燃料电池的制作方法

文档序号:6890852
专利名称:燃料电池的制作方法
技术领域
本发明是关于燃料电池,特别是关于固体高分子型燃料电池。
技术背景作为燃料电池的一种,固体高分子型燃料电池有输出密度高的特 征(例如参照专利文献1)。固体高分子型燃料电池中,阴极反应中 生成的水以及从阳极通过电解质膜移动到阴极侧的水,虽然其比例随 温度和其他环境条件而变化,但都以液体及气体(水蒸气)的状态, 向外部排出。这时,水不能完全向外部排出、液体水蓄积在阴极气体扩散层内 时,蓄积水的区域中,在局部空气难以从阴极集电体的开口部供给,发电效率降低。特别是阴极气体扩散层内的、阴极集电体的凸台(land ) 正下方区域中,与阴极集电体的开口部正下方区域相比,空气难以供 给,所以液体水容易蓄积,妨碍空气供给。因此,为了提高液体水从阴极催化层向阴极集电体的排出能力, 提高阴极气体扩散层疏水性的方法和使阴极气体扩散层厚度变薄以 降低液体排出阻力的方法正在研究中。但是,上述方法中,阴极气体扩散层内液体水的排出阻力降低的 同时,水蒸气的排出阻力也降低。液体水和水蒸气的排出阻力降低时, 液体水排出量和水蒸气排出量加在一起的水的总排出量增大。结果, 固体高分子膜和阴极催化层中,水被夺去,质子的移动阻力和反应阻 力增大,导致发电效率降低。专利文献1特开20(M-335453号公报发明内容本发明的目的在于提供固体高分子型燃料电池中、能够实现高发 电效率的燃料电池。
根据本发明的一方式,提供一种燃料电池,具有(l)膜电极 复合体,其包含电解质膜,分别设置在该电解质膜两侧的阳极催化 层及阴极催化层,分别设置在该阳极催化层及阴极催化层的与电解质 膜侧相反的一侧的阳极气体扩散层及阴极气体扩散层,(2)阴极多 孔体,其设置在阴极气体扩散层的与阴极催化层侧相反的一侧,(3) 阴极部件,其设置在阴极多孔体的与阴极气体扩散层侧相反的一侧, 具有与上述阴极多孔体接触的凸部;(4)由阴极部件向阴极多孔体 施加压力,以便从凸部压缩阴极多孔体。
根据本发明,能够提供固体高分子型燃料电池中、能够实现高发 电效率的燃料电池。


图l是例示关于本发明实施方式的燃料电池的剖面图。
图2是例示关于本发明实施方式的燃料电池的主要部分剖面图。
图3是用于说明关于本发明实施方式的燃料电池的阴极多孔体
的微分细孔容积分布的图表。
图4是表示关于本发明实施方式的燃料电池的实施例1~3和比较
例l及2的评价结果的图表。
图5是表示关于本发明实施方式第l变形例的燃料电池的一例的
剖面图。
图6是表示关于本发明实施方式第1变形例的燃料电池的另外一 例的剖面图。
图7是表示关于本发明实施方式的第1变形例的燃料电池实施例 4及5和比较例3的评价结果的图表。
图8是表示关于本发明实施方式的第2变形例的燃料电池实施例 6和比较例4的时间与输出关系的图表。
图9是例示关于本发明实施方式的第3变形例的燃料电池的概略图。
图IO是表示关于本发明实施方式的第3变形例的燃料电池的实 施例7和比较例5及6的评价结果的图表。 符号说明 1…膜电极复合体 2、 2a、 2b、 2c…阴极多孔体 3...阳极集电体 4...阴极部件(阴极集电体) 5...阳极密封垫 6...阴极密封垫 7...开口部 8…凹部(开口部) ll...电解质膜 12...阳极催化层 13...阴极催化层 14...阳极气体扩散层 15...阴极气体扩散层 16、 17...碳致密层 21...开口正下方区域 22...凸部正下方区域 41...凸部 42…供给口 43...氺》出口
