具有闭塞端阳极的燃料电池的制作方法

专利名称：具有闭塞端阳极的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在不排出燃料气体的情况下产生电力的燃料电池。
背景技术：
近年来，通过氢和氧之间的电化学反应而产生电力的燃料电池已经引 起了人们的广泛关注。 一种典型的燃料电池具有由电解质膜、设于电解质 膜一侧的阳极和设于电解质膜另一侧的阴极构成的膜电极组件(将称为
"MEA")。在阳极上设有形成燃料气体供给通路的通路部。该通路部例 如为导电性多孔部。在某些情况下，阳极和/或阴极具有气体扩散层以及催 化剂层。
存在使不可避免地排出至燃料电池外部的燃料气体的量最小化的需 要。因此，已开发出在不排出燃料气体的情况下产生电力的燃料电池。作 为这种燃料电池之一，日本专利申请特开No. 2005-1卯759 (JP-A-2005-1卯759)公开了一种阳极闭塞端(阳极一端封闭，anode-dead-end)工作 型燃料电池(将称为"闭塞端工作型燃料电池")。
在闭塞端工作型燃料电池中， 一般地，将空气、空气与氧气的混合气 等用作氧化气体。然而，在这种情况下，存在空气中的氮气等从阴极侧向 阳极侧泄漏的可能。在某些情况下，已泄漏至阳极的这种氮气等(将称为 "泄漏气体")滞留在燃料气体供给通路内。如果泄漏气体滞留在燃料气 体供给通路内，则燃料气体变得不能够被分散地供给至阳极(阳极面)。 在这种情况下，燃料气体不能被供给至阳极的某些部位，因此，在这些部 位不能够适当地进行发电，导致整个燃料电池的发电效率降低。

发明内容
本发明提供了一种在闭塞端工作型燃料电池中防止泄漏气体滞留在燃 料气体供给通路内的技术。
本发明的第一方面涉及一种在不排出燃料气体的情况下产生电力的燃
料电池，包括电解质膜；设于所述电解质膜的一侧的阳极；以及设于所 述阳极的外侧以形成燃料气体供给通路的燃料气体通路部，燃料气体经由 所述燃料气体供给通路被供给至所述阳极。所述电解质膜和所述阳极中的 至少 一者在其厚度方向上的气体透过性在所述燃料气体供给通路延伸的方 向上才艮据位置的不同而变化。
根据上述燃料电池，能够防止燃料气体供给通路内泄漏气体的滞留。 上述燃料电池可以设计成所述电解质膜的与所述燃料气体供给通路
此外，上述燃料电池可以设计成相比于与所述燃料气体供给通路的 上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部位， 所述电解质膜和所述阳极中的所述至少一者在所述厚度方向上的气体透过 性更高。
根据该结构，泄漏气体不会滞留在燃料气体供给通路的下游区域内， 而是返回阴极侧。所以，能够防止燃料气体供给通路内泄漏气体的滞留。
此外，上述燃料电池可以设计成相比于与所述燃料气体供给通路的 上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部位， 所述电解质膜的厚度更小。
根据该结构，泄漏气体不会滞留在燃料气体供给通路的下游区域内， 而是会经由电解质膜的高气体透过性部位返回阴极侧。因此，能够防止燃 料气体供给通路内泄漏气体的滞留。
此外，上述燃料电池可以设计成所述电解质膜的与所述燃料气体供 给通路的下游侧相对应的部分由氟类树脂制成，并且所述电解质膜的与所 述燃料气体供给通路的上游侧相对应的部分由烃类树脂制成。根据该结构，泄漏气体不会滞留在燃料气体供给通路的下游区域内， 而是会经由电解质膜的高气体透过性部位返回阴极侧。因此，能够防止燃 料气体供给通路内泄漏气体的滞留。
此外，上述燃料电池可以设计成相比于与所述燃料气体供给通路的 上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部位， 所述阳极的孔隙率更高。
根据该结构，泄漏气体不会滞留在燃料气体供给通路的下游区域内，
而是会经由电解质膜的高气体透过性部位返回阴极侧。因此，能够防止所 述燃料气体供给通路内泄漏气体的滞留。
此外，上述燃料电池可以设计成在所述电解质膜的阳极侧表面上形 成有多个凹部。
此外，上述燃料电池还可以具有设于所述阳极和所述燃料气体通路部 之间且具有片状形状的导电片部，在所述导电片部的表面上分散地形成有 多个通孔，并且在所述电解质膜上可以形成有多个凹部，在所述电解质膜、 所述阳极和所述导电片部堆叠而形成堆叠体的方向上观察时，所述凹部不 会与所述导电片部的通孔重叠。
根据该结构，滞留在通孔间的泄漏气体经由气体透过性相对较高的凹 部返回阴极。因此，能够防止泄漏气体进入燃料气体供给通路内，从而不 会在燃料气体供给通路内发生泄漏气体滞留。
此外，上述燃料电池可以设计成相比于与所述燃料气体供给通路的 上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部位， 所述电解质膜和所述阳极中的所述至少一者在所述厚度方向上的气体透过 性更低。
该结构减少了滞留于燃料气体供给通路的下游区域内的泄漏气体量。 此外，上述燃料电池可以设计成相比于与所述燃料气体供给通路的
上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部位，
所述电解质膜的厚度更大。
