体供给装置110根据来 自控制器150的指令将所需量的氧化气体供给到氧化气体供给歧管42a。 燃料气体供给装置120根据来自控制器150的指令将所需量的燃料气体供 给到燃料气体供给歧管41a。电压检测装置130检测燃料电池200所产生 的电压，并且将检测的电压传送至控制器150。岡140才艮据来自控制器150 的指令控制从燃料电池200排放的燃料气体的量。控制器150根据所检测 的电压控制氧化气体供给装置IIO、燃料气体供给装置120、和阀140。
如果阀140关闭，则燃料气体流动通道处于闭端状态。在该情况下， 可以抑制未使用的氢。因此，可以有效地使用燃料气体中包含的氢发电。 而且，不需要将氢排放到外部。然而，当阀140在所有的时间都关闭时， 从阴极侧扩散的氮可累积在阳极侧，并且发电产生的水可能累积在阳极 侧。如果出现这种情况，会不利地影响燃料电池200的发电效率。
基于所检测的电压，当燃料电池200所产生的电压低于与供给的氧化 气体和供给的燃料气体的量相对应的电压时，控制器150进行控制以打开
岡140。如此，可以排出在阳极侧累积的氮气和发电所产生的水。结果， 可以抑制燃料电池200的发电效率降低。
在该实施方案中，例如关于第一实施方案所描述的切口、槽或通孔i更 置在燃料电池200的多孔体流动通道60中。在该情况下，如果燃料气体流 动通道处于闭端状态，则可以改善燃料气体的扩散。如此，可以增加能够 在闭端状态下发电的时间长度，其结果是提高了氢的消耗效率。此外，如 果阀140处于打开状态，则提高了排放氮气和发电所产生的水的效率。
燃料电池200的燃料气体流动通道可以在所有的时间都处于闭端状 态。也就是说，阀140可以在所有的时间都是关闭的，因而可以设置代替 阀140阻断燃料气体排放歧管41b的构件。这是因为，在该情况下，如果
12切口、槽或通孔设置在多孔体流动通道60中，同样能够改善燃料气体的扩散。
燃料电池200可以具有闭端结构，其中从燃料气体排放歧管41b排放的燃料气体的压力损失高于供给到燃料气体供给歧管41a的燃料气体的压力损失。也就是说，燃料电池200可以具有闭端结构，其中排放的燃料气体的流动横截面面积因阀140而变小。此外，燃料电池200可以具有排放的燃料气体的流动横截面面积小于燃料气体供给侧的流动横截面面积的
构造o
如上所述，该实施方案中的闭端结构包括燃料气体出口总是阻塞的结构、燃料气体出口可以选择性地为打开或关闭状态的结构、和燃料气体出口侧的压力损失大于燃料气体入口侧的压力损失的结构。
在该实施方案中，阀140作为流动控制构件或压力损失调节部。
虽然已经参照认为是本发明的示例性实施方案的内^S述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所述的实施方案或结构。相反地，本发明也涵盖各种修改方案和等同布置。此外，虽然以不同的示例性组合和构造显示了所公开发明的各种要素/元件，但是包括更多、更少或仅单个要素/元件的其它的组合和构造也在所附权利要求的范围内。
权利要求
1. 一种燃料电池，包括发电部，所述发电部包括阳极、电解质和阴极；多孔体流动通道，所述多孔体流动通道设置在所述发电部的阳极侧和阴极侧的至少一个侧面上；隔离器，所述隔离器设置在所述多孔体流动通道的与所述发电部相反的侧面上；其中所述多孔体流动通道包括孔隙率高于所述多孔体流动通道的平均孔隙率的高孔隙率区域和孔隙率低于所述孔体流动通道的平均孔隙率的低孔隙率区域，其中所述高孔隙率区域通过所述低孔隙率区域与气体排放侧歧管连通。
2. 根据权利要求l所述的燃料电池，其中所述高孔隙率区域从气体供 给侧延伸到气体排放侧。
3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述高孔隙率区域连接 到气体供给歧管。
4. 根据权利要求1~3中任一项所述的燃料电池，其中所述多孔体流动 通道具有多个高孔隙率区域。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池，其中所述高孔隙率区域的每一个 的长度是不同的。
6. 根据权利要求1~5中任一项所述的燃料电池，还包括控制来自所述阳极的排放气体的流动的流动控制构件，其中 所述多孔体流动通道设置在所述发电部的至少阳极侧处。
7. 根据权利要求6所述的燃料电池，其中所述流动控制构件使来自所述阳极的排放气体的流动停止。
8. 根据权利要求6或7所述的燃料电池，其中所述流动控制构件是阀。
9. 根据权利要求8所述的燃料电池，还包括检测所述燃料电池的电压的电压检测单元，其中基于由所述电压检 测单元检测的电压开关所述阀。
10.根据权利要求1~5中任一项所述的燃料电池，还包括:部，其中所述多孔体流动通道设置在所述发电部的至少阳极侧上。
11. 根据权利要求1~10中任一项所述的燃料电池，其中所述高孔隙率 区域是空的。
12. 根据权利要求1~11中任一项所述的燃料电池，其中所述高孔隙率 区域是在所述多孔体流动通道的隔离器侧中形成的切口或槽。
13. 根据权利要求1 12中任一项所述的燃料电池，其中所述隔离器具 有板状形状。
全文摘要
燃料电池(100)具有包括阳极、电解质和阴极的发电部(24)；设置在发电部的阳极侧和发电部的阴极侧的至少一侧上的多孔体流动通道(50、60)；设置在多孔体流动通道的与发电部相反的侧面上的隔离器(10)；其中多孔体流动通道包括孔隙率高于多孔体流动通道的平均孔隙率的高孔隙率区域(51、61)和孔隙率低于多孔体流动通道的平均孔隙率的低孔隙率区域，其中高孔隙率区域通过低孔隙率区域与气体排放侧歧管(41b、42b)连通。
文档编号H01M8/24GK101501900SQ200780029701
公开日2009年8月5日 申请日期2007年8月8日 优先权日2006年8月10日
发明者柴田和则 申请人:丰田自动车株式会社