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的漏损(slippage)的防止。
背景技术：
通常，燃料电池包括电化学的电化学发电元件，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并固定在燃料电极和氧化电极之间，所述燃料电极和氧化电极包括催化层和多孔气体扩散层；第一隔板，设置在电化学发电元件的一侧上，在第一隔板上设置用于向燃料电极提供燃料气体的燃料气体流动路径；和第二隔板，设置在电化学发电元件的另一侧上，在第二隔板上设置用于向氧化电极提供氧化气体的氧化气体流动路径。
在这种类型的燃料电池中，当在平面上观察电池时，气体扩散层顺利地将反应气体(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漏损路径，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流动沟道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剂流动沟槽组向氧化电极提供氧化气体，每种流动路径组都弯曲地延伸，多个单电池和多个隔板顺序层叠以形成层叠体。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(short-cutting)。
然而，在上述常规燃料电池中，虽然可以通过调整内部沟槽距离(脊部宽度)而减少在气体扩散层内部的气体漏损，但不可能完全防止；并且，当为了尽可能地避免气体漏损而把脊部宽度制得极宽时，出现了很难使反应气体扩散到在这些区域中的催化层的问题，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，它能够在最小程度地减少用于电极反应的有效区域的情况下防止气体漏损。
根据本发明的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电极之间，所述燃料电极包括多孔催化层和多孔气体扩散层，所述氧化电极包括多孔催化层和多孔气体扩散层；第一隔板，设置在电化学发电元件的一侧上，在该第一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；以及第二隔板，设置在电化学发电元件的另一侧上，在该第二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。将燃料气体流动路径或氧化气体流动路径中至少一个构造成使得气体从弯曲延伸的流动沟槽的一端流向另一端，在相邻的上游侧沟槽部分和下游侧沟槽部分之间的脊部中，接触在上游侧流动沟槽部分的上游区域和下游侧流动沟槽部分的下游区域之间的至少一个脊部的气体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的气体扩散层和接触流动沟槽的流体扩散层的孔隙率。
并且，燃料气体流动路径或氧化气体流动路径中的至少一个具有构成为多条流动沟槽的多个流动沟槽组和这些流动沟槽共同连接到的气体供应管路和气体排放管路，这些被构成为具有以相反方向在相邻流动沟槽组中流动的气体，使得在相邻的流动沟槽组之间的脊部中，接触在流动沟槽上游部分和流动沟槽下游部分之间的至少一个脊部的气体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的气体扩散层和接触流动沟槽的气体扩散层的孔隙率。
并且，燃料气体流动路径或氧化气体流动路径的至少一个具有构成为弯曲延伸的流动沟槽的多个流动沟槽组，这些流动沟槽共同与气体供应管路和气体排放管路相连，这些被构成为具有以相同方向在相邻流动沟槽组中流动的气体，使得接触在相邻流动沟槽组之间的脊部的气体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的气体扩散层和接触流动沟槽的气体扩散层的孔隙率。
