燃料电池及具有燃料电池的车辆的制作方法

专利名称：燃料电池及具有燃料电池的车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池及具有该燃料电池的车辆。详细而言，本发明涉及以在维持燃料电池的抗液泛性的同时使燃料电池小型化为目的的燃料电池及具有该燃料电池的车辆。
背景技术：
燃料电池是一种通过将氢、甲醇等燃料电化学氧化而取出电能的发电装置，近年来，其作为清洁的能量供给源而被人们关注。燃料电池根据所使用的电解质的种类被分类为磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型以及固体高分子电解质型等。其中固体高分子型燃料电池(PEFC)具有在电解质膜的两面配置有电极的膜电极接合体(MEA)。并且，通过向膜电极接合体的一面供给氢(燃料气体)、并向另一面供给氧(氧化气体)来进行发电。由于这样的PEFC能够获得与内燃机同等的体积功率密度，因此作为电动汽车等的电源正在进行实用化的研究(例如，参照专利文件I和专利文件2)。这里，作为膜电极接合体的封装方法，提出有叠加型、压褶型、中空丝型等各种各样的类型。其中，通过一边用片状的隔离物对片状的膜电极接合体进行隔离一边对片状的膜电极接合体进行层叠而构成的叠加型燃料电池被广泛应用。在燃料电池中，具有发电功能的是厚0. Imm左右的催化剂层和电解质膜。并且，为了一边有效地除去伴随发电而产生的生成水一边供给发电所需要的燃料气体和氧化气体，代表性的燃料电池具有高0. 5mm 2mm的气体通路和厚0. 2mm 0. 5mm的气体扩散层。即，代表性的燃料电池单元电池的厚度(电池间距)为Imm 5mm。这里，燃料电池单元电池的标准的输出功率为0. 5ff/cm2 I. 5W/cm2。因此，在代表性的汽车用燃料电池堆中，在对发电做出贡献的有效区域(active area)中的体积功率密度为lkW/L 3kW/L，包含歧管等的体积功率密度为0. 5kff/L I. 5kW/L。专利文件I :日本特开2005 - 190946号公报
专利文件2 :日本特许第3939150号公报但是，为了将燃料电池作为汽车等的电源来使用，为了改善车载性、生产率及成本，需要燃料电池的进一步小型化。而且，为了以相同的催化剂面积改善体积功率密度，使燃料电池单元电池变薄是有效的。但是，由于以往的代表性的燃料电池利用氢、空气的流动除去伴随发电而产生的生成水，因此采用了会产生规定的压力损失那样的通路设计。因此，如果以小型化为目的而单纯地降低燃料电池单元电池的厚度，则压力损失变得过大，燃料电池的驱动所需要的各种各样的流体供给装置的负荷增大，因此，在以往的燃料电池中，小型化存在极限。例如，在专利文件2的燃料电池中，公开了如下的技术在隔离物的与电极层(阳极电极层、阴极电极层)相接触的部位，使长边的长度为短边的两倍 六倍的长度，并且使反应气体通路的宽度、深度等为规定的范围。但是，在隔离物的长边和短边为该比率的情况下，若降低通路的深度而使燃料电池单元电池的厚度变薄，则压力损失变得过大。

发明内容
本发明是鉴于这样的现有技术所具有的问题而做成的。并且，本发明的目的在于，提供一种在维持抗液泛性的同时能够进行小型化的燃料电池以及具有该燃料电池的车辆。本发明的实施方式的燃料电池包括层叠体，该层叠体由膜电极接合体与隔离物层叠而成，该膜电极接合体在电解质膜的两面具有阳极的电极层和阴极的电极层。并且，上述膜电极接合体和上述隔离物呈大致矩形，该隔离物光滑或具有通路，上述电极层包括气体扩散层和催化剂层。另外，上述膜电极接合体的阴极侧或阳极侧的通路长度与通路宽度的t匕(通路长度/通路宽度)、即长宽比R为0.01以上且小于2。而且，上述气体扩散层或通路的水平方向等效直径D (mm)满足公式(1)，D=BX (RXAcat) 1/3 公式(I)(在公式(I)中，Acat为上述膜电极接合体的催化剂面积(cm2),B为0. 005 0. 2的常数。)