具体实施例方式
下面参照

本发明的实施方式。以下附图记载中,相同或 类似的部分用相同或类似的符号表示。但是请注意,附图是示意性的, 厚度与平面尺寸的关系、各层厚度比例与实际的不同。因此,具体厚 度和尺寸应该参考以下说明来判断。当然,附图之间,相互的尺寸关系和比例也有不同的部分。
另外,下述实施方式例示了将本发明技术思想具体化的装置和方 法,本发明的技术思想中,结构部件的材质、形状、结构、设置等并 不限定于下述内容。本发明的技术思想可以在权利要求范围内增加各 种变更。
关于本发明实施方式的燃料电池,是以燃料使用了曱醇水溶液的
直接甲醇型燃料电池(DMFC)为例进行说明的。关于本发明实施方 式的燃料电池,如图l所示,具有膜电极复合体(MEA) 1,其包 含电解质膜ll,分别设置在该电解质膜ll两侧的阳极催化层12及 阴极催化层13,分别设置在该阳极催化层12及阴极催化层13的与电 解质膜11侧相反的一侧的阳极气体扩散层14及阴极气体扩散层15; 阴极多孔体2,其设置在阴极气体扩散层15的与阴极催化层13侧相 反的一侧;阴极部件(阴极集电体)4,其设置在阴极多孔体2的与 阴极气体扩散层15侧相反的一侧,具有与阴极多孔体2接触的凸部 (凸台)41。
由膜电极复合体l、阳极集电体3、阴极多孔体2及阴极集电体 4构成的发电部,被未图示的夹紧板等从两侧夹紧。由此,由阴极部 件4向阴极多孔体2施加压力,以便从凸部41压缩阴极多孔体2。阴 极多孔体2,因从凸部41施加的压力,在面内具有压力分布(压力的 疏密)。
膜电极复合体1的电解质膜11,例如由Nafion膜(注册商标) 等固体高分子膜构成,具有质子(H+)导电性。阳极催化层12,例如 由铂钌(PtRu)等构成,由阳极反应生成质子(H+)。阴极催化层 13例如由铂(Pt)等构成,由阴极反应生成水。
阳极气体扩散层14,顺畅地进行向阳极催化层12的燃料供给、 阳极反应产生的生成物的排出、以及集电。阴极气体扩散层15,顺畅 地进行向阴极催化层13的空气供给、阴极反应产生的生成物的排出、 以及集电。例如,阳极气体扩散层14可以使用将市面出售的碳纸用 PTFE实施了疏水处理的,阴极气体扩散层15可以使用市面出售的带碳致密层的碳布。
膜电极复合体l,例如将两面涂抹了阳极催化层12及阴极催化 层13的电解质膜11与阳极气体扩散层14及阴极气体扩散层15接合 后制成。或者也可以将电解质膜ll与涂抹了阳极催化层12的阳极气 体扩散层14及涂抹了阴极催化层13的阴极气体扩散层15接合。分 别以高压力接合,由此能够降低与阳极催化层12及阴极催化层13接 触的界面的接触电阻。
这里,"接合"是指,事先使用压力机等将两者压缩、从而一体化, 在分解发电部的时候难以分离的状态。因此,接合后的部件,与原来 的部件的厚度相比,整个面厚度变薄。另外,"接触"是指,没有事先
通过压缩使两者一体化,分解发电部时二者能够容易分离的状态,不 同于"接合"。
使两面涂抹了阳极催化层12及阴极催化层13的电解质膜11与 阳极气体扩散层14及阴极气体扩散层15接触时,或者使电解质膜11 与涂抹了阳极催化层12的阳极气体扩散层14及涂抹了阴极催化层13 的阴极气体扩散层15接触时,由发电部的夹紧产生的压缩力比接合 时的压缩力弱,所以阳极催化层12与阴极催化层13的接触不充分, 有时界面电阻增加,发电效率降低,因此最好还是接合。
膜电极复合体l与阳极集电体3接触。阳极集电体3具有向阳极 供给液体燃料、同时排出未使用的液体燃料等的开口部7。作为阳极 集电体3,例如可以使用碳板等。