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的燃料电池的示意性截面图，描述了燃料电池沿其叠层切开后的主要构件的模拟外形；图2是根据本发明实施例1的燃料电池的示意性平面图，描述了从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板；图3是对图2的一部分放大的平面图；图4是根据本发明实施例1的燃料电池的示意性平面图，描述了从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板；图5是根据本发明实施例2的燃料电池的示意性平面图，描述了从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板；图6是根据本发明实施例3的燃料电池的示意性平面图，描述了从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板；图7是根据本发明实施例4的燃料电池的示意性截面图，描述了燃料电池沿其叠层切开后的主要构件的模拟外形；和图8是根据本发明实施例5的燃料电池的示意性截面图，描述了燃料电池沿其叠层切开后的主要构件的模拟外形。
具体实施例方式
实施例1图1至图4是根据本发明实施例1的燃料电池的示意图，具体而言，图1是描述燃料电池沿其叠层方向切开后的主要构件的模拟外形的截面图，图2是从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板的平面图，图3是描述图2的一部分放大的平面图，图4是从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板的平面图。
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经由多孔催化层4a和4b将离子导电电解质膜3夹在燃料电极和氧化电极之间，所述燃料电极包括多孔的阳极气体扩散层2a和阳极催化层4a，所述氧化电极包括多孔的阴极气体扩散层2b和阴极催化层4b；设置在电化学发电元件100的阳极侧上的第一隔板1a，在第一隔板1a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100的阴极侧上的第二隔板1b，在第二隔板1b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。
一般来说，采用不具备透气性而具备高导电性的材料作为阳极侧隔板1a和阴极侧隔板1b材料，例如表面涂覆有碳或贵金属镀层的金属板。
此外，在阳极侧隔板1a的阳极侧(阳极气体扩散层2a侧)表面上形成流动作为阳极气体流动路径的沟槽5a，在相反侧的表面上形成冷却水流动路径(未示出)。此外，在阴极侧隔板1b的阴极侧(阴极气体扩散层2b侧)表面上形成作为阴极气体流动路径的流动沟槽5b，在相反侧的表面上形成冷却水流动路径(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。
作为举例，各流动沟槽5a和5b可具有约为1mm的高度(深度)和宽度，各脊部7a和7b可具有约为1mm的宽度。
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的各一侧；但实际上，燃料电池通常由多个这种类型的叠层单元构成。此外，阳极侧隔板1a和阴极侧隔板1b不必限定为独立构件，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。