图I是表示本实施方式的燃料电池的立体图。图2的(A) 图2的(C)示出了构成本实施方式的燃料电池的燃料电池单元电池，其中，图2的(A)为隔离物的俯视图，图2的(B)为膜电极接合体的俯视图，图2的(C)为在膜电极接合体的两侧配置有隔离物的图。图3是本实施方式的燃料电池中的膜电极接合体的分解图。图4的(A)是表示取下密封材料时的膜电极接合体的俯视图，图4的(B)是表示装上密封材料时的膜电极接合体的俯视图，图4的(C)是表示形成于歧管和催化剂层之间的扩宽部的主要部分放大俯视图。图5是表示与膜电极接合体的通路方向平行地将扩宽部和气体扩散层分割的膜电极接合体的俯视图。图6的(A) 图6的(B)表示隔离物，其中，图6的(A)为在隔离物的表面形成有气体通路的隔离物的立体图，图6的(B)为气体通路的放大立体图。图7的(A)为表示高长宽比的隔离物的图，图7的(B)为表示低长宽比的隔离物的图，图7的(C)为表示低长宽比且低通路高度的隔离物的图。图8是表示搭载了本实施方式的燃料电池的车辆的一例的图。图9是表示评价实施例2和比较例I的IV特性的结果的图。图10是表示评价实施例2和比较例I的SR特性的结果的图。图11是表示实施例3和比较例I中的电压、输出功率及阻抗与电流密度间的关系的图。
具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在附图的说明中，对相同的构件标注相同的附图标记，省略重复的说明。并且，为了便于说明，附图的尺寸比率被夸大，有时与实际的比率不同。
如图I和图2所示，本实施方式的燃料电池I是由层叠多个燃料电池单元电池4而成的层叠体所构成的叠加型燃料电池(固体高分子型燃料电池)，该燃料电池单元电池4是由一组片状的隔离物2和片状的膜电极接合体3层叠而成的。另外，在本实施方式中，燃料电池单元电池4的层叠数没有特别限定。即，不论是单一的燃料电池单元电池4还是层叠多个燃料电池单元电池4而成的燃料电池堆均属于本发明的燃料电池。(膜电极接合体)如图3所示，膜电极接合体3是自里向外依次由气体扩散层(阳极侧气体扩散层)5a、催化剂层(阳极催化剂层)6a、电解质膜7、催化剂层(阴极催化剂层)6b、气体扩散层(阴极侧气体扩散层)5b这5层构成的接合体，俯视呈大致矩形状。上述膜电极接合体3通过与同为大致矩形状的隔离物2组合、并供给氧(氧化气体)和氢(燃料气体)来发电。另外，在本说明书中，有时将催化剂层6a、电解质膜7和催化剂层6b这3层称作C CM (catalystcoated membrane),将催化剂层6和气体扩散层(⑶L) 5这两层称作气体扩散电极(⑶E)。并且，有时将气体扩散电极简称作电极。
另外，上述膜电极接合体3和隔离物2可以不为完全的矩形状，只要能够确定后述的通路长度Wl和通路宽度(W2)，则也可以为大致矩形状。即，上述膜电极接合体3和隔离物2的矩形的角部可以进行倒角处理，甚至可以为椭圆形状。(气体扩散层)气体扩散层(OTL) 5a、5b具有如下功能将供给至燃料电池的燃料气体和氧化气体供给至催化剂层6a、6b ;在催化剂层6a、6b和隔离物2之间授受电子。在不损害本发明的目的的范围内，气体扩散层5a、5b也可以在其表层或内部又或者在表层及内部这两者上还包括其他的构件(层)。所谓其他的构件是指，例如也可以在气体扩散层5a、5b的靠催化剂层6a、6b —侧的面上设置包含碳颗粒的碳颗粒层。优选气体扩散层5a、5b为由具有导电性的材料构成的多孔质体，更优选为包含纸、无纺布、织布、针织布或网的纤维材料。作为具有导电性的材料，能够举出例如碳材料、金属材料。在气体扩散层5由纤维材料构成的情况下，优选表面的平均纤维间距的半值r为100 m以下，更优选为50 m以下。并且，更加优选上述平均纤维间距的半值r为20 y m以下，进一步更优选为15 Pm以下，特别优选为IOiim以下，最优选为5 iim以下。这里所定义的平均纤维间距的半值r是指，平均纤维间距离的一半的距离。即，在气体扩散层由经丝和纬丝所组成的平织的纤维材料构成的情况下，相邻的两根经丝或纬丝之间的距离的一半。另外，在图3中，上述气体扩散层5a、5b和催化剂层6a、6b为单独的层。但是，气体扩散层和催化剂层也可以被一体化而成为单一的层。(长宽比)通常，燃料电池的催化剂层呈大致矩形，具有自相对的两边中的一个边导入燃料气体、氧化气体和冷却介质等、并自另一个边排出导入燃料气体、氧化气体和冷却介质等的结构。