阴极多孔体2与阴极集电体4接触。阴极集电体4具有向阴极供 给空气的同时排出膜电极复合体l产生的水等生成物的开口部(凹部) 8。作为阴极集电体4,例如可以使用碳板等。膜电极复合体l及阴极 多孔体2的周围,设置了防止燃料及空气泄漏的阳极气体密封垫5及 阴极气体密封垫6。
阴极多孔体2与膜电极复合体1接触。作为阴极多孔体2,可以 使用市面出售的碳纸、碳布或者碳无纺布等。碳纸、碳布或者碳无纺 布的疏水性,可以通过改变PTFE的含量来调整。阴极多孔体2具有导电性和疏水性。
这里,"具有疏水性"是指,具有疏水性的细孔体积大于具有亲水
性的细孔体积。具有疏水性及亲水性的细孔的体积,可以用文献(W-k
Lee, J.W.Van Zee, Akshaya Jena, and Krishna Gupta. Fuel Cell Seminar, 2004 )中记栽的方法来测量。用此方法求出的、具有亲水性 的细孔体积为V1、具有疏水性的细孔体积为V2时,将V1^V2的状 态作为"具有疏水性"。如果满足此条件,即使具有疏水性的细孔附近 存在有亲水性的细孔也没有关系。
另外,"具有导电性"是指,具有电阻率高于空气的性质。但是, 电阻率越低,越能够抑制电阻导致的输出损失,所以最好是具有电阻 率1000mQ,cm的多孔体。
如图2所示,阴极多孔体2具有位于阴极集电体4的凸部41 正下方的凸部正下方区域22,位于阴极集电体4的开口部8正下方、 压力小于凸部正下方区域22的开口正下方区域21。凸部正下方区域 22及开口正下方区域21,通过使阴极多孔体2和阴极集电体4的凸 部41接触后、用夹紧板等以规定压力夹紧发电部,由从阴极集电体4 的凸部41施加的压力挤压阴极多孔体2,在阴极多孔体2内的面内产 生压力分布。另外,希望阴极多孔体2具有规定范围内的压缩性,以 便由夹紧时的压缩使阴极多孔体2内的面内产生压力分布。
将阴极多孔体2与膜电极复合体1接合时,为了消除气体扩散层、 催化层等的界面电阻,使接合压力比夹紧发电部时的规定压力高几 倍。因此,接合膜电极复合体l的同时、在膜电极复合体l上接合阴 极多孔体2时,阴极多孔体2的整个面内,在发电部夹紧前被事先压 缩。因此,即使在膜电极复合体1与阴极多孔体2接合后,使阴极集 电体4接触后夹紧,由于阴极多孔体2事先被更强的接合压力压缩, 所以凸部正下方区域22与开口正下方区域21的压力疏密差变小。阴 极多孔体2的接合压力变弱时,只要是整个面进行接合,凸部正下方 区域22与开口正下方区域21的压力疏密差就会变小。因此,希望阴 极多孔体2与膜电极复合体1接触。这里,凸部正下方区域22中由于施加高的压缩压力,大的气孔 直径被压破,所以与开口正下方区域21相比,小气孔直径与大气孔 直径的数量之比高。图3表示对于市面销售的、厚度350jim、带碳致 密层的碳布不施加压力时的气孔直径分布(实线)和施加发电部夹紧 所必需的规定压力时的气孔直径分布(虚线)。从图3中可知,施加 规定的夹紧压力时,与不施加压力的区域相比,小气孔直径与大气孔 直径的数量之比增加。另外,设水的表面张力为o、接触角为e、气孔半径为r、系数 为J时,作用于阴极多孔体2内的水的毛细管力Pc由式(4)表示。Pc=(2ocos0/r)J." (4)因此,阴极多孔体2具有疏水性时,气孔直径越小,毛细管力越 强,液体的排出能力越高。即,作用于凸部正下方区域22的毛细管 力比开口正下方区域21强。因此,通过凸部正下方区域22及开口正 下方区域21的毛细管力的作用,凸部正下方区域22中蓄积的液体水 容易向开口正下方区域21移动,液体水难以蓄积在凸部正下方区域 22中。