一般由碳形成阳极和阴极的气体扩散层2a和2b，所述碳具有良好的导电性例如碳纸、碳毡、碳布等，并且通常采用具有大约60-90％的良好渗透性的多孔区域。
作为举例，各气体扩散层2a和2b的厚度大约为300μm。
用铂钌合金颗粒支撑的碳颗粒用在阳极侧催化剂层4a中，用碳颗粒支撑的铂微粒用在阴极侧催化剂层4b中。
作为举例，各催化剂层4a和4b的厚度大约为10μm。
具有质子导电性的质子交换电解质膜3设置在阳极催化剂层4a和阴极催化剂层4b之间；这种质子交换电解质膜3隔离电子和气体，与此同时在阳极和阴极之间进行离子连接。
作为举例，质子交换电解质膜3的厚度大约为50μm。
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)具有弯曲延伸的四个流动沟槽5a(借助图2中的粗黑线示出，在借助阴影线表示的气体扩散层2a下面的隔板1a上形成)。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)，四个流动沟槽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。
在弯曲延伸的流动沟槽5a之一中，例如，从图2的顶部起的第四和第五流动沟槽部分中或第八和第九流动沟槽部分中，沿着在上游侧的上游流动沟槽部分和在下游侧的下游流动沟槽部分之间的隔板上的脊部，将树脂注入接触各脊部的多孔气体扩散层2a的孔中，至少在上游侧的上游流动沟槽部分和在下游侧的下游流动沟槽部分之间，这样它的孔隙率低于接触其它脊部气体扩散层2a或接触流动沟槽的气体扩散层的孔隙率。在以下描述中，这种类型的低孔隙率区域被称作低孔隙率部分。在图1中，这种类型的低孔隙率部分设置在四个位置6a～6d。
所用的树脂例如是热塑性树脂，只要熔点在燃料电池工作温度的上限以上，可采用任何树脂。例如，假设燃料电池在70℃工作的情况下，聚烯烃树脂例如聚乙烯(熔点120℃～130℃)、聚丙烯(熔点160℃～170℃)或类似材料是优选的。
在注入聚乙烯的情况下，将裁成矩形、条形或小岛状的聚乙烯设置并临时保留在气体扩散层中的所需点处，温度升至160℃，在压力下将其嵌入(例如，通过热压)。对于聚丙烯，优选以180℃和200℃之间的温度在压力下插入。从生产率来看，优选在高于熔点的温度下进行填充。
优选注入体积使得注入的树脂体积完全充满多孔区域的孔，使得孔隙率变为零。然而，由于在操作过程中按照用于确保燃料电池安全的表面压力挤压气体扩散层，因此在计算出此时的空孔体积(empty-hole volume)的降低之后进行注入。如果注入树脂体积超过100％的孔隙率(如果超过完全填满多孔区域的孔的体积)，隔板的脊部最终就要承受树脂，即使电池表面上的表面压力是均匀的，这也不是优选的。
由于在相邻的上游侧的流动沟槽部分和下游侧的流动沟槽部分之间、在流动沟槽中流动的气体存在着压力差，因此在上游侧的流动沟槽中流动的气体通过接触在上游侧的流动沟槽部分和下游侧的流动沟槽部分之间的脊部的气体扩散层扩散(滑动)，绕过在下游侧的流动沟槽部分。特别是，由于在上游侧的流动沟槽部分中的上游区域和在下游侧的流动沟槽部分中的下游区域之间的气体压力差大，因此容易发生这类气体漏损。
作为对策，在本实施例中，在接触在上游侧的流动沟槽的上游区域和下游侧的流动沟槽的下游区域之间的脊部7a的气体扩散层2a中，因为孔中注有树脂的区域的孔隙率比其它区域低，因此这些类型的低孔隙率部分6a～6d形成扩散气体的阻挡壁，可以防止上述类型的气体漏损。
形成气体阻挡壁并防止气体漏损的注入树脂的优点在于，可以进行高气体利用率的操作，但另一方面预料到的缺点在于，由于催化层4a被注入树脂覆盖并隐藏，气体扩散距离变得更长，结果有效电极区域减少。