此外，上述燃料电池可以设计成所述电解质膜的与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部分由烃类树脂制成，并且所述电解质膜的与所 述燃料气体供给通路的上游侧相对应的部分由氟类树脂制成。
此外，上述燃料电池可以设计成相比于与所述燃料气体供给通路的 上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部位， 所述阳极的孔隙率更低。
此外，上述燃料电池可以设计成在所述燃料气体供给通路内流动的 燃料气体的压力的最小值-皮设定为大于从阴极侧通过所述电解质膜而泄漏 至所述燃料气体通路的泄漏气体的局部压力的最大值。
本发明的第二方面涉及一种在不排出燃料气体的情况下产生电力的燃 料电池。该燃料电池包括电解质膜；设于所述电解质膜的一侧的阳极； 设于所述电解质膜的另 一侧的阴极；以及设于所述阴极的外侧以形成氧化 气体供给通路的氧化气体通路部，氧化气体经由所述氧化气体供给通路被 供给至所述阴极。相比于与所述氧化气体供给通路的上游侧相对应的部位， 在与所述氧化气体供给通路的下游侧相对应的部位，所述阴极在其厚度方 向上的气体透过性更高。
根据上述燃料电池，泄漏气体不会滞留在燃料气体供给通路的下游区 域内，而是会返回阴极侧。因此，能够防止燃料气体供给通路内泄漏气体 的滞留。
注意，本发明的应用不限于上述燃料电池。例如，本发明可以作为燃 料电池制造方法而实施。


由参照附图对实施例的以下说明，本发明的前述和其他特征和优点将 变得显而易见，其中相同的标号用于表示相同的元件，附图中 图1是示出第一实施例的燃料电池单元100的外部的图； 图2是燃料电池单元100的侧视图3是示出从图2右侧观察时各密封一体化发电组件200的结构的图； 图4是沿图3中的线IV-IV的截面图；图5是示出隔板600的阴^400的形状的图； 图6是示出隔板600的阳极板300的形状的图； 图7是示出隔板600的中间板500的形状的图； 图8是隔板600的正视图9A和图9B是示出第一实施例的燃料电池单元100中的反应气体流 的图10是图9A中的区域X的放大图11是示出第二实施例的燃料电池单元100A中的电解质膜810A的
图12是各电解质膜810A的示意性截面图13是示出第三实施例的燃料电池单元100B中的电解质膜810B和 阴极820a的示意性截面图14A和图14B是燃料电池单元IOOC的示意性截面图15是从图14A和图14B的上侧》见察，导电片860的正^L图16是图14A和图14B中的区域Z的放大图17是示出从图14A和图14B的上侧观察，电解质膜810C的图18是示出根据第一变形例的燃料电池单元的示意性截面图19是示出根据第二变形例的燃料电池单元的示意性截面图20是示出根据第三变形例的燃料电池单元的示意性截面图。
具体实施例方式
以下将说明根据本发明的第一实施例的燃料电池单元100的结构的概 要。图1示出了第一实施例的燃料电池单元100的外部，图2示出了燃料 电池单元100的侧视图。参照图1或图2，燃料电池单元100是由密封一 体化(seal-integrated)发电组件200和隔板600相互交替堆叠而构成的所 谓的燃料电池组。当制造燃料电池单元100时， 一定数量的密封一体化发 电组件200和一定数量的隔板600被堆叠，然后，它们在堆叠方向上在给 定的夹紧力下被夹紧。尽管图2示出了密封一体化发电组件200和隔板600之间的空间，但该空间并不存在，即密封一体化发电组件200和隔板600 实际上是相互接触的。在本说明书中，必要时，密封一体化发电组件200 和隔板600堆叠的方向将称为"堆叠方向"。后面将详细说明密封件700 (肋720 )。
参照图1,燃料电池单元100具有供氧化气体在燃料电池单元100中 被供给所经过的氧化气体供给歧管110，供氧化气体从燃料电池单元100 中排出所经过的氧化气体排出歧管120，供燃料气体在燃料电池单元100 中被供给所经过的燃料气体供给歧管130，供冷却剂在燃料电池单元100 中被供给所经过的冷却剂供给歧管150，以及供冷却剂从燃料电池单元100 中排出所经过的冷却剂排出歧管160。注意，燃料电池单元100并非构造 为从阳极排出燃料气体，即，燃料电池单元100具有燃料气体不被排出至 燃料电池单元100的外侧的封闭结构(必要时将称为"闭塞端结构")。 即，在燃料电池单元100中，未设置用于排出燃料气体的燃料气体排出歧 管，所以，在不排出燃料气体的情况下执行发电。同时，空气被用作氧化 气体，氢气被用作燃料气体。所述冷却剂可以是水、防冻剂(例如乙二醇)、 空气等。可替代地使用向空气中添加高浓度氧而得到的气体作为氧化气体。 同时，闭塞端结构可以认为是尽管部分燃料气体渗透至电解质膜、衬垫等 (下文将说明)，但被供给至密封一体化发电组件200的燃料气体也基本 上完全被用于在MEA (下文将说明)处发电的结构。
下面，将说明密封一体化发电组件200。图3示出了从图2的右侧观 察各密封一体化发电组件200的结构。图4示出了沿图3中的线IV-IV的 截面。图4示出了一个密封一体化发电组件200及设于密封一体化发电组 件200两侧的两个隔板600。
