专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用电化学反应的燃料电池，尤其涉及对在流动路径中流动的气体短路(short-cutting)的防止。
背景技术：
通常，燃料电池包括电化学发电元件，该电化学发电元件经由催化层将离子导电电解质膜夹在并固定在燃料电极和氧化剂电极之间，所述燃料电极和氧化电极包括呈多孔体的催化层和气体扩散层；和隔板，隔板设置在电化学发电元件的每一侧上，在隔板上设置燃料流体流动路径(燃料气体流动路径)和氧化流体流动路径(氧化气体流动路径)，这两种路径分别向燃料电极和氧化电极提供燃料流体(燃料气体)和氧化流体(氧化气体)。
在这种类型的燃料电池中，当电池在平面上观察时，气体扩散电极顺利地将反应气体(燃料气体和氧化气体)从气体流动路径传送到催化层，同时具有向气体流动路径释放反应产物如生成的气体和水的功能，与此同时形成反应气体的短路路径，造成气体使用效率的降低。
例如在JP特开2001-76746(第3页，图1)中所公开的那样，常规的燃料电池包括单电池和隔板，在单电池中，电解质膜被燃料电极和氧化电极夹住并固定，在隔板上，由多个平行的沟槽形成的平行燃料电池流动沟槽组向燃料电极提供燃料气体，由多个平行的沟槽形成的平行氧化流动沟槽组向氧化电极提供氧化气体，两种流动路径组都弯曲地延伸，电池和隔板依次地组合以形成层叠体。在这种类型的燃料电池中，使得在相邻的平行流动沟槽组之间的脊宽大于在平行流动沟槽组内部的沟槽间的脊宽，以便减少在隔板流动路径内气体短路。
在调整在上述常规燃料电池中的内沟槽距离(脊宽)方面，当为了尽可能地避免气体短路而使脊宽制得极宽时，在这些区域中出现了很难使反应气体扩散到催化层的问题，电极的反应面不能有效地工作。
发明内容
本发明的目的在于解决上述常规燃料电池的问题，提供一种燃料电池，它能够在不减少用于电极反应的有效面积的条件下防止气体短路。
本发明的燃料电池设置有电化学发电元件，该电化学发电元件经由催化层将离子导电电解质膜夹在并固定在各燃料电极和氧化电极之间，所述燃料电极包括呈多孔体的催化层和气体扩散层，所述氧化电极包括呈多孔体的催化层和气体扩散层；设置在电化学发电元件的一侧上的隔板，在该隔板上设置了用于向燃料电极提供燃料气体的燃料气体流动路径；以及设置在电化学发电元件的另一侧上的隔板，在该隔板上设置了用于向氧化电极提供氧化气体的氧化气体流动路径。燃料气体流动路径或氧化气体流动路径中至少一个具有弯曲延伸的流动沟槽，流体从流动沟槽的一端流向另一端。在隔板上开槽的流动沟槽的有效反应区的形状是矩形的，在沿弯曲取向的第一方向上的流动沟槽的长度(H)比沿处于弯曲的上游和下游的它们的主要延伸的第二方向上的流动沟槽的长度(L)更长，这里流体以相反方向流动。
参照附图详细描述本发明的优选实施方式，其中图1是根据本发明实施例1的燃料电池的截面示意图，表示沿叠层切开的燃料电池的主要构件的模拟外形；图2是从阳极气体扩散层侧看到的阳极侧隔板的平面图，用以说明根据本发明实施例1的燃料电池；图3是表示在H/L与短路比例和电池电压之间的关系的特征曲线图，用以说明根据本发明实施例1的燃料电池；和图4是表示在H/L与短路比例和电池电压之间的关系的特征曲线图，用以说明根据本发明实施例2的燃料电池。
具体实施例方式
实施例1图1-图3是根据本发明实施例1的示意图，具体而言，图1是表示沿叠层切开的燃料电池的主要构件的模拟外形的截面图，图2是从阳极侧的气体扩散层侧看到的阳极侧上的侧隔板的平面图，图3是表示在H/L与短路比例和电池电压之间的关系的特征示图。