关于本发明实施方式的燃料电池在发电时,燃料电池的阳极侧, 液体燃料从阳极集电体3供给,经过阳极气体扩散层14,供给到阳极 催化层12。阳极催化层12中发生式(1)的反应。CH3OH+H20—6H++6e +C02 . (1)阳极催化层12中生成的质子(H+)从阳极催化层12通过电解 质膜ll流向阴极催化层13。阳极催化层12中生成的电子(e。经由 阳极气体扩散层14、阳极集电体3、未图示的外部电路、阴极集电体 4、阴极多孔体2,运送到阴极催化层13。阳极催化层12中生成的 C02通过阳极气体扩散层14、阳极集电体3,向外部排出。另外,阴极侧中,空气从阴极集电体4的开口部8供给,经过阴 极多孔体2及阴极气体扩散层15,供给到阴极催化层13。阴极催化 层13中发生式(2)的反应。4H++4e +02—2H20 .. (2)阴极催化层13中生成的水的一部分,通过电解质膜ll向阳极催 化层12侧逆扩散,剩下的透过阴极气体扩散层15、阴极多孔体2, 从阴极集电体4的开口部8向外部排出。并且发成交叉(crossover),即,在由阳极催化层12生成的质 子(H+)移动的同时,阳极催化层12中未反应的甲醇及水通过电解 质膜11向阴极催化层13移动。交叉后的曱醇与氧发生式(3)的反 应,生成水。CH3OH+3/202—C02+2H20...(3)反应式(3)生成的水,与反应式(2)生成的水及交叉的水一样, 一部分再次通过电解质膜11向阳极催化层12逆扩散,剩下的透过阴 极气体扩散层15及阴极多孔体2,从阴极集电体4的开口部8向外部 排出。这时,由凸部正下方区域22及开口正下方区域21的毛细管力 差的作用,凸部正下方区域22中蓄积的液体水容易向开口正下方区 域21移动,能够提高凸部正下方区域22的液体水的排出能力。因此, 能够有效进行向凸部正下方区域22的空气供给,从而能够提高发电 效率。并且,通过在阴极气体扩散层15和阴极集电体4之间设置阴极 多孔体2,抑制从阴极气体扩散层15向阴极集电体4的气体透过。因 此,与未使用阴极多孔体2时相比,能够增大从阴极催化层13向阴 极集电体4移动的水蒸气的阻力。结果,电解质膜ll及阴极催化层 13中能够保持合适范围的水。因此能够防止由于水不足而引起的电解 质膜11及阴极催化层13的干燥、能够降低质子的移动阻力,所以能 够提高发电效率。如以上说明,根据本发明实施方式的燃料电池,能够提高发电效 率。并且,例如直接甲醇型燃料电池(DMFC)这样,阳极反应中使 用甲醇和水时,增加阴极催化层13中生成的水通过电解质膜11向阳 极催化层12的水的逆扩散量时,由于抑制了从阳极催化层12向阴极 催化层13的水的透过,所以能够提高从燃料盒等供给的燃料的甲醇 浓度,从而能够提高燃料利用效率。下面说明关于本发明实施方式的燃料电池的实施例1~3。首先, 将Pt-Ru类的阳极催化层12及Pt类的阴极催化层13与全氟辛烷磺 酸树脂溶液(Nafion5wtV。溶液)、水及乙二醇混合搅拌后,用喷射 器将料浆涂抹在PTFE薄板上并干燥。接着,在厚度50nm的固体高 分子膜(Nafionl12 ) 11上,将上述带阳极催化层12及阴极催化层13 的PTFE薄板,以温度125。C、加重100Kg/cm2的压力接合,然后只 剥下PTFE薄板,制成带阳极催化层12及阴极催化层13的电解质膜 11。电解质膜11上阳极催化层12的涂抹量为6.0mg/cm2,阴极催化 层13的涂抹量为3.5 mg/cm2。