参照图2至4，各密封一体化发电组件200由堆叠体800和密封件700 构成。如图4所示，堆叠体800由MEA 24、阳极侧多孔部840和阴极侧 多孔部850构成。
MEA 24由电解质膜810、阳极820和阴极830构成。电解质膜810 是由氟类树脂材料(例如，Nafion(注册商标))制成的并且在潮湿条件下呈现良好的离子导电性的离子交换膜。以下会说明电解质膜810的详情。 阳极820由设于电解质膜810的一侧的催化剂层820A和设于催化剂层 820A的外侧的阳极侧扩散层820B构成。阴极830由设于电解质膜810的 另一侧的催化剂层830A和设于催化剂层830A的外侧的阴极侧扩散层 830B构成。催化剂层820A和830A由例如电解质和载持有催化剂(例如 铂)的催化剂载体(载持有铂的碳)形成。阳极侧扩散层820B和阴极侧 扩散层830B由例如通过编织由碳纤维、碳纸或碳毡制成的线而构成的碳 布形成。各MEA24具有矩形形状。
阳极侧多孔部840和阴极侧多孔部850由具有气体扩散性和导电性的 多孔材料(例如，多孔金属)制成。例如，使用延展金属、开孔金属、网、 毡等。此外，当密封一体化发电组件200和隔板600被堆叠以形成燃料电 池单元100时，阳极侧多孔部840和阴极侧多孔部850与后述的隔板600 的发电区域DA接触。此外，阳极侧多孔部840如后所述用作用于向阳极 820供给燃料气体的燃料气体供给通路，而阴极侧多孔部850如后所述用 作用于向阴极830供给氧化气体的氧化气体供给通路。
密封件700沿堆叠体800的平面(以下称为"平面方向")设于堆叠 体800的外周处。密封件700通过使用模具注射成型而制成。更具体地， 密封件700通过将堆叠体800设置在模具上，使得堆叠体800的外周端面 面向模具的凹部，然后向该凹部内喷射材料而制成。这样，密封件700被 构造为气密地、无间隙地包围堆叠体800的外周。密封件700由不透气的、 弹性的且在燃料电池单元的工作温度范围内显示出高耐热性的材料，诸如 橡胶和弹性体制成。更具体地，可以用硅橡胶、丁基橡胶、丙烯酸橡胶、 天然橡胶、氟橡胶、乙丙橡胶、苯乙烯弹性体、氟弹性体等作为密封件700 的材料。
参照图2至4，密封件700具有支持部710和设于支持部710两侧并 形成密封线的肋720。参照图3，在支持部710上形成有通孔(歧管孔)。 这些通孔分别形成各歧管110至150 (参照图1)。当密封一体化发电组件 200和隔板600被堆叠时，各肋720粘着在相邻的隔板600上，并因此在密封一体化发电组件200和隔板600之间密封，防止反应气体和冷却剂泄 漏。如图3所示，肋720形成完全包围堆叠体800的密封线以及完全包围 各歧管孔的密封线。
然后，将说明隔板600的结构。图5示出了隔板600的阴^L400的 形状。图6示出了隔板600的阳极板300的形状。图7示出了隔板600的 中间板500的形状。图8是隔板600的正视图。各隔板600分别由图5至 图7所示的阴极板400、阳极板300和中间板500构成。图5至图8示出 了从图2中的右侧观察阴极板400、阳极板300、中间板500和隔板600 的图。后面将说明图8中的黑箭头和白箭头。
图5至图8中在板300、400和500以及隔板600的中央处用虚线所表 示的是，当隔板600和密封一体化发电组件200被堆叠以构成燃料电池单 元100时，面向密封一体化发电组件200的堆叠体800的MEA 24的区域 DA。由于MEA24是进行发电的位置，因此区域DA在下文中将称为"发 电区域DA"。由于MEA24是矩形的，所以，发电区域DA自然也是矩 形的。板300至500由不锈钢制成。
参照图5，阴极板400具有五个歧管开口 422至432、氧化气体供给切 口 (slit) 440和氧化气体排出切口 444。歧管开口 422至432为分别形成 燃料电池单元100内的前述歧管的通孔。歧管开口 422至432设置于发电 区域DA的各外侧边缘(fringe)上。氧化气体供给切口 440为具有大致矩 形的横截面并且沿着发电区域DA的上侧形成于发电区域DA内的长形开 口。同样，氧化气体排出切口 444为具有大致矩形的横截面并且沿着发电 区域DA的下侧形成于发电区域DA内的长形开口。
参照图6,和阴极板400 —样，阳极板300具有五个歧管开口 322至 332以及燃料气体供给切口 350。歧管开口 322至332为分别形成燃料电池 单元100内的前述歧管的通孔。歧管开口 322至332设置于发电区域DA 的各外侧边缘上。燃料气体供给切口 350沿发电区域DA的右侧形成于发 电区域DA内这样的位置处，在该位置处，当隔板600被组装时，燃料气 体供给切口 350不会与阴极板400的氧化气体排出切口 444重叠。参照图7，中间板500具有用于供给和排出反应气体(氧化气体和燃 料气体)的三个歧管开口 522至526,多个氧化气体供给通路开口 542，多 个氧化气体排出通路开口 544和一个燃料气体供给通路开口 546。此外， 中间板500具有多个冷却剂通路开口 550。歧管开口 522至526形成燃料 电池组100的各上述歧管。歧管开口 522至526设置于发电区域DA的各 外侧边缘上。各冷却剂通路开口 550为在图7的水平方向上横穿发电区域 DA的长形，冷却剂通路开口 550的两端位于发电区域DA的外侧。