在本说明书中，将上述相对的两边之间的距离定义为通路长度，将与燃料气体、氧化气体及冷却介质等流动的方向垂直的方向的距离(宽度)定义为通路宽度。并且，文中有时将通路长度的方向称为通路方向，将通路宽度的方向称为宽度方向。具体来说，如图4的(B)所示，在呈大致矩形状的膜电极接合体3中，将氧化气体的流动方向(箭头Ml所示方向)的距离设为通路长度Wl，将与上述氧化气体的流动方向垂直的方向(箭头M2所示方向)的距离设为通路宽度W2。在该情况下，膜电极接合体3的长宽比R被定义为R=通路长度(Wl)/通路宽度(W2)。严格来说，膜电极接合体3的长宽比R是设于进行发电的有效区域的催化剂层6a、6b中通路长度(Wl)与通路宽度(W2)的比(通路长度/通路宽度)。另外，在本实施方式中，由于膜电极接合体3是包含催化剂层6a、6b的概念，因此，为了方便，以下，将催化剂层6a、6b的通路长度(Wl)与通路宽度(W2)的比(通路长度/通路宽度)表现为膜电极接合体3的长宽比R。另外，在上述中，将氧化气体的流动方向的距离设为通路长度Wl，将与氧化气体的流动方向垂直的方向的距离设为通路宽度W2，膜电极接合体3的长宽比R定义为R=通路长度(Wl)/通路宽度(W2)。但是，也可以如下这样定义膜电极接合体3的长宽比R :将阳极侧的燃料气体的流动方向上的距离或冷却层的冷却介质的流动方向上的距离设定为通路长度W I，将与上述燃料气体的流动方向垂直的方向上的距离设定为通路宽度W2，R=通路长度(Wl)/通路宽度(W2)。在本实施方式中，膜电极接合体3的长宽比R为0.01以上且小于2。优选长宽比 R的下限值为0. 05以上，更优选为0. I以上，进一步优选为0. 2以上。另一方面，优选长宽比的上限值小于I. 5，更优选小于I. 2，进一步优选小于I. 0，更进一步优选小于0. 6，特别优选小于0. 4，最优选小于0. 3。在长宽比R小于0. 01的情况下，燃料电池的外形变得过于细长，在考虑车载等时有可能产生障碍。另一方面，在长宽比R为2以上的情况下，由于后述的水平方向等效直径变大，因此膜电极接合体的单位面积所需要的通路的容积变得过大。因此，难以达成作为本申请发明的目的的燃料电池的小型化。更详细地说明的话，如图2所示，在膜电极接合体3的长宽比R为0. 01以上且小于2的矩形状的情况下，使隔离物2的形状与膜电极接合体3相匹配地也为矩形状。而且，例如，如图7的(A)所示，在隔离物2A具有高长宽比(R为2以上)的情况下，通路长度也变长，因此压力损失增大。而如图7的(B)所示，在隔离物2B具有低长宽比(R为0.01以上且小于2)的情况下，通路长度变短，因此，相对于隔离物2A，隔离物2B压力损失减小。即，即使在隔离物2B的面积与隔离物2A的面积相同且向通路流动的流量相同的情况下，通过如隔离物2B那样降低长宽比R，也能够减小压力损失。因此，如图7的(C)那样，即使在减小长宽比R且降低通路的高度的情况下，也能够维持与图7的(A)的隔离物2A同等的压力损失，并且能够降低隔离物自身的高度。另外，与图7的(B)的隔离物2B的通路相比，图7的(C)的隔离物2C的通路的截面积变小，因此隔离物2C的通路的反应气体的流速变快。结果，能够利用反应气体吹散通路内所存在的生成水，因此能够抑制液泛。特别是，优选隔离物2C那样的结构应用于生成水易滞留的阴极侧，但是在应用于阳极侧或者应用于冷却介质的情况下，也能够对燃料电池的小型化做出贡献。这里，在本实施方式的燃料电池中，优选燃料气体的流动方向与氧化气体的流动方向平行。但是，也能够使燃料气体的流动方向与氧化气体的流动方向垂直(交叉流)。在燃料气体的流动方向与氧化气体的流动方向平行的情况下，燃料气体的流动方向和氧化气体的流动方向可以为同方向(同向流)、反方向(逆流)中的任一者，优选逆流。另外，在本实施方式中，虽然优选冷却介质的流动方向与氧化气体的流动方向平行，但也能够使冷却介质的流动方向与氧化气体的流动方向垂直(交叉流)。在冷却介质的流动方向与氧化气体的流动方向平行的情况下，冷却介质的流动方向与氧化气体的流动方向可以为同方向(同向流)、反方向(逆流)中的任一者，优选同向流。