阳极气体扩散层14,准备在厚度约200nm的30wt%PTFE浸渍 的疏水碳纸(東k社制、TGP-H-060)的表面上设置了碳致密层的材 料。碳致密层主要由碳微粉末(Vulcan-72R)和PTFE构成。将碳微 粉末与PTFE以重量比1比0.66的比例在水中混合,搅拌30分钟后, 在此溶液中滴下异丙醇。然后再搅拌5分钟,用喷射法将此混合溶液 喷涂到碳纸的与阳极催化层12接触的一面上,进行在IOO'C下进行1 小时、在360。C下30分钟的高温处理,形成带碳致密层的阳极气体扩 散层14。阴极气体扩散层15,准备与阴极催化层13接触的面上带有碳致 密层的市面销售的碳布。将带阳极催化层12及阴极催化层13的电解 质膜ll、带碳致密层的阳极气体扩散层14及带碳致密层的阴极气体 扩散层15,以温度125。C、 50kg/ci^的压力接合,得到膜电极复合体 1。作为阴极多孔体2,实施例1 3中分别准备厚度220nm的碳纸、 厚度235pm的碳布、厚度200jim的碳无纺布。这些多孔体直接使用 市面销售的、因事先含有PTFE而具有疏水性的材料。作为阳极集电体3及阴极集电体4,准备在厚度10mm的碳板上 形成了流路深度0.5mm、流路宽度lmm、凸台宽度lmm的蛇形流路 的材料。将以上准备的材料如图1所示组装,制成实施例1~3。另外,作为比较例1,制作未使用阴极多孔体2的材料。作为比较例2,阴 极多孔体2使用与实施例1 一样的碳纸,不与阴极气体扩散层15接 触,以50kg/cm2接合。对于实施例1~ 3和比较例1及2,将条件固定为温度60'C、甲 醇燃料浓度1.2M、燃料流量0.4ccm、空气流量90ccm、负栽电流1.8A 之后,测量水透过率及输出。"水透过率"是指,相对于从阳极通过电 解质膜11向阴极移动的质子移动量的水移动量的比例。设从阳极到 阴极的水的移动量(mol/s )为Ml、从阳极到阴极的质子移动量(mol/s ) 为M2,水透过率M0由式(4)定义。MO=Ml/M2... (4)即,MO低表示从阳极到阴极的水透过量被抑制。 图4表示实施例1~ 3和比较例l及2的水透过率和输出特性。 由图4可知,实施例1~3中,与比较例l向比,输出相等或上升, 且水透过率降低。比较例2中,相对比较例1,水透过率降低了,但 输出也降低了。(第1变形例)作为本发明实施方式的第1变形例,如图5所示,可以在阴极催 化层13与阴极气体扩散层15之间设置碳致密层16。作为碳致密层 16,可以使用比阴极气体扩散层15更具有致密结构的MPL (Micro Porous Layer) 。 MPL可以将碳粉和聚四氟乙烯(PTFE )在溶剂中 制成浆状,在380。C下烘干后制成。碳致密层16可以在阴极多孔体2 表面上直接形成,也可以与阴极多孔体2接合或接触。另外,如图6所示,可以在阴极催化层13与阴极气体扩散层15 之间设置碳致密层16,再在阴极气体扩散层15与阴极集电体4之间 设置碳致密层17。根据本发明实施方式的第1变形例,如图5及图6所示,通过设 置碳致密层16、 17,能够更加降低碳致密层16、 17接触的界面的接 触电阻,能够更加提高水和空气等的物质扩散。因此,不会导致输出 降低且能够降低水透过率。下面说明关于本发明实施方式第1变形例的燃料电池的实施例4 及5。实施例4如图5所示,是在阴极多孔体2与阴极气体扩散层15 接触的面上形成碳致密层16;实施例5如图6所示,是在阴极多孔体 2的两面上分别形成碳致密层16、 17。碳致密层16、 17是将碳微粉末(Vulcan-72R)和PTFE以重量 比1比0.66的比例混合,并将此混合料浆用喷射法喷涂在阴极多孔体 2表面上后,进行100'C、 l小时,360'C、 30分钟的高温处理后形成。