因此，如图2所示，在上游侧的流动沟槽部分和下游侧的流动沟槽部分之间的脊部中，通过仅用树脂填充与在上游侧的流动沟槽的上游区域和下游侧的流动沟槽的下游区域之间的脊部接触的气体扩散层，这是气体漏损最易发生的位置，通过仅使该区域成为低孔隙率区域6a～6d，可以有效防止在气体漏损特别容易发生的区域中的气体漏损，在最小程度地减少有效电极反应区域的情况下防止了气体漏损。
在与气体流动相同的方向上最容易发生气体漏损，因而，如图3所示，优选将树脂注入区(低孔隙率部分6e)设置在与在上游侧的流动沟槽部分5a1的上游区域和下游侧的流动沟槽5a2的下游区域之间的脊部接触的气体扩散层内，尤其靠近在上游侧的流动沟槽部分5a1的上游区域中的弯曲处，更具体来说就是在气体流动受阻的位置，就是在它完全弯曲之前在改变方向的过程中(图3中的白箭头)的气体流动方向的延长线；可以在基本上不减少有效反应区域的情况下防止气体漏损。此外，在采用此方案时，在图2中，由于在上游侧的流动沟槽部分不弯曲，因此可以省去低孔隙率部分6a。
此外，由于在此实施例中，通过将树脂注入多孔区域的孔中的方式提供气体扩散阻挡壁，通过控制注入的树脂体积并使孔隙率约为零，即使在阻挡壁宽度窄的情况下也可以有效防止气体漏损。例如，在脊部7a的宽度是1mm的情况下，利用1/10宽-100μm-的阻挡壁就证实了防止气体漏损的能力。因此，如图4所示，通过使接触在上游侧的流动沟槽部分和下游侧的流动沟槽部分之间的脊部的气体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的气体扩散层和接触流动沟槽的气体扩散层的孔隙率，从而形成低孔隙率部分6，在最小程度地减少有效电极反应区域的情况下防止了气体漏损。
低孔隙率部分6、6a和6d设置在阳极气体扩散层2a和阴极气体扩散层2b中如图4所示位置处的情况作为实施例1；类似地，设置于图2所示位置的情况作为实施例2；没有设置低孔隙率区域的情况(不进行树脂注入)作为对比例1，其中，利用气体利用率与电池电压和电压变化范围的相关性对防止气体漏损作用进行比较。除了利用率之外，测试条件为0.25A/cm2的电流密度，80℃的电池温度，75℃的阴极湿度露点，75℃的阳极湿度露点，由二氧化碳和氢的混合物构成的伪气体(dummy gas)，设定甲醇重整气体用作燃料气体，空气用作氧化气体。在上述发电测试中，采用由具有100cm2的有效电极面积的四个单电池层构成的短叠层。为每个阳极侧隔板提供冷却水流动路径，当发电时，被加热至75℃的水以100ml/min/电池的流速经过冷却水流动路径。具有85％的孔隙率的碳纸用作气体扩散层，聚乙烯用作防漏损树脂，聚乙烯的体积大约等于气体扩散层的注入区域的孔体积的100％。
结果示于表1～3中。
如表1所示，在90％的燃料利用率的高利用率条件下，相对于在对比例中0.67V的电池电压，实施例1和实施例2中的电池电压升至0.70V和0.69V。
然而，利用含有具有快速气体扩散速度的氢气的燃料气体，不存在气体扩散距离的问题，在实施例1和实施例2之间基本上没有差别。
如表2所示，在70％的氧化剂(氧气)利用率的高利用率条件下，相对于在对比例中0.65V的电池电压，实施例1和实施例2中的电池电压分别升至0.68V和0.70V。在其中电极反应速度达到气体扩散速率极限的阴极气体扩散电极的情况下，证实其中适当设置低孔隙率部分6a～6d的实施例2更有效。
如表3所示，在90％的燃料利用率的高利用率条件下，相对于对比例1中±18mV的电压变化范围，实施例1和2中的电池电压分别处于±5mV和±4mV的低范围内。
如上所述，在本实施例中，通过把树脂注入多孔区域的孔中、降低孔隙率(制造低孔隙率部分)，防止了在气体扩散层2a中的气体漏损，因此可通过所注入的树脂体积控制气体扩散层2a的孔隙率。因此，通过使孔隙率基本上为零，可完全阻止气体漏损。