参照图7,在中间板500中，氧化气体供给通路开口 542在一侧与歧 管开口 522相连通。当阳极板300、阴极板400和中间板500接合在一起 而形成隔板600时，氧化气体供给通路开口 542在另一侧的端部与阴极板 400的氧化气体供给切口 440重叠。同样，氧化气体排出通路开口 544在 一侧与歧管开口 524相连通。当阳极板300、阴极板400和中间板500接 合在一起而形成隔板600时，氧化气体排出通路开口 544在另一侧的端部 与阴极板400的氧化气体供给切口 444重叠。
参照图7，在中间板500中，燃料气体供给通路开口 546的一端与歧 管开口 526相连通。燃料气体供给通路开口 546在不会与氧化气体排出通 路开口 544重叠的位置沿发电区域DA的下侧延伸，且燃料气体供给通路 开口 546在同一侧的端部位于发电区域DA的左侧附近。当阳极板300、 阴极板400和中间板500接合在一起而形成隔板600时，燃料气体供给通 路开口 546的位于发电区域DA内的部分与阳极板300的燃料气体供给切 口 350重叠。
参照图8，通过将阳极板300、阴^1400和中间板500接合以使得中 间板500被夹持于阳极板300和阴极板400之间，然后在中间板500上分 别与冷却剂供给歧管150及冷却剂排出歧管160相对应的区域对露出部分 进行穿孔，而组装成各隔板600。这样，制造出隔板600,各隔板均具有五 个歧管110至160、即图8中所示的通孔，多个氧化气体供给通路650、多 个氧化气体排出通路660、燃料气体供给通路630和多个冷却剂通路670。
如图8所示，各氧化气体供给通路650由阴极板400的氧化气体供给切口 440和中间板500的氧化气体供给通路开口 542中相应的一个来限定。 各氧化气体供给通路650为在隔板600中延伸的内部通路。氧化气体供给 通路650的一端与氧化气体供给歧管110相连通，另一端位于隔板600的 在阴极830侧的表面(阴^1 400)上，在所述表面中形成开口。此外， 如图8所示，各氧化气体排出通路660由阴极板400的氧化气体排出切口 444和中间板500的氧化气体排出通路开口 544中相应的一个来限定。各 氧化气体排出通路660为在隔板600中延伸的内部通路。氧化气体排出通 路660的一端与氧化气体排出歧管120相连通，另一端位于隔板600的在 阴极830侧的表面(阴极板400)上，在所a面中形成开口。
参照图8，燃料气体供给通路630由阳极板300的燃料气体供给切口 350和中间板500的燃料气体供给通路开口 546构成。燃料气体供给通路 630为在一端与燃料气体供给歧管130相连通，并在另一端通往隔板600 的在阳极820侧的表面(阳极板300)的内部通路。参照图7，冷却剂通路 670由中间板500的冷却剂通路开口 550来限定。各冷却剂通路670在一 端与冷却剂供给歧管150相连通，在另一端与冷却剂排出歧管160相连通。
然后，将说明燃料电池单元100的工作。图9A和图9B示出了在实施 例的燃料电池单元IOO内流动的反应气体。为了清楚起见，图9A和图9B 仅示出了相互交替堆叠的两个密封一体化发电组件200和两个隔板600。 图9A示出了沿图8中的线B-B的截面。图9B的右侧示出了沿图8中的线 D-D的截面，而左侧示出了沿图8中的线C-C的截面。图9A和图9B中 的箭头表示反应气体流。
当氧化气体被供给至氧化气体供给歧管110且燃料气体被供给至燃料 气体供给歧管130时，燃料电池单元100发电。在燃料电池单元100发电 期间，由发电产生的热使燃料电池单元100的温度升高，因此，冷却剂被 供给至冷却剂供给歧管150以抑制燃料电池单元100的温度升高。被供给 至冷却剂供给歧管150的冷却剂被导入冷却剂通路670。这样被供给至各
向另一端，然后被排出至冷却剂排出歧管160。如图9A中的箭头所示，被供给至氧化气体供给歧管110的氧化气体 流经氧化气体供给通路650，然后经由氧化气体供给切口 440 (图5)进入 阴极侧多孔部850。在进入阴极侧多孔部850后，如图8中的白色箭头所 示，氧化气体从上侧至下侧继续流过用作氧化气体供给通路的阴极侧多孔 部850的内部。即，在这种情况下，图8的上侧相当于上游侧，图8的下 侧相当于下游侧。然后，氧化气体经由氧化气体排出切口 444 (图5)进入 氧化气体排出通路660，然后被排出至氧化气体排出歧管120。流过阴极侧 多孔部850的内部的一部分氧化气体扩散至与阴极侧多孔部850相接的阴 极侧扩散层830B的全部，然后用于阴极反应(例如，2H++2e-+ (1/2) 02 —H20)。
如图9B中的箭头所示，被供给至燃料气体供给歧管130的燃料气体 流至燃料气体供给通路630，然后经由燃料气体供给切口 350 (图6)进入 阳极侧多孔部840。在进入阳极侧多孔部840后，如图8中的黑色箭头所 示，燃料气体从下侧至上侧继续流过用作燃料气体供给通路的阳极侧多孔 部840的内部。即，在这种情况下，图8的上侧相当于下游侧，图8的下 侧相当于上游侧。流过阳极侧多孔部840的内部的燃料气体扩散至与阳极 侧多孔部840相接的阳极侧扩散层820B的全部，然后用于阳极反应(例 如，H2 —2H+十2e-)。以下，除特殊说明，"上游"和"下游"表示燃料气 体的流动方向的上游侧(方向)和下游侧(方向)。如上所述，第一实施 例的燃料电池单元100采用阳极闭塞端结构，因此，被供给至阳极侧多孔 部840的燃料气体基本上在阳极820处被消耗。