阴极多孔体2使用厚度约200nm的碳纸。在此碳纸表面上形成 了碳致密层16、 17后的厚度,单面形成时厚度为250nm,双面都形 成时厚度为300nm。膜电极复合体l、阳极集电体3及阴极集电体4 与实施例l使用的相同。将以上准备的材料组装后制成实施例4及5。另外,作为比较例 3,制作了没有阴极多孔体及碳致密层的。对于实施例4及5和比较例3,将运行条件设定为发电部温度 60'C、燃料浓度1.2M、空气流量120ccm、负栽电流为规定值之后, 进行输出及水透过率的试验。图7表示实施例4及5与比较例3的试 验结果。由图7可知,实施例4中输出为0.420V、水透过率为0.26, 与比较例3的输出0.415V、水透过率0.41相比,输出提高,水透过 率4皮抑制。另外,实施例5中,输出为0.416V、水透过率为0.18,与 比较例3相比输出几乎没有变化,但水透过率被大幅抑制。 (第2变形例)作为本发明实施方式的第2变形例,说明阴极部件(阴极集电体) 4的结构不同的一例。作为阴极部件(阴极集电体)4,只要是向阴极 多孔体2供给空气且排出来自阴极多孔体2的水、同时在阴极多孔体 2上形成压力分布的就可以。例如,阴极部件4可以具有直接吸入空 气的空气吸入结构,也可以在阴极部件4上形成流路。作为本发明实施方式第2变形例的燃料电池的实施例6,膜电极 复合体1准备与实施例1一样的,阴极集电体4使用空气吸入结构的 材料。阳极集电体3使用与实施例1一样、具有流路的材料。阴极多孔体2使用厚度70(Him的30wt%PTFE疏水处理后的碳纸。将以上 准备的材料组装后制成实施例6。另外,作为比较例4,制成没有阴 极多孔体、其他结构与实施例6相同的样品。对于实施例6和比较例4,将运行条件设定为发电部温度60'C、 燃料浓度1.2M、燃料流量0.4ccm、负栽电流1.8A之后,进行输出及 水透过率的试验。图8表示实施例6与比较例4的试验结果。由图8 可知,实施例6中,与比较例4相比,输出提高且水透过率降低。 (第3变形例)作为本发明实施方式第3变形例,如图9所示,说明阴极部件(阴 极集电体)4的结构不同的一例。阴极集电体4在与阴极多孔体2接 触的一侧具有蛇形流路(开口部)8。被流路(开口部)8夹着的区域 形成凸部41。流路8,从供给口 42供给阴极催化层13中的反应所使 用的空气,从排出口 43中排出阴极催化层13中的反应生成的水及交 叉的水。阴极多孔体2被分为3个部分,具有设置在流路8的供给口 42侧(上游侧)的第1阴极多孔体2a、设置在中游侧的第2阴极多 孔体2b、设置在排出口 43侧(下游侧)的第3阴极多孔体2c。第1阴极多孔体2a,在第1~第3阴极多孔体2a 2c中气体透 过率最低。"气体透过率"是指,以规定的压力差向阴极多孔体2供给 空气时,阴极多孔体2内流动的空气流量。第3阴极多孔体2c,在第 1~笫3阴极多孔体2a 2c中气体透过率最高。阴极集电体4的流路8中有空气流动时,流路8的上游侧有来自 大气的未饱和状态的空气流动,中游侧中由于在上游侧从阴极多孔体 2排出的水的缘故,空气从未饱和,饱和度上升。下游侧中,由于增 加了在中游侧从阴极多孔体2排出的水,因此由于高饱和度或过饱和 而^^得含有液滴的空气流动。因此,越靠近上游侧,电解质膜11的 水分越被空气剥夺,容易千燥。越靠近下游侧,阴极催化层13及阴 极气体扩散层15中越蓄积液滴,容易妨碍空气的供给。