(歧管)在本实施方式中，作为燃料电池所需要的燃料气体、氧化气体和冷却介质的供给装置，能够在膜电极接合体的相对的两边 的外周部或外部设置两组以上的氧化气体、燃料气体和冷却介质的歧管。通过设置两组以上的歧管，即使在宽度方向上较宽的本实施方式的燃料电池中，也易于在宽度方向上均匀地供给气体和冷却介质。在图4中，示出了在膜电极接合体3的相对的两边(长边)的外周部形成有多组由燃料气体歧管9、冷却水歧管10及氧化气体歧管11组成的一个组的例子。上述燃料气体歧管9和氧化气体歧管11以在两者之间隔着冷却水歧管10的方式设置。在图4中，面向附图，自左侧至右侧依次配置有燃料气体歧管9、冷却水歧管10及氧化气体歧管11，上述三个种类的歧管重复配置有多组。换一个角度来看，燃料气体歧管9和氧化气体歧管11隔着冷却水歧管10彼此交替地配置在膜电极接合体3的外周部。另外，在图3和图4中，在构成膜电极接合体3的电解质膜7的相对的两边(长边)的外周部设有多个燃料气体歧管9、冷却水歧管10及氧化气体歧管11。但是，上述歧管未必一定设于电解质膜。例如，沿具有与催化剂层相同平面形状的电解质膜的外缘配置设有上述歧管的树脂制的载片(carrier sheet)。并且,使电解质膜的外缘与载片的内缘气密地紧密接合。由此，能够发现与图3的膜电极接合体3相同的功能。另外，如图4的(B)、图4的(C)及图5所示，在上述膜电极接合体3的作为阴极侧和阳极侧的面的外周缘分别设有密封材料12。具体来说，在电解质膜7的作为阴极侧的面的外周缘设有密封材料12，该密封材料12以包围该外周缘的整个外周且包围燃料气体歧管9和冷却水歧管10的周围的方式设置。但是，未在氧化气体歧管11的周围设置密封材料12。另一方面，在电解质膜7的作为阳极侧的面的外周缘设有密封材料12，虽然省略图示，但该密封材料12以包围该外周缘的整个外周且包围氧化气体歧管11和冷却水歧管10的周围的方式设置。但是，在燃料气体歧管9的周围未设置密封材料12。上述密封材料12具有选择使何种流体(燃料气体、氧化气体、冷却介质)流通至膜电极接合体3的有效区域的切换功能。例如，在图4的(B)中，由于密封材料12在氧化气体歧管11的前表面敞开，因此知道图4的(B)表示膜电极接合体3的阴极侧。在本实施方式中，优选氧化气体歧管11的截面积的和AOx为阴极催化剂层6b的催化剂面积Acat的I % 50%。即，在图4的(A)所示的膜电极接合体3中，优选多个氧化气体歧管11的通路面积的总和AOx为阴极催化剂层6b的催化剂面积Acat的I % 50%。并且，更优选氧化气体歧管11的截面积的和AOx为催化剂面积Acat的10% 40%，进一步优选为20 % 30 %。在AOx小于I %的情况下，朝向膜电极接合体3的宽度方向M2分配的氧化气体流动分配性有可能降低，并且歧管内的通气压力损失有可能增大。相反，在AOx超过50%的情况下，由于燃料电池的容积变大，因此并不优选。另外，与上述相同，优选燃料气体歧管9的截面积的和ARe为阳极催化剂层6a的催化剂面积Acat的I % 30%。并且，更优选燃料气体歧管9的截面积的和ARe为阳极催化剂层6a的催化剂面积Acat的5% 20%，进一步优选为10% 15%。在ARe小于1%的情况下，朝向膜电极接合体3的幅方向M2分配的氧化气体流动分配性有可能降低，并且歧管内的通气压力损失有可能增大。相反，在ARe超过30%的情况下，由于燃料电池的容积变大，因此并不优选。另外，在本实施方式中，优选氧化气体歧管11的数量为相对于一个有效区域(存在催化剂层6a、6b的区域)被分割成多个。优选该氧化气体的歧管分割数NOx为2 100，更优选为5 20。另外，在图4的(A)和图4的(B)中，在膜电极接合体3的长边中的一个边，氧化气体歧管11被分割为4个。即，在本实施方式中，在膜电极接合体3的通路宽度(W2)侧的一边上，优选氧化气体歧管11被分割为NOx个。在上述NOx小于2的情况下，有可能难以容易且均匀地将反应气体、冷却水导入至膜电极接合体3。另外，在NOx超过100的情况下，虽然在燃料电池非常大的情况下障碍较少，但是每个歧管所需要的密封材料的面积变大。因此，有可能难以达成作为本申请目的的小型化。另外，与上述氧化气体歧管11同样，优选燃料气体歧管9的数量也为相对于一个 有效区域被分割成多个。