在燃料电池单元100的阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)中， 燃料气体从上游侧流向下游侧，该燃料气体流抑制了来自阴极830的泄漏 气体扩散至阳极侧多孔部840的上游侧。结果，来自阴极830的泄漏气体 滞留于阳极侧多孔部840的下游侧。
图10为图9A中的区域X的放大图。参照图10,燃料气体从右侧流 向左侧，因此，右侧相当于上游侧，左侧相当于下游侧，箭头表示燃料气 体的流动。参照图10,电解质膜810的厚度从下游侧向上游侧逐渐增大。也就是说，电解质膜810的厚度从上游侧向下游侧逐渐减小。因此，在电 解质膜810的厚度方向上(以下称为"厚度方向")，气体流过电解质膜 810的下游侧相比于流过上游侧更容易。也就是说，电解质膜810的气体 透过性在下游侧高于在上游侧。根据此结构，泄漏气体不会滞留在阳极侧 多孔部840的下游区域内，而是会经由电解质膜810 (电解质膜810的下 游侧)返回阴极830。因此，来自阴极830的泄漏气体不会滞留于阳极侧 多孔部840 (燃料气体供给通路)内。
在第一实施例中，电解质膜810可以视为本发明的"电解质膜"的一 个示例，阳极820可以视为本发明的"阳极"的一个示例，阳极侧多孔部 840可以视为本发明的"燃料气体通路部"的一个示例。
以下将说明本发明的第二实施例。除了燃料电池单元100A中的电解 质膜810A与燃料电池单元100中的电解质膜810不同外，第二实施例的 燃料电池单元100A具有与第一实施例的燃料电池单元100实质上相同的 结构。
图11示出了第二实施例的燃料电池单元100A中的电解质膜810A。 图12示意性地示出了各电解质膜810A的截面。图12与第一实施例的燃 料电池单元100的图10相对应。燃料电池单元100A的与燃料电池单元100 中相同的结构元件用相同的标号来标记，省略对它们的说明。如图12所示， 各电解质膜810A的厚度是均匀的。参照图11和图12，各电解质膜810A 的上游侧和下游侧由不同的材料制成。更具体地，电解质膜810A的上游 侧由烃类树脂制成(该部分将称为"烃类电解质膜810A1")，电解质膜 810的下游侧由氟类树脂制成(该部分将称为"氟类电解质膜810A2")。 一般而言，氟类树脂的气体透过性高于烃类树脂的气体透过性。
这样，在第二实施例的燃料电池单元100A中，电解质膜810A由在上 游侧的烃类电解质膜810A1和在下游侧的氟类电解质膜810A2构成。这样， 电解质膜810A在其厚度方向上的气体透过性在下游侧部位比在上游侧部 位更高。根据此结构，泄漏气体不会滞留于阳极侧多孔部840 (燃料气体 供给通路)的下游区域内，而是会经由电解质膜810A (电解质膜810A的下游侧部分)返回至阴极830。因此，来自阴极830的泄漏气体不会滞留 于阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)内。
在第二实施例中，电解质膜810A可视为本发明的"电解质膜"的一 个示例，烃类电解质膜810A1可视为本发明的"烃类电解质膜"的一个示 例，而氟类电解质膜810A2可视为本发明的"氟类树脂膜，，的一个示例。
以下将说明本发明的第三实施例。除了燃料电池单元100B中的电解 质膜810B与燃料电池单元100中的电解质膜810不同，并且燃料电池单 元100B中的阳极820a与燃料电池单元100中的阳极820不同外，第三实 施例的燃料电池单元100B具有与第一实施例的燃料电池单元100实质上 相同的结构。
图13示意性地示出了第三实施例的燃料电池单元100B的电解质膜 810B和阳极820a的截面。图13与示出第一实施例的燃料电池单元100的 图IO相对应。燃料电池单元100B中与燃料电池单元100的结构元件相同 的结构元件用相同的标号来标记，省略对它们的说明。如图13所示，与第 一实施例的燃料电池单元100的电解质膜810不同，各电解质膜810B的 厚度是均匀的。参照图13，阳极820a (阳极侧扩散层820B1和催化剂层 820A1)的孔隙率从下游侧至上游侧逐渐减小。也就是说，阳极820a的孔 隙率从上游侧至下游侧逐渐增大。
这样，在第三实施例的燃料电池单元100B中，阳极820a的孔隙率在 下游侧部位比在上游侧部位更高。所以，相比于上游侧部位，在下游侧部 位，阳极820a在其厚度方向上的气体透过性更高。根据此结构，泄漏气体 不会滞留于阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)的下游区域内，而是 会经由阳极820a (阳极820a的下游侧)返回至阴极830。因此，来自阴 极830的泄漏气体不会滞留于阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)内。