如图1所示，本实施例构成为7层叠层结构单元，按顺序由阳极侧(燃料电极侧)隔板1a、阳极气体扩散层2a、阳极催化层4a、质子交换电解质膜3、阴极(氧化电极)催化层4b、阴极气体扩散层2b和阴极侧隔板1b构成。也就是说，本实施例设置有电化学发电元件100，该电化学发电元件100经由催化层4a和4b将离子导电电解质膜3夹在并固定在燃料电极和氧化电极之间，所述燃料电极包括由多孔体形成的阳极气体扩散层2a和阳极催化层4a，所述氧化电极包括由多孔体形成的阴极气体扩散层2b和阴极催化层4b；设置在电化学发电元件100的任意一侧上的隔板1a、1b，在隔板1a、1b上设置了分别用于向燃料电极和氧化电极提供燃料气体和氧化气体的燃料气体流动路径和氧化气体流动路径。
并且，在阳极侧隔板1a的阳极电极(阳极气体扩散层2a)侧的表面上形成流动沟槽5a，沟槽5a形成阳极气体流动路径，在相反侧的表面上形成用于冷却水的流动路径(未示出)。同样，在阴极侧隔板1b的阴极电极(阴极气体扩散层2b)侧的表面上形成流动沟槽5b，沟槽5b形成阴极气体流动路径，在相反侧的表面上形成用于冷却水的流动路径(未示出)。脊部7a设置在阳极侧隔板1a上的相邻流动沟槽5a之间，脊部7b设置在阴极侧隔板1b上的相邻流动沟槽5b之间。
图1中示出了一个发电单元，在所述发电单元中阳极侧隔板1a和阴极侧隔板1b设置在电化学发电元件100的任一侧；但实际上，燃料电池通常由这种类型的发电单元的多个层构成。此外，阳极侧隔板1a和阴极侧隔板1b不限于为独立构件，燃料电池层叠体可采用合并型隔板构成，在合并型隔板中，燃料气体流动路径5a设置在一个主表面上，氧化气体流动路径5b设置在另一主表面上，燃料电池层叠体可由这种隔板和电化学发电元件100的交替层构成。
如图2所示，在根据本实施例的燃料电池中，燃料气体流动路径或氧化剂气体流动路径中的至少一个(虽然图2仅示出了燃料气体流动路径，但在本实施例中都存在)以弯曲延伸的八个流动沟槽5a(借助图2中的阴影线示出)的方式延伸。另外，在各流动沟槽5a的任意一端处设置气体供应管路8a(燃料气体入口管路)和气体排放管路8b(燃料气体出口管路)，八个流动沟槽5a全部连接到上述管路8a、8b，这种构造使气体从流动沟槽5a的一端流向另一端。
在隔板1a上开槽的流动沟槽5a的有效反应区(由图2中的虚线围绕的区域)的形状是矩形的，在沿弯曲取向52的第一方向上的流动沟槽5a的长度H比沿位于弯曲52的上游和下游的主要延伸51的第二方向上的长度L更长，其中流体在相反方向上流动。
利用质子交换膜燃料电池，由于工作温度低-约80℃-几乎所有由电化学反应生成的水不蒸发，而是以流体方式流过氧化流动沟槽5b。由于和蒸汽相比，液体难以从低位置流向更高位置，因此将氧化气体流动沟槽5b的主要延伸51的方向设定为基本上水平，将弯曲取向52的方向设定为基本上垂直，在一般用途中，使包括氧化气体的流体在氧化气体流动沟槽5b中从更高位置流向更低位置。根据这种类型的构造进行以下说明。在这些情况中，对齐流动沟槽5a的弯曲52的方向是纵向的，流动沟槽的主要延伸51的方向是横向的。
在图2中，在流动沟槽部分内的相邻点A和B之间短路的气体的流动体积与在点A和点B之间的压力差成正比。压力差与从点A到点B的流动沟槽的长度-H1和两倍L1的总和(H1+2×L1)成正比。因此，通过改变在隔板中有效反应面积的纵-横比例，也就是说，通过增大H/L，在点A和点B之间的压力差可以变小，结果，可以在不减少电极的有效反应面积的条件下防止在气体扩散层内的气体短路。
图2是隔板的模拟图，在隔板上，在入口管路8a和出口管路8b之间形成具有2mm的流动沟槽宽度和2mm的流动沟槽间隔的平行流动沟槽组。在平行流动沟槽组中沟槽的数量是八个，它们沿着流动路径向回弯曲五次。此外，在图2中所示的隔板中，L＝12.5cm，H＝16cm，由虚线围绕的有效反应面积是12.5×16＝20cm2。
对于200cm2的有效反应面积和八个流动沟槽而言，图3表示H/L系数-纵向长度H与横向长度L的比值-与气体短路比率的计算值和电池电压的关系。然而，流动沟槽宽度和流动沟槽间隔均固定在2mm，据此调整弯曲的数量。在图3中，连续线是短路比例，虚线是对于95％的燃料利用率的电池电压，点划线是对于85％的燃料利用率的电池电压。