以此方式，由于树脂注入区(低孔隙率部分6、6a～6e)形成通过气体扩散层2a扩散的气体的扩散阻挡壁，在气体扩散方向上(平行于气体扩散层2a与催化层4a的接触表面的方向，也就是说，与电池单元层叠方向垂直的方向)低孔隙率部分6a～6e的长度-换句话说，低孔隙率部分6、6a～6e的宽度优选是窄的，在与脊部7a相比它足够窄的情况下，可以取得充分的防漏损作用。
因此，如图4所示，即使在低孔隙率部分沿气体流动方向在上游侧的流动沟道部分和下游侧的流动沟道部分之间的整个脊部上延伸的情况下，也可以在最小程度地减少有效电极反应区域的情况下防止气体漏损。
此外，如图2或3所示，通过把低孔隙率部分6a～6e设定在气体压力差大并最容易发生气体漏损的区域，可以有效防止在最容易出现气体漏损的区域中的气体漏损，可以在最小程度地减少有效电极反应区域的情况下防止气体漏损。
在以上说明中，低孔隙率部分6、6a～6e设置在阳极气体扩散层2a和阴极气体扩散层2b的每一侧上；然而，低孔隙率部分6、6a～6e也可仅设置在阳极或阴极气体扩散层之一上。如果低孔隙率部分6、6a～6e设置在阳极气体扩散层2a上，以高燃料利用率的操作变得可行，如果低孔隙率部分6、6a～6e设置在阴极气体扩散层2b上，以高氧化剂利用率的操作变得可行。虽然没有在以下各实施例中特别指明，但相同情况适用。
此外，作为优选，气体扩散层的注入位置位于接触隔板脊部的区域中，该位置可以伸出直至气体扩散层接触流动沟槽。
除了提供低孔隙率部分6、6a～6e之外，在上游侧的上游侧流动沟槽部分和下游侧的下游侧流动沟槽之间的隔板脊部的宽度可大于其它脊部的宽度。通过以此方式控制孔隙率和脊部宽度，能够更可靠地防止气体漏损，并最小程度地减少有效电极反应区域。
图2和图4表示四个流动沟槽5a弯曲延伸的情况，设置气体供应管路8a和气体排放管路8b，流动沟槽5a共同与体供应管路8a和气体排放管路8b连接；但是，流动沟槽的数量不限于四个，可以有多个流动沟槽或仅有一个。
实施例2图5是根据本发明实施例2的燃料电池的示意性平面图，具体而言，描述了从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板。
如图5所示，根据本实施例的燃料电池具有多个流动沟槽组(图5中有三个)，其中，燃料气体流动路径或氧化气体流动路径的至少一个(图5中，燃料气体流动路径)由多个流动沟槽5a(图5中，六个流动沟槽)和上述流动沟槽5a共同与其连接的气体供应管路(燃料气体入口管路)8a和气体排放管路(燃料气体出口管路)8b构成，构成为使得相邻流动沟槽组中的气体以相反方向流动。
此外，在相邻流动沟槽组之间的脊部中，将树脂注入到在接触在一个流动沟槽组的上游部分和另一个流动沟槽组的下游部分之间的脊部的气体扩散层中的多孔区域的孔中，其孔隙率低于接触其它脊部的气体扩散层和接触流动沟槽的气体扩散层的孔隙率。也就是说，它形成低孔隙率部分6f-6i。
该构造的其它部分类似于实施例1的结构，下面的说明主要集中在与实施例1的不同点上。
由于在相邻流动沟槽组中的气体以相反方向流动，因此在相邻流动沟槽组之间(例如，在图5中，从顶部起的第六流动沟槽和第七流动沟槽之间，或从顶部起的第十二流动沟槽和第十三流动沟槽之间)，尤其是在一个流动沟槽组的上游部分和另一流动沟槽组的下游之间气体压力差大；在接触一个流动沟槽组的上游部分和另一流动沟槽组的下游部分之间的脊部的气体扩散层中发生扩散(漏损)，气体从一个流动沟槽组的上游部分绕至另一流动沟槽组的下游部分。在这种情况下，从气体入口管路8a流入一个流动沟槽组上游部分的气体发生向另一流动沟槽组的下游部分的漏损，在没有用于电池反应的情况下从另一流动沟槽组的气体出口管路8b排放出来。