在第三实施例中，电解质膜810B可视为本发明的"电解质膜，，的一 个示例，阳极820a可视为本发明的"阳极"的一个示例。
以下将说明本发明的第四实施例。除了燃料电池单元100C中的电解 质膜810C与燃料电池单元100中的电解质膜810不同，并且燃料电池单元100C包括导电片860外，第四实施例的燃料电池单元100C具有与第一 实施例的燃料电池单元100实质上相同的结构。
图14A和图14B示意性地示出了燃料电池单元100C的截面。图14A 和图14B与第一实施例的燃料电池单元100的图9A和图9B相对应。燃料 电池单元100C中与燃料电池单元100的结构元件相同的结构元件用相同 的标号来标记，并省略对它们的说明。如图14所示，各导电片860设于阳 极820 (阳极侧扩散层820B)和阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路) 之间。
图15为从图14的上侧观察导电片860的正碎见图。参照图15，导电片 860形成为片状形状(薄膜形状)，导电片860上M地形成有许多通孔 865。各通孔865大致为圆形，具有共同的孔径(即各通孔865具有共同的 形状和大小)。通孔865以交错的形式设置于导电片的表面上。各导电片 860由金制成，通过热压接合、软焊(soldering)、熔接(welding)等与 阳极侧多孔部840的一侧接合。注意，各导电片860的通孔865可以以格 子状设置。
图16为图14中的区域Z的放大图。图17示出了从图14的上侧观察 的电解质膜810C。图17示出了与导电片860的通孔865相应的位置。如 图16和图17所示，在燃料电池单元100C的各电解质膜810的表面上分 散地形成有多个凹部812。此外，参照图16，除了在凹部812处之外，电 解质膜810C的厚度是均匀的。各凹部812大致为圆形，具有共同的孔径 (即各凹部812具有共同的形状和大小)。凹部812以交错的形式设置于 电解质膜810C的表面上。与其他部位相比，在各凹部812处电解质膜810C 的厚度小，所以气体透过性高。
此外，如图16和图17所示，导电片860的通孔865和电解质膜810C 的凹部812被设置为当在堆叠方向(厚度方向)观察堆叠体800时，两者 不相互重叠。也就是说，导电片860的通孔865和电解质膜810C的凹部 812被设置为使得当在堆叠方向上观察时，各凹部812位于两个通孔865 之间。参照图16,在进入阳极侧多孔部840后，燃料气体在阳极820 (阳极 侧扩散层820B)的厚度方向即堆叠方向上流向各通孔865，然后进入阳极 侧扩散层820B,并扩散至整个阳极侧扩散层820B，从而燃料气体被供给 至催化剂层820A。根据此结构，即，被供给至阳极侧多孔部840的燃料气 体可以被分散地供给至阳极820，因此能够利用阳极820 (催化剂层820A) 的整体进行发电。
根据第四实施例的燃料电池单元IOOC，如上所述，设于堆叠体800 的阳极820 (阳极侧扩散层820B )和阳极侧多孔部840之间的导电片860
给通路)，防止了阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)中的泄露气体 滞留。
同时，大部分泄漏气体净皮导电片860阻塞，并因此滞留于阳极820内。 然而，存在当滞留于阳极820内的泄漏气体量超出某一水平时，由于浓度 扩散，泄漏气体逆着通孔865内的燃料气体流而进入阳极侧多孔部840(燃 料气体供给通路)并滞留于阳极侧多孔部840内。在这种情况下，如图16 所示，泄漏气体趋于滞留于阳极820的位于导电片860的各通孔865之间 的区域内，好像泄漏气体被从各通孔865流向阳极820的燃料气体推入所 述区域内。
然而，在第四实施例的燃料电池单元100C中，由于电解质膜810的 凹部812被设置为当在堆叠方向上观察电极体800时位于各个通孔865之 间(参照图16和图17),所以泄漏气体不会滞留于通孔865内，而是会 经由气体透过性相对较高的凹部812返回至阴极830。因此，来自阴极830 的泄漏气体不会进入阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)，因而不会 发生泄漏气体的滞留。
优选地，在燃料电池单元100C中，燃料气体被供给至燃料气体供给 通路的压力(必要时称为"燃料气体供给压力")和氧化气体被供给至氧 化气体供给通路的压力(必要时称为"氧化气体供给压力")被设定为， 使得在燃料气体供给通路内流动的燃料气体的压力的最小值高于从阴极大值。这可以通过将燃料气体供给压力和氧化气体供给压力中的仅一者或 者两者设定为给定值而实现。基于例如实验获得的特定数据来确定燃料气 体供给压力的设定值和/或氧化气体供给压力的设定值。
在第四实施例中，电解质膜810C可视为本发明的"电解质膜，，的一 个示例，导电片860可视为本发明的"导电片"的一个示例，通孔865可 视为本发明的"通孔"。
已经参照实施例说明了本发明，但应了解，本发明不限于实施例。相 反地，本发明意在覆盖了本发明范围内的各种变形和等价配置。