由于第1~第3阴极多孔体2a 2c的作用,从流路8的上游侧到下游区域,气体透过量逐渐升高。结果,流路8的上游侧中,从阴 极气体扩散层15向阴极集电体4移动的水蒸气量能够被相对地抑制, 从而能够防止干燥。另外,流路8的下游侧中,能够顺畅地进行水蒸 气和空气的交换,从而能够提高发电效率。如以上说明,对于l张膜电极复合体l,使用特性不同的多种阴 极多孔体2a 2c,能够抑制因空气流动而产生的膜电极面内的不均匀 性,实现高的发电效率。另外,假设为了使阴极气体扩散层15的气体透过量在上游侧、 中游侧、下游侧变化而使用多种阴极气体扩散层15时,作为膜电极 复合体l而接合时,有时会产生面内不均匀性和变形。面内接合不均 匀时,膜电极复合体1的阳极催化层12及阴极催化层13与电解质膜 ll之间、阳极催化层12与阳极气体扩散层14之间、阴极催化层13 与阴极气体扩散层15之间,界面电阻增大,性能降低。与之相对,使用多种阴极多孔体2a 2c时,接合膜电极复合体l 后使第1~第3阴极多孔体2a 2c与膜电极复合体l接触。由此,即使 第1 第3阴极多孔体2a 2c的厚度、弹性、塑性系数不同,接合膜电 极复合体l时也不会发生面内不均匀性和变形。像这样在接合膜电极 复合体l后使笫1~第3阴极多孔体2a 2c接触的方法,从防止膜电极 复合体1性能降低的观点看来也是有效的。另外,虽然以上在本发明实施方式的第3变形例中说明了 3种(第 1 第3)阴极多孔体2a 2c,但是只要在易干燥区域和易积水区域中 使用气体透过量不同的多个阴极多孔体即可,也可以使用4种以上阴 极多孔体,还可以使用按上游侧和下游侧区分的2种阴极多孔体。下面说明关于本发明实施方式的第3变形例的燃料电池的实施 例7。膜电极复合体l准备与实施例l相同的,使用形成了蛇形流路 的阳极集电体3及阴极集电体4。阴极多孔体使用按形成在阴极集电 体4上的流路的上游和下游区分的2种阴极多孔体。蛇形流路的上游 侧使用气体透过率低(K=0.5xl0"3m2)的、带碳致密层的碳布,下游 侧使用气体透过率高的带碳致密层的碳布(K=1.3xl0_13m2)。将以上准备的材料组装后制成实施例7。另外,作为比较例5,使用整个面 只用实施例7的燃料电池的阴极多孔体2上游侧所使用的气体透过率 低的碳布;作为比较例6,使用整个面只用实施例7的阴极多孔体2 下游侧所使用的气体透过率高的、带碳致密层的碳布。对于实施例7和比较例5及6,将运行条件设定为发电部温度 60。C、燃料浓度2.0M、燃料流量0.24ccm、空气流量80ccm、负栽电 流1.8A之后,进行输出及水透过率的试验。图10表示输出和水透过 率的试验结果。由图10可知,实施例7中,输出为0.348,高于比较 例5及6,且水透过率比比较例6还得到抑制。 (其他实施方式)如上述,虽然本发明由实施方式来记栽,但不应该理解为构成本 公开的一部分的论述及附图限定了本发明。从本公开中,业内人士应 该能明白各种替代实施方式、实施例及运用技术。例如,阳极侧的结构并不特别限定于图l所示的阳极催化层12、 阴极气体扩散层14、阳极集电体3的结构。例如,可以在阳极催化层 12与阳极气体扩散层14之间设置碳致密层。另外阳极集电体3可以 是可供给燃料的导电体或具有气液分离机构的流路板。另外,代替阴极部件4、由其他部件进行集电时,阴极部件4可 以是没有导电性的材料。不用说,本发明还包含这里没有记载的各种 实施方式等。因此,本发明的技术范围只取决于从本说明得出的权利 要求范围所涉及的发明特定事项。
权利要求