优选该燃料气体的歧管的分割数NRe为2 100，更优选为5 20。另外，在图4的(A)和4的(B)中，在膜电极接合体3的长边中的一个边，燃料气体歧管9被分割为4个。即，在本实施方式中，优选在膜电极接合体3的通路宽度(W2)侧的一边上，燃料气体歧管9被分割为NRe个。在NRe小于2的情况下，有可能难以容易且均匀地将反应气体、冷却水导入至膜电极接合体。在NRe超过100的情况下，虽然在燃料电池非常大的情况下障碍较少，但每个歧管所需要的密封材料的面积变大。因此，有可能难以达成作为本申请目的的小型化。(扩宽部)在使燃料气体或冷却介质与氧化气体平行地流动的情况下，优选对于膜电极接合体的宽度方向均匀地供给全部的气体或冷却介质。因此，在上述各歧管9、10、11与催化剂层6a、6b之间，如图4的(B)和图4的(C)所示，能够形成作为用于将氧化气体或燃料气体供给至该催化剂层6a、6b的通路的扩宽部8。扩宽部8是通过在膜电极接合体的各歧管9、10、11与催化剂层6a、6b之间设置恒定的间隙(距离)L而形成的。例如，氧化气体的扩宽部8具体来说相当于包围燃料气体歧管9和冷却水歧管10的周围的密封材料12与催化剂层6a、6b (实际上,设于催化剂层6a、6b之上的气体扩散层5a、5b)之间的部位。通过设置这样的扩宽部8，如图4的(C)所示，自氧化气体歧管11流出的氧化气体经由扩宽部8而在膜电极接合体3的宽度方向M2上扩散。之后，扩散的氧化气体被供给至气体扩散层5b和催化剂层6b。因此，能够在整个MEA有效区域有效地进行发电。扩宽部8的长度L为催化剂层6a、6b (也包括气体扩散层5a、5b)的气体流动方向M I的通路长度L'的I % 30 %。并且，更优选该扩宽部8的长度L为通路长度L'的5% 20%，进一步优选为10% 15%。在扩宽部8的长度L小于通路长度L'的1%的情况下，为了将氧化气体或燃料气体供给到相邻各歧管9、11的前表面而产生压力损失变大，因此不优选。另外，在扩宽部8的长度L超过通路长度L'的30%的情况下，燃料电池的小型化变得困难，因此不优选。(隔离物)上述隔离物2具有对自阳极侧的催化剂层6a被取出至气体扩散层5a的电子进行集电并送出至外部负载电路的功能。并且，隔离物2具有将自外部负载电路返回的电子配电至阴极侧的气体扩散层5b进而传递至阴极侧的催化剂层6b的功能。并且，在气体扩散层5a、5b的与催化剂层6a、6b相反一侧的面没有气体隔绝功能的情况下，隔离物2通过与气体扩散层5a、5b紧密接合而承担气体隔绝功能。而且，隔离物2根据需要而构成冷却层(冷却介质通路)，从而承担燃料电池的温度调整功能(冷却功能)。作为上述隔离物2，优选例如在内部具有导电性的非多孔质体。具体来说，优选招箔、金箔、镍箔、铜箔及不锈钢箔等金属箔、由天然石墨等碳材料构成的碳箔(c ar b O nfoil)。这里，在图2中，在隔离物2的相对的两边的外周部设有多个歧管，但是歧管未必一定设在隔离物上。例如，沿具有与催化剂层6a、6b相同平面形状的隔离物的外缘配置有设有歧管的树脂制的载片。并且，使隔离物的外缘与载片的内缘气密地紧密接合。由此，能够发现与图2的隔离物相同的功能。另外，隔离物2的歧管的功能与膜电极接合体3的歧管的功能等价。
(通路) 如图6的(A)所示，能够在上述隔离物2上形成用于使氧化气体或燃料气体在其表面上流通的通路13。并且，在上述隔离物2上，根据需要，能够形成用于使冷却介质在其内部流通的通路(未图示)。设在上述隔离物2上的通路的截面形状由称作肋的凸部和称作槽的凹部构成。其中，肋通过与气体扩散层接触而对在催化剂层上产生的电子进行集电。在图6的(B)中，a表示通路13的通路高度(肋的高度)，b表示通路13的槽宽度，C表示通路13的肋宽度。优选上述通路13的水平形状由将大致矩形的催化剂层的相对的两边以最短距离连接起来的直线形成。在该情况下，例如，如图4的(B)所示，在自设于上方侧的氧化气体歧管11供给氧化气体的情况下，氧化气体经由上方侧的扩宽部8而沿宽度方向M2扩散，之后经由与气体流动方向Ml平行的通路13向下方侧流动。然后，经由下方侧的扩宽部8，自设于下方侧的氧化气体歧管11排出。