对于这种情况，在本实施例中，接触在一个流动沟槽组的上游和另一流动沟槽组的下游部分之间的脊部的气体扩散层形成低孔隙率部分6f～6i，这些低孔隙率部分6f～6i形成气体扩散的阻挡壁，可以防止气体如上漏损。
因此，根据本实施例，可以在最小程度地减少有效电极反应区域的情况下防止气体漏损，类似于实施例1的上述情况。
图5表示在相邻的流动沟槽组之间的脊部中，仅将接触在一个流动沟槽组的上游部分和另一流动沟槽组的下游部分之间的脊部的气体扩散层制成低孔隙率部分6f～6i的情况；然而，类似于实施例1的情况，低孔隙率部分还可以在接触在相邻的流动沟槽之间的脊部的整个气体扩散层上沿气体流动方向延伸。
除了提供低孔隙率部分6、6f～6i之外，在相邻流动沟槽之间的隔板脊部的宽度可以大于其它脊部的宽度。通过以此方式控制孔隙率和脊部宽度，能够更可靠地防止气体漏损，并最小程度地减少有效电极反应区域。
此外，在一个流动沟槽组中流动沟槽的数量和沟槽组的数量不限于图5所示的情况。
实施例3图6是根据本发明实施例3的燃料电池的示意性平面图，具体而言，描述了从阳极催化层侧观察的阳极气体扩散层和阳极侧隔板。
如图6所示，根据本实施例的燃料电池具有多个流动沟槽组(图6中有三个)，其中，燃料气体流动路径或氧化气体流动路径的至少一个(虽然图6中仅示出了燃料气体流动路径，但是在此实施例中两个路径都存在)由弯曲延伸的流动沟槽(图6中，三个流动沟槽)和上述流动沟槽共同与其连接的气体供应管路(燃料气体入口管路)8a和气体排放管路(燃料气体出口管路)8b构成，并构成为使得相邻流动沟槽组中的气体以相同方向流动。
此外，将树脂注入到在接触在相邻流动沟槽组之间的脊部的气体扩散层中的多孔区域的孔中，其孔隙率低于接触其它脊部的气体扩散层和接触流动沟槽的气体扩散层的孔隙率。也就是说，它形成低孔隙率部分6。
该构造的其它部分类似于实施例1的结构，下面的说明主要集中在与实施例1的不同点上。
在相邻流动沟槽组中的气体以相同方向流动；然而，因为在一个流动沟槽组的下游侧上的流动沟槽部分和在另一流动沟槽组的上游侧上的流动沟槽部分是相邻的，所以在相邻的流动沟槽组之间的气体压力大，气体通过接触在相邻流动沟槽组之间的脊部的气体扩散层扩散(漏损)，气体从一个流动沟槽组的上游部分(上游侧流动沟槽部分)绕至另一流动沟槽组的下游部分(下游侧流动沟槽部分)。在这种情况下，从气体入口管路8a流入一个流动沟槽组上游部分的气体发生向另一流动沟槽组的下游部分的漏损，在没有用于电池反应的情况下从另一流动沟槽组的气体出口管路8b排放出来。
对于这种情况，在本实施例中，接触在相邻的流动沟槽组之间的脊部的气体扩散层具有低孔隙率部分6，这些低孔隙率部分6形成气体扩散的阻挡壁，可以防止如上所述的气体漏损。
正如在实施例1中所描述的那样，低孔隙率部分6的宽度可以是窄的，在与脊部宽度相比足够窄的情况下，可以达到防漏损的作用。因此，如图6所示，即使在低孔隙率部分以气体流动方向在接触在相邻流动沟槽组之间的脊部的整个气体扩散层上延伸的情况下，也可以在最小程度地减少有效电极反应区域的情况下防止气体漏损。
此外，由于在本实施例中在各流动沟槽组中的流动沟槽5a弯曲延伸，如实施例1所示，例如由图6中的虚线所示，因此可将树脂填充到接触在流动沟槽区域的上游侧的上游区域和在流动沟槽区域的下游侧的下游区域之间的脊部的气体扩散层中，因此这些区域成为低孔隙率区域。
除了提供低孔隙率部分6之外，在相邻流动沟槽之间的脊部的宽度可以大于其它脊部的宽度。通过以此方式控制孔隙率和脊部宽度，能够更可靠地防止气体漏损，并最小程度地减少有效电极反应区域。
此外，在一个流动沟槽组中的流动沟槽的数量(没有限于多个流动沟槽，一个流动沟槽也可以)、在流动沟槽中弯曲的数量和流动沟槽组的数量不限于图6所示结构。