如上所述，气体短路的体积正比于在各点处的压力差，在相邻流动沟槽之间的压力差、运动阻力和在流动沟槽之间的气体扩散层的厚度的计算结果以及在流动沟槽之间的距离作为参数表示。
利用如下方式制成的发电单元进行电池(单电池)电压的测量。通过对在电解质膜3的任一侧上的燃料电极和氧化电极进行压力结合，形成电化学发电元件100。50μm厚的全氟碳磺酸质子交换膜用作电解质膜3。用碳支撑的铂或铂钌合金粉末与电解质膜成分一起混合成膏状(催化层4a、4b)，涂覆在0.3mm厚的碳纸-气体扩散层5a和5b-上用作燃料电极和氧化电极。通过切割2mm厚的碳板形成隔板1a和1b，并将5kgf/cm2的表面压力作用在阳极和阴极各自的隔板1a和1b之间的电化学发电元件100上，由此构成发电单元。
下面描述工作条件。为了利用尽可能高效的燃料利用率产生电能，设定85％或95％的高利用率，氧利用率为40％。在燃料气体中，氢和二氧化碳以3∶1的比率混合，并且采用重整伪气体(dummy gas)，以10ppm向所述重整伪气体添加一氧化碳。空气用作氧化气体。在将燃料气体和氧化气体送至发电单元之前，通过70℃冒泡的水进行加湿。在250mA/cm的电流密度和75℃的电池温度下进行电池电压的测量。通过在发电单元的任一端上设置水冷却板，并通过使75℃的热水以300cc/min流过，将电池温度设定为固定温度。
在由图3中的实线表示的气体短路的比率中，H/L从0.5左右开始逐渐平滑地变化，可知从当H/L超过1时的一般区域开始，它变得更加平滑。此外，从H/L超过1的一般区域开始，短路比率变得低于10％，具有实用值。
由虚线和点划线表示的电池电压的两个峰值，H/L都在1.8的区域内。
利用95％的燃料利用率，从H/L超过1的区域开始，可以稳定地维持电池电压。此外，利用85％的燃料利用率，当H/L大于1并小于2.5时，电池电压具有0.7V或更大的可用值。
这些事实表明，优选H/L大于1并小于2.5。
并且，更优选H/L大于1.2，因为升高的电池电压更稳定。
此外，H/L优选小于2，更优选小于1.8。
当H/L超过特定值(在1.8的区域中)时电池电压下降，如图3所示，认为这与在流动路径入口的干涸或在出口处的溢流现象有关。一般来说，由于在燃料电池中生成的水在沿流动路径流动之后排出，水趋于汇集在相邻出口(相邻出口管路8b)的流动路径中，结果，电极(催化层)被水掩没，发生溢流现象，这样反应气体不能容易地到达电极。当H/L变大时，从流动路径的上部向下部的重力方向上的距离(H)变长，因此看上去难以使位于流动路径下部中的水穿过电解质膜和气体扩散层以及使其循环至其中电解质的膜阻力大的较干气体入口区域。
图3表示燃料利用率高的情况；氧化利用率高的情况是类似的。
实施例2图4是根据本发明实施例2的燃料电池的示意图，具体而言，它是表示短路比率和电池电压的比值H/L关系的特性图。
实施例1具有弯曲延伸的八个流动沟槽；但在此实施例中，具有十六个弯曲延伸的流动沟槽。气体流动沟槽的宽度和在流动沟槽之间的间隔各为1mm。该结构的其它细节类似于实施例1的那些。
对于200cm2的有效反应区和十六个流动沟槽而言，图4表示H/L系数-纵向长度H与横向长度L的比值-与气体短路比率的计算值和电池电压的关系。然而，流动沟槽宽度和流动沟槽间隔均固定在1mm，据此调整弯曲的数量。在图4中，连续线是短路比例，虚线是对于95％的燃料利用率的电池电压，点划线是对于85％的燃料利用率的电池电压。
在本实施例中，短路比率和电池电压对于H/L的关系表现出与具有八个流动沟槽的实施例1类似的趋势。并且在图4中，也知道H/L优选应大于1并小于2.5，更优选大于1.2。
上述实施例描述了具有八个或十六个弯曲延伸的流动沟槽5a的情况，这些流动沟槽5a一起与流体供应管路8a和流体排放管路8b连接；然而，流动沟槽5a的数量不限于八个或十六个，也可以采用多个流动沟槽或单独一个流动沟槽。