由此，能够高效地使氧化气体分散至气体扩散层5b和阴极催化剂层6b。另外，在不影响本发明的目的的范围内，也能够使上述通路13为最短距离以上的直线或曲线。在该情况下，借助气体扩散层而将燃料电池反应所需要的燃料气体和氧化气体均匀地分配至催化剂层的整个表面，因此能够覆盖催化剂层整个表面。作为该通路13的制造方法，能够使用冲压加工、切削加工等那样的以往公知的方法。如上所述，供反应气体流通的通路13能够由设在隔离物2的表面上的肋和槽形成。但是，不限于此，在构成气体扩散层5a、5b的多孔质结构内的通路方向的等效直径具有后述那样的特定的等效直径的情况下，能够赋予多孔质结构与通路13相同的功能。在该情况下，不需要在隔离物2的表面上形成由上述肋和槽构成的通路13，因此能够使隔离物平滑。并且，也可以在气体扩散层5a、5b和隔离物2这两者上设置上述通路。(水平方向等效直径)在本实施方式中，使燃料电池为低长宽比结构的同时，将设于气体扩散层和隔离物的至少一者上的通路的水平方向等效直径限定在特定的范围内，从而能够在维持抗液泛性的同时实现包含歧管容积在内的燃料电池堆的综合的小型化。这里，水平方向等效直径是指，流体(反应气体、冷却介质)在确定形状或不确定形状通路中流动而产生压力损失时，假想产生与该压力损失相同的压力损失的圆管的情况下该圆管的通路的内径。详细来说，在本实施方式中，形成在气体扩散层5a、5b和隔离物2的至少一者上的通路13的水平方向等效直径D的特征在于满足以下公式(I)。D=BX (RXAcat) 1/3 公式(I)另外，在公式(I)中，Acat为上述膜电极接合体的催化剂面积(CM2)，B为0. 005以上0.2以下的常数。这里，等效直径(也称作代表长度)相当于液体在不确定形状通路内流动而产生压力损失时，假想产生与该压力损失相同的压力损失的圆管的情况下该圆管的通路的内径。例如，如图6所示，反应气体的通路13的截面为矩形的情况下，能够利用D=4aV(2a + 2b)来求得等效直径。这里，a为上述通路的短边的长度，b为通路的长边的长度。、本说明书中的气体扩散层5a、5b或通路13的水平方向等效直径D被如下这样定义1)在气体扩散层5a、5b上形成有通路13的情况下为构成气体扩散层5a、5b的多孔质结构内的通路方向的等效直径。2)在隔离物表面形成有通路13的情况下为该通路13的等效直径和构成气体扩散层的多孔质结构内的通路方向的等效直径中的较大者。上述式(I)中记载的B为0.005以上0.2以下的常数。但是，优选B的值的下限值为0. 01，更优选为0. 02以上，特别优选为0. 05以上。另一方面，B的上限值优选为0. I以下，更优选为0. 09以下，特别优选为0. 08以下。B小于0. 005时，压力损失过大，因此不优选。B大于0. 2时，通路或气体扩散层的高度过大，因此不优选。在隔离物表面形成有通路13的情况下，利用上述关系式D e=4ab/ (2a + 2b)能够求得适当的通路13的高度和宽度。在将a设为通路的高度、将b设为通路的宽度的情况下，在b为无限大时有D e=2a的关系。由此，优选b/a的比为I. 2以上，更优选为I. 3以上，进一步优选为1.4以上，更进一步优选为1.5以上。(电解质膜)电解质膜7为具有输送质子且隔绝电子的功能的一种选择透过膜。该电解质膜7根据作为构成材料的离子交换树脂的种类而大致分为氟类电解质膜和碳氢化合物类电解质膜。其中，氟类电解质膜由于具有C 一 F键而在耐热性、化学稳定性方面优异。例如，电解质膜7中能够使用以Nafion (注册商标，杜邦股份公司制)的商品名为人所知的全氟磺酸(perfIuorosulfonate)膜。(催化剂层)设于阴极侧的催化剂层(阴极催化剂层)6b是包含离聚物和附着保持有催化剂成分而成的电极催化剂的层。电极催化剂具有促进由质子、电子及氧生成水的反应(氧化还原反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面附着保持白金等催化剂成分而成的结构。设于阳极侧的催化剂层(阳极催化剂层)6a是包含离聚物和附着保持有催化剂成分而成的电极催化剂的层。电极催化剂具有促进将氢离解为质子和电子的反应(氢氧化反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面附着保持白金等催化剂成分而成的结构。(扩宽部和气体扩散层的分割)