然后，将说明第一变形例。图18示意性地示出了才艮据第一变形例的燃 料电池单元的横截面。图18与示出第一实施例的燃料电池单元100的图 IO相对应。尽管燃料电池单元IOO中的各电解质膜810形成为使得其厚度 从上游侧向下游侧逐渐减小，但本发明不限于此。在第一变形例的燃料电 池单元中，各电解质膜810形成为使得其厚度从上游侧向下游侧逐渐增大。 因此，相比于上游侧部位，在下游侧部位，电解质膜810在其厚度方向上 的气体透过性更低。这抑制了例如在燃料电池单元正在起动的情况下或在 燃料电池单元不工作的情况下，泄漏气体进入并滞留于阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)的下游区域内。这样，即使当燃料电池单元已经开
始发电，从而在阳极侧多孔部840的上游侧的泄漏气体已经开始和燃料气 体一起在阳极侧多孔部840内向下游侧流动时，由于先前抑制了阳极侧多 孔部840的下游区域内的泄漏气体滞留，所以在燃料电池单元发电期间滞 留于阳极侧多孔部840的下游区域内的泄漏气体量不大。
然后，将说明第二变形例。图19示意性地示出了第二变形例的燃料电 池单元的横截面。图19与示出第二实施例的电解质膜810A的图12相对 应。尽管第二实施例的燃料电池单元100A中的各电解质膜810A由上游侧 的烃类电解质膜810A1和下游侧的氟类电解质膜810A2构成，但本发明不 限于此。在第二变形例的燃料电池单元中，如图19所示，各电解质膜810A 的上游侧由氟类电解质膜810A2构成，下游侧由烃类电解质膜810 Al构成。根据此结构，相比于上游侧部位，在下游侧部位，电解质膜810A在其厚 度方向上的气体透过性更低。这抑制了例如在燃料电池单元正在起动的情 况下或在燃料电池单元不工作的情况下，泄漏气体进入并滞留于阳极侧多 孔部840 (燃料气体供给通路)的下游区域内。这样，即使当燃料电池单 元已经开始发电，从而在阳极侧多孔部840的上游侧的泄漏气体已经开始 和燃料气体一起在阳极侧多孔部840内向下游侧流动时，由于先前抑制了 阳极侧多孔部840的下游区域内的泄漏气体滞留，所以在燃料电池单元发 电期间滞留于阳极侧多孔部840的下游区域内的泄漏气体量不大。
然后将说明第三变形例。图20示意性地示出了第三变形例的燃料电池 单元的横截面。图20与示出第三实施例的电解质膜810B的图13相对应。 尽管在第三实施例的燃料电池单元100B中，各阳极820a的孔隙率在下游 侧部位相比于在上游侧部位更高，但本发明不限于此。在第三变形例的燃 料电池单元中，如图20所示，相比于上游侧部位，在下游侧部位，各阳极 820a的孔隙率更低。根据此结构，相比于上游侧部位，在下游侧部位，各 阳极820a在其厚度方向上的气体透过性更低。这抑制了例如在燃料电池单 元正在起动的情况下或在燃料电池单元不工作的情况下，泄漏气体进入并 滞留于阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)的下游区域内。这样，即 使当燃料电池单元已经开始发电，从而在阳极侧多孔部840的上游侧的泄 漏气体已经开始和燃料气体一起在阳极侧多孔部840内向下游侧流动时， 由于先前抑制了阳极侧多孔部840的下游区域内的泄漏气体滞留，所以在 燃料电池单元发电期间滞留于阳极侧多孔部840的下游区域内的泄漏气体 量不大。
在各实施例和变形例的燃料电池单元中，各阴极830可以形成为，使 得阴极830的孔隙率在下游侧部位相比于在上游侧部位更高。根据此结构， 相比于上游侧部位，在下游侧部位，阴极830的气体透过性更低。这样， 泄漏气体不会滞留于阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)的下游区域 内，而是会返回至阴极830。因此，来自阴极830的泄漏气体不会滞留于 阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)内。在各实施例和变形例的燃料电池单元中，可以在阳极侧多孔部840内 设置喷射器，使得燃料气体通过"喷射泵"效应而在阳极侧多孔部840 (燃 料气体供给通路)内循环。在这种情况下，在阳极侧多孔部840内，燃料 气体流向喷射器的方向相应于下游侧(下游方向)，相反的方向相应于上 游侧(上游方向)。
尽管前述的各实施例和变形例的燃料电池单元具有闭塞端结构，但本 发明不限于此。即，本发明可以应用于在不排出燃料气体的情况下发电的 任何燃料电池单元。"在不排出燃料气体的情况下发电的燃料电池单元，， 的一个例子如下。该燃料电池单元具有燃料气体排出歧管，与燃料气体排 出歧管相连通并被用于从阳极侧多孔部840 (燃料气体供给通路)排出燃 料气体的燃料气体排出通路，以及在关闭时阻断向燃料电池单元的外部排 出燃料气体的驱除阀(purge valve)。只要与燃料气体和氧化气体的供给
量相关的参数和与发电相关的参数(例如，发电量)的值在给定范围内， 并且在阳极处的氮局部压力与在阴极处的氮局部压力大致均衡，该燃料电 池单元就在驱除阀关闭的情况下，即在不向燃料电池单元的外部排出燃料 气体的情况下进行发电。
尽管已经参照实施例对本发明进行了说明，但应当了解，本发明不限 于上述实施例或结构。相反地，本发明意在覆盖各种变形和等同设置。另 外，尽管在各种示例性的组合和结构中示出了所公开发明的各要素，但包 括更多、更少或者仅单个要素的其他组合和结构也在所附权利要求的范围 内。