在上述各实施例中，用树脂注入多孔区域的孔中，以减小气体扩散层的孔隙率，从而实现防止气体漏损的作用；但是，用于注入多孔区域的孔中以降低其孔隙率的注入材料不限于树脂，也可采用低流动性的液体例如玻璃、氧化物、碳等，必要点是具有在燃料电池中化学和电稳定的材料，并且能够控制其中气体的物理移动的材料。
实施例4图7是根据本发明实施例4的燃料电池的示意性截面图，具体而言，表示沿叠层切开的燃料电池的主要构件的模拟外形。
在上述各实施例中，通过将树脂注入到气体扩散层的多孔区域的孔中，从而构成低孔隙率部分；但在本发明中，通过适当挤压气体扩散层而构成低孔隙率部分。该构造的其它部分类似于上述各实施例的结构，下面的说明主要集中低孔隙率部分的结构。
如图7所示，借助在阳极侧隔板1a上的比脊部7a的其它部分更加突出的脊部70a和在相对的阴极侧隔板1b上的比脊部7b的其它部分更加突出的脊部70b，夹住并挤压阳极气体扩散层2a、阳极催化层4a、质子交换电解质膜3、阴极催化层4b和阴极气体扩散层2b，使得相对更易弹性变形的阳极气体扩散层2a和阴极气体扩散层2b受到挤压、孔隙率下降，从而形成低孔隙率部分6。
以此方式，在通过适当挤压气体扩散层而降低孔隙率的情况下，还可以通过控制气体扩散层的挤压体积(脊部7a和7b的高度)来控制孔隙率。因此，通过使孔隙率基本上为零，可完全阻止气体漏损。
实施例5图8是根据本发明实施例5的燃料电池的示意性截面图，具体而言，表示沿叠层切开的燃料电池的主要构件的模拟外形。
在上述实施例4中，突出的脊部70a和70b的宽度与其它脊部70a和70b的宽度相同；但在本实施例中，比其它脊部更加突出的脊部70a和70b的宽度更窄一些。(此部分以下称作突出部分)。
例如，为了挤压80％的多孔碳纸使其具有0％的孔隙率，其厚度必须减少至20％。实际上，气体扩散层的受挤压部分(低孔隙率部分)例如大约为电极反应区域的几个百分比，即使在阳极侧隔板1a和阴极侧隔板1b之间施加的压力小，也可以挤压夹在气体扩散层的凸起部分之间的区域。
并且，在本发明中，通过使突起部分的宽度更窄，即使在阳极侧隔板1a和阴极侧隔板1b之间施加的压力变小，也可以在突起部分施加大的压力；可挤压被夹在气体扩散层的突出部分之间的区域，可以阻断发生气体漏损的路径。
考虑到可能对质子交换电解质膜3和电解层4a和4b造成的损伤，优选尽可能以低压力制造该结构。
并且，如实施例1所描述的那样，气体扩散层的受挤压部分(低孔隙率部分6)的优点在于，形成了防止气体漏损的气体阻挡壁，这样以高气体利用率的操作变得可行，但另一方面的缺点在于，使气体扩散到面对气体扩散层的受挤压区域(低孔隙率部分6)的催化层区域的距离变长，结果使有效电极区域减少。
因此，在本实施例中，通过使突出部分的宽度变窄，使低孔隙率部分6的面积变小，从而在几乎不减少有效电极反应区域的条件下防止气体漏损。
在上述实施例中，概述了低孔隙率部分6，6a～6e的孔隙基本上为0％的情况，但是很显然不限于0％。
在本发明的上述各实施例中，对应用于质子交换膜燃料电池的情况进行了说明；但是，本说明也可以应用于磷酸燃料电池。
在本发明中，有效地防止了在易出现气体漏损的区域中的气体漏损，可以在最小程度地减少有效电极反应区域的情况下阻止气体漏损。
此外，本发明不限于上述实施方式，可在本发明的实质和范围内随意变化。
权利要求
1.一种燃料电池，包括电化学发电元件，其中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，所述燃料电极包括由多孔材料制成的流体扩散层和一个所述催化层，所述氧化电极包括由多孔材料制成的流体扩散层和另一个所述催化层；第一隔板，设置在电化学发电元件的一侧上，在该第一隔板上设置了用于向燃料电极提供燃料流体的燃料流体流动路径；以及第二隔板，设置在电化学发电元件的另一侧上，在该第二隔板上设置了用于向氧化电极提供氧化流体的氧化流体流动路径；其特征在于燃料流体沟槽或氧化流体沟槽的至少一个具有弯曲延伸的流动沟槽，使得流体从流动沟槽的一端流向另一端，和在相邻的上游侧流动沟槽部分和下游侧流动沟槽部分之间的脊部中，接触在上游侧流动沟槽部分的上游区域和下游侧流动沟槽部分的下游区域之间的至少一个脊部的流体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的该流体扩散层和接触流动沟槽的该流体扩散层的孔隙率。