在本实施方式中，上述扩宽部8也可以与歧管9、10、11的分割数相对应地被分割。例如，在图5中，利用使密封材料12的一部分向气体扩散层5a、5b突出而成的扩宽部分割部14，与膜电极接合体3的通路方向Ml平行地对扩宽部8进行分割。优选该扩宽部8的分割数与上述歧管分割数NOx相对应。另外，在图5中，与氧化气体的歧管分割数相对应地使扩宽部的分割数为4。通过这样分割扩宽部8，能够将来自各个歧管的流体的供给限制为特定的通路宽度。结果，即使在流体的供给出现预想以上的变动的情况下，也能够在膜电极接合体3的宽度方向M2上均匀地供给流体。另外，在本实施方式中，气体扩散层5a、5b也可以与歧管9、10、11的分割数相对应地被分割。例如，通过在I片气体扩散层5a、5b中插入非透气性材料(狭缝)，形成气体扩散层分割部15，从而，能够与膜电极接合体3的通路方向Ml平行地对气体扩散层5a、5b进行分割。优选该气体扩散层5a、5b的分割数与上述歧管分割数NOx相对应。另外，在图5中，与氧化气体的歧管分割数相对应地使气体扩散层的分割数为4。通过这样分割气体扩散层5a、5b，能够在气体扩散层内部限制流体沿宽度方向M2移动。结果，即使流体的供给出现预想以上的变动的情况下，也能够在膜电极接合体3的宽度方向M2上均匀地供给流体。另一方面，如图6的(A)所示，在隔离物2上使用直线的通路13的情况下，本质上气体不向通路方向以外流动。因此，即使在气体扩散层中插入非透气性材料的情况下，也不需要在隔离物2的通路自身上插入非透气性材料。因此，在图5中，与气体扩散层分割部15相接触的部位的通路不需要特殊的结构。(燃料电池的机理)本实施方式的固体高分子型燃料电池(PEFC) I的机理如下，S卩，由供给至阳极催化剂层6a的氢生成质子和电子。在阳极生成的质子在电解质膜7内部移动而到达阴极催化剂层6b。另一方面，在阳极生成的电子经由导线(导体)而自燃料电池被取出。并且，在外部负载电路消耗电能之后，上述电子经由导线(导体)返回到阴极，与供给至阴极催化剂层6b的氧发生反应而生成水。(燃料电池的工作)燃料电池的工作是通过向一个电极(阳极)供给氢且向另一个电极(阴极)供给氧或空气而进行的。虽然由于燃料电池的工作温度越高则催化剂活性越上升而优选高温，但通常在易于进行水分管理的50°C 100°C工作的情况较多。(搭载了燃料电池的车辆)在图8中，示出了搭载了本实施方式的燃料电池的车辆的一例。图8中所示车辆18将作为驱动源的本实施方式的燃料电池I搭载在地板之下。由于燃料电池I是输出功率性能非常优异的固体高分子型燃料电池(PEFC)、叠加型燃料电池，因此搭载该燃料电池I的车辆18发挥高输出功率。(本实施方式的效果)如上所述，本实施方式的燃料电池的特征在于，膜电极接合体和隔离物采用长宽比小于2的低长宽比结构且由上述长宽比和催化剂层的面积导出的通路的水平方向等效 直径为规定范围。由此，能够一边维持与以往的燃料电池相同的压力损失、相同的气体流量，一边以更小的电池间距(通路高度)输送燃料气体、氧化气体、水蒸汽及生成水等。因而，能够提供在维持发现抗液泛性所需要的压力损失的同时能够进行小型化的燃料电池。换言之，能够实现更高输出功率密度的燃料电池。并且，采用本实施方式的燃料电池，作为燃料电池所需要的燃料气体、氧化气体及冷却介质的供给部件，多个氧化气体和燃料气体的歧管分别交替配置在膜电极接合体的相对的两边的外周部或外部。因此，即使是宽度方向较宽的低长宽比结构，也能够沿膜电极接合体的催化剂层(有效区域)的宽度方向均匀地供给各气体和流体。另外，采用本实施方式的燃料电池，在歧管和催化剂层之间具有扩宽部，因此能够沿膜电极接合体的催化剂层(有效区域)的宽度方向更均匀地供给各气体和流体。并且，在本实施方式的燃料电池中，扩宽部的长度相对于通路长度处于特定的范围(I % 30% )。因此，不会产生过大的压力损失，能够减小扩宽部的容积。而且，氧化气体和燃料气体的各歧管的截面积的和相对于催化剂层的面积处于特定范围(1% 30%)。因此，不会产生过大的压力损失，能够减小歧管的容积。