权利要求
1. 一种在不排出燃料气体的情况下产生电力的燃料电池，包括电解质膜；设于所述电解质膜的一侧的阳极；以及设于所述阳极的外侧以形成燃料气体供给通路的燃料气体通路部，燃料气体经由所述燃料气体供给通路被供给至所述阳极，其中所述电解质膜和所述阳极中的至少一者在其厚度方向上的气体透过性在所述燃料气体供给通路延伸的方向上根据位置的不同而变化。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电解质膜的与所述体供给通路的上游侧相对应的部分由不同的材料制成。
3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中，相比于与所述燃料 气体供给通路的上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游 侧相对应的部位，所述电解质膜和所述阳极中的所述至少一者在所述厚度 方向上的气体透过性更高。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池，其中，相比于 与所述燃料气体供给通路的上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给 通路的下游侧相对应的部位，所迷电解质膜的厚度更小。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池，其中，所述电 解质膜的与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部分由氟类树脂制由烃类树脂制成。 一 、，
6. 根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池，其中，相比于 与所述燃料气体供给通路的上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给 通路的下游侧相对应的部位，所述阳极的孔隙率更高。
7. 根据权利要求1至6中的任一项所述的燃料电池，其中，在所述 电解质膜的阳极侧表面上形成有多个凹部。
8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池，还包括 设于所述阳极和所述燃料气体通路部之间的导电片，所述导电片具有片状形状，并且在所述导电片部的表面上分散地形成有多个通孔，其中在所述电解质膜上形成有多个凹部，在所述电解质膜、所述阳极和所 述导电片部堆叠而形成堆叠体的方向上观察时，所述凹部不会与所述导电 片部的通孔重叠。
9. 根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中，相比于与所述燃料 气体供给通路的上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体供给通路的下游 侧相对应的部位，所述电解质膜和所述阳极中的所述至少一者在所述厚度 方向上的气体透过性更低。
10. 根据权利要求l、 2和9中的任一项所述的燃料电池，其中，相 比于与所述燃料气体供给通路的上游侧相对应的部位，在与所述燃料气体 供给通路的下游侧相对应的部位，所述电解质膜的厚度更大。
11. 根据权利要求l、 2、 9和10中的任一项所述的燃料电池，其中， 所述电解质膜的与所述燃料气体供给通路的下游侧相对应的部分由烃类树部分由氟类树脂制成。
12. 根据权利要求l、 2、 9、 lO和ll中的任一项所述的燃料电池， 其中，相比于与所述燃料气体供给通路的上游侧相对应的部位，在与所述 燃料气体供给通路的下游侧相对应的部位，所述阳极的孔隙率更低。
13. 根据权利要求1至12中的任一项所述的燃料电池，其中，在所 述燃料气体供给通路内流动的燃料气体的压力的最小值被设定为大于从阴的最大值。
14. 一种在不排出燃料气体的情况下产生电力的燃料电池，包括: 电解质膜；设于所述电解质膜的一侧的阳极； 设于所述电解质膜的另一侧的阴极；以及设于所述阴极的外侧以形成氧化气体通路的氧化气体通路部，氧化气 体经由所述氧化气体通路被供给至所述阴极，其中相比于与所述氧化气体供给通路的上游侧相对应的部位，在与所述氧 化气体供给通路的下游侧相对应的部位，所述阴极在其厚度方向上的气体 透过性更高。
全文摘要
一种在不排出燃料气体的情况下产生电力的燃料电池(100)包括电解质膜(810)；设于电解质膜一侧的阳极(820)；以及设于阳极外侧以形成燃料气体供给通路的燃料气体通路部(840)，燃料气体经由该燃料气体供给通路被供给至阳极。所述电解质膜和所述阳极中的至少一者在其厚度方向上的气体透过性在所述燃料气体供给通路延伸的方向上根据位置的不同而变化。
文档编号H01M8/02GK101548420SQ200880000964
公开日2009年9月30日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月14日
发明者宇佐美祥, 小川朋宏 申请人:丰田自动车株式会社