上述实施例描述了燃料气体流动路径和氧化气体流动路径均由弯曲延伸的流动沟槽构成的情况，这样，在流动沟槽中流体从一端流向另一端，在隔板上开槽的流动沟槽的有效反应区的形状是矩形的，在弯曲取向的方向上的流动沟槽的长度H比在位于弯曲的上游和下游的主要延伸的方向上的长度L更长，在这里流体以相反方向流动；然而，燃料气体流动路径或氧化气体流动路径的至少一个由此方式构成也是可行的。
正如在上述实施例中描述的那样，除了使在隔板上开槽的流动沟槽的有效反应区的形状为矩形、在弯曲取向的方向上的流动沟槽的长度H比在位于弯曲的上游和下游的主要延伸的方向上的长度L更长之外，在相邻上游流动沟槽部分和下游流动沟槽部分之间的脊部宽度可制得比其它脊部的宽度更宽。通过以此方式附加地调整脊部宽度，可以更稳妥地防止气体短路。
在本发明的上述各实施例中，针对应用于质子交换膜燃料电池的情况进行了说明；然而，本说明还可应用于磷酸燃料电池。
磷酸燃料电池的工作温度在150℃-200℃的范围内，由电化学反应产生的水蒸发为气体。因此，氧化气体流动沟槽5b的主要延伸51方向不一定像质子交换膜燃料电池那样大体上为水平，弯曲取向52的方向不一定像质子交换膜燃料电池那样大体上为竖直；例如，弯曲取向52的方向可设置成大体水平方向。
根据本发明，可以在不改变有效反应面积的条件下使在相邻流动沟槽部分之间的压力差变小，可在没有减少电极反应用有效面积的条件下防止气体短路。
此外，本发明不限于上述实施例，在本发明的实质和范围的可自由地改变。
权利要求
1.一种燃料电池，包括电化学发电元件，该电化学发电元件经由多孔催化层将离子导电电解质膜夹在燃料电极和氧化电极之间，所述燃料电极包括多孔的气体扩散层和一个所述催化层，所述氧化电极包括多孔的气体扩散层和另一催化层；设置在电化学发电元件的一侧上的第一隔板，在该隔板上设置用于向燃料电极提供燃料流体的燃料流体流动路径；以及设置在电化学发电元件的另一侧上的第二隔板，在该隔板上设置用于向氧化电极提供氧化流体的氧化流体流动路径；其特征在于燃料气体流动路径或氧化气体流动路径中至少一个由弯曲延伸的流动沟槽构成，流体从所述流动沟槽的一端流向另一端，其中隔板上的流动沟槽被开槽的有效反应区的形状是矩形的，在沿弯曲取向的方向上的流动沟槽的长度比沿位于弯曲的上游和下游的它们的主要延伸方向上的流动沟槽的长度更长，这里流体以相反方向流动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于在第一方向上的长度相对于在第二方向上的长度的比率大于1并小于2.5。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于在第一方向上的长度相对于在第二方向上的长度的比率大于1.2。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于在第一方向上的长度相对于在第二方向上的长度的比率小于2。
5.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于在第一方向上的长度相对于在第二方向上的长度的比率小于1.8。
全文摘要
提供一种燃料电池，其中，可在不减小电极反应的有效面积的情况下防止气体短路。燃料气体流动路径或氧化气体流动路径的至少一个由流动沟槽构成，所述流动沟槽弯曲延伸并且流体从流动沟槽的一端流向另一端。在隔板上开槽的流动沟槽的有效反应区的形状为矩形，在沿弯曲取向的方向上的流动沟槽的第一长度比沿位于弯曲的上游和下游的它们的主要延伸方向上的流动沟槽的第二长度更长，这里流体以相反方向流动。
文档编号H01M8/02GK1674338SQ20041005741
公开日2005年9月28日 申请日期2004年8月12日 优先权日2004年3月23日
发明者吉岡省二, 岡田达典, 广井治 申请人:三菱电机株式会社