1.一种燃料电池,其特征在于,具有膜电极复合体,其包含电解质膜,分别设置在该电解质膜两侧的阳极催化层及阴极催化层,分别设置在该阳极催化层及阴极催化层的与上述电解质膜侧相反的一侧的阳极气体扩散层及阴极气体扩散层;阴极多孔体,其设置在上述阴极气体扩散层的与上述阴极催化层侧相反的一侧;以及阴极部件,其设置在上述阴极多孔体的与上述阴极气体扩散层侧相反的一侧,且具有与上述阴极多孔体接触的凸部,其中由上述阴极部件向上述阴极多孔体施加压力,以便从上述凸部压缩上述阴极多孔体。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池,其特征在于,上述阴极多 孔体具有设置在上述凸部正下方的凸部正下方区域;和 设置在上述阴极部件的凹部正下方、且从上述凸部施加的压力小 于上述凸部正下方区域的开口正下方区域。
3. 根据权利要求2所述的燃料电池,其特征在于,上述凸部正 下方区域中小气孔直径与大气孔直径的数量之比高于上述开口正下 方区域。
4. 根据权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于,上述阴 极多孔体具有导电性及疏水性。
5. 根据权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于,上述阴 极多孔体的材料是从碳纸、碳布、以及碳无纺布中选择的任一种。
6. 根据权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于,上述阴 极气体扩散层和上述阴极多孔体之间还具有碳致密层。
7. 根据权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于,上述阴 极多孔体与上述阴极部件之间还具有碳致密层。
8. 根据权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于,上述阴 极部件具有导电性,进行集电。
9. 根据权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于,上述阴 极部件具有向上述阴极多孔体供给空气、且排出来自上述阴极多孔体的流体的流路。
10. 根据权利要求9所述的燃料电池,其特征在于,上述阴极多 孔体具有设置在上述流路的上游侧的第1阴极多孔体;和 设置在上述流路的下游侧、且气体透过率比上述第1阴极多孔体 高的笫2阴极多孔体。
全文摘要
本发明提供固体高分子型燃料电池中、能够实现高发电效率的燃料电池。具有膜电极复合体(1),其包含电解质膜(11),分别设置在该电解质膜(11)两侧的阳极催化层(12)及阴极催化层(13),分别设置在该阳极催化层(12)及阴极催化层(13)的与电解质膜(11)侧相反的一侧的阳极气体扩散层(14)及阴极气体扩散层(15);阴极多孔体(2),其设置在阴极气体扩散层(15)的与阴极催化层(13)侧相反的一侧;阴极部件(4),其设置在阴极多孔体(2)的与阴极气体扩散层(15)侧相反的一侧,具有与阴极多孔体(2)接触的凸部(41),其中,由阴极部件(4)向阴极多孔体(2)施加压力,以便凸部(41)压缩阴极多孔体(2)。
文档编号H01M8/10GK101271976SQ20081000282
公开日2008年9月24日 申请日期2008年1月9日 优先权日2007年3月23日
发明者佐藤裕辅, 八木亮介, 川野浩一郎 申请人:株式会社东芝
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