2.一种燃料电池，包括电化学发电元件，其中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，所述燃料电极包括由多孔材料制成的流体扩散层和一个所述催化层，所述氧化电极包括由多孔材料制成的流体扩散层和另一个所述催化层；第一隔板，设置在电化学发电元件的一侧上，在该第一隔板上设置了用于向燃料电极提供燃料流体的燃料流体流动路径；以及第二隔板，设置在电化学发电元件的另一侧上，在该第二隔板上设置了用于向氧化电极提供氧化流体的氧化流体流动路径；其特征在于燃料流体流动路径或氧化流体流动路径中的至少之一具有作为多条流动沟槽构成的多个流动沟槽组和这些流动沟槽共同连接到的流体供应管路和流体排放管路，所述流动路径被构成为具有沿相反方向在相邻流动沟槽组中流动的流体，和在相邻的流动沟槽组之间的脊部中，接触在一个流动沟槽组的上游部分和另一流动沟槽组的下游部分之间的至少一个脊部的流体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的该流体扩散层和接触流动沟槽的该流体扩散层的孔隙率。
3.一种燃料电池，包括电化学发电元件，其中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，所述燃料电极包括由多孔材料制成的流体扩散层和一个所述催化层，所述氧化电极包括由多孔材料制成的流体扩散层和另一个所述催化层；第一隔板，设置在电化学发电元件的一侧上，在该第一隔板上设置了用于向燃料电极提供燃料流体的燃料流体流动路径；以及第二隔板，设置在电化学发电元件的另一侧上，在该第二隔板上设置了用于向氧化电极提供氧化流体的氧化流体流动路径；其特征在于燃料流体流动路径或氧化流体流动路径的至少之一具有作为弯曲延伸的流动沟槽构成的多个流动沟槽组和这些流动沟槽连接到的流体供应管路和流体排放管路，所述流动路径被构成为具有沿相同方向在相邻流动沟槽组中流动的流体，并且在相邻的流动沟槽组之间的脊部中，接触在相邻流动沟槽组之间的脊部的流体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的该流体扩散层和接触流动沟槽的该流体扩散层的孔隙率。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池，其特征在于在流体扩散层低孔隙率处的多孔材料中的孔内注入树脂。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池，其特征在于接触流体扩散层低孔隙率处的脊部高度高于接触流体扩散层的其它脊部高度。
全文摘要
提供一种燃料电池，它能够在最小程度地减少电极反应有效区域的情况下防止气体漏损。燃料气体流动路径或氧化气体流动路径的至少一个具有弯曲延伸的流动沟槽，使得气体从流动沟槽的一端流向另一端，并且，在相邻的流动沟槽上游侧部分和流动沟槽的下游侧部分之间的脊部中，接触在上游侧流动沟槽的上游区域和下游侧流动沟槽的下游区域之间的至少一个脊部的气体扩散层的孔隙率低于接触其它脊部的气体扩散层和接触流动沟槽的气体扩散层的孔隙率。
文档编号H01M8/10GK1661840SQ20041006418
公开日2005年8月31日 申请日期2004年8月24日 优先权日2004年2月26日
发明者吉冈省二, 冈田达典, 广井治 申请人:三菱电机株式会社