并且，氧化气体和燃料气体的各歧管采取特定的分割数(3 100的范围)。因此， 不会产生过大的压力损失，能够实现良好的配流性。而且，采用本实施方式的燃料电池，将扩宽部与膜电极接合体的通路方向平行地分割，并设为特定的分割数。由此，能够阻止相邻的歧管间的影响，能够实现各气体对于催化剂层和气体扩散层的良好的配流性。另外，将气体扩散层与膜电极接合体的通路方向平行地分割，并设为特定的分割数。由此，能够阻止相邻的歧管间的影响，能够实现各气体对于催化剂层的良好的配流性本实施方式的车辆如上所述具有在维持抗液泛性的同时被小型化了的燃料电池，因此是车载性、生产率预备成本优异的车辆。以下，利用实施例和比较例对本发明进行更详细的说明，但本发明比不限定于下述实施例。(实施例I)首先，将电气化学工业股份公司制乙炔黑五份(碳平均粒径约Mm)和大金工业制聚四氯乙烯(polyflon) D — IE —份混合,调制成墨衆(ink slurry)。接下来,在东丽(RORAY)股份公司制碳纸TGP — H — 060上涂布上述墨浆后以350°C烧结，制作了在表面具有碳颗粒层的⑶L。得到的⑶L的厚度为0. 2mm、⑶L的形状为宽595mmX长52mm的矩形。接下来,在电解质膜(Du Pont株式会社制高分子电解质膜Nafion211)的两面涂布包含碳载钼的催化剂层，制作CCM。CCM的形状为宽606mmX长88mm的矩形。催化剂层的形状为宽593mmX长50mm的矩形。S卩，长宽比R为0. 084。并且，准备具有多个通路的金属制的隔离物。隔离物的形状为宽606mmX长88mm的矩形。在隔离物上形成有1706条通路高度0. 1mm、肋宽0. 15mm、槽宽0. 20mm、肋间距0. 35mm的截面为矩形状的通路，上述的通路与通路方向、即隔离物的短边平行地成形。而且,该通路的等效直径 D 为 4X0. 10X0. 20/ (2X0. 10 + 2X0. 20) =0. 13 (mm)。另外，在上述隔离物的长边侧的外周部，每一边设有15个宽17mmX长7mm的歧管和两个宽7. 3mmX长7_的半歧管。半歧管配置在15个的歧管的外侧。能够利用上述公式(I)求得本实施例的水平方向等效直径D为0. 029mm 0. 29mm，上述等效直径在该范围内。
在端板上，在与集电板相接触的面的相反侧的面的长边侧外周部、即与隔离物的歧管列相同的线上设有两根管道状的外部歧管。外部歧管是具有向歧管列供给气体的功能的管道状构造物，设有内径25mm的孔。而且，两根外部歧管用于供气和排气。端板具有空气用(阴极)端板和氢用(阳极)端板这两种。通过将端板的歧管列每隔一个地关闭，能够交替地向隔离物的歧管供给氢和空气。在各歧管的周围和燃料电池的外周配置有有机硅橡胶制的密封材料。并且，集电体使用铜，其形状为宽598mmX长52mm的矩形。将以上的零件按照端板(阴极)一集电板一隔尚物⑶L — CCM —⑶L —隔尚物集电板一端板(阳极)的顺序借助合适的密封材料层叠，从而构成燃料电池单元电池。然后，在上述燃料电池单元电池的周围缠卷电热带并调节温度至80°C。并且，在一个端板处使压力200kPa_a、露点54°C的空气以流量10NL/min，在另一个端板处使压力200kPa_a、露点54°C的氢分别以流量4NL/min流动，以形成对流。而且，以电流密度I. 2A/cm2运转。结果,能够以阴极的压力损失23kPa、阳极的压力损失7kPa稳定地运转。
(实施例2、比较例I)本发明的燃料电池特征在于，膜电极接合体的形状的长宽比小于2。但是，若假想在维持优选的水平方向等效直径的状态下与通路方向平行地分割成多个缩尺(sub -scale)燃料电池，并供给与该催化剂层面积成正比的各种流体的话，则能够想到一个缩尺燃料电池与全尺寸(full - size)燃料电池每单位面积具有相同的发电特性。实际上，若使用这样的缩尺燃料电池，则能够用较小的实验设备容易地对全尺寸燃料电池的发电特性进行预测，因此优选。因此，为了使用缩尺燃料电池详细地调查实施例I的发电特性(和排水性)，制造了如下的实施例2和比较例I的燃料电池。(实施例2)首先，以宽50mm、长50mm切割实施例I的膜电极接合体。并且使用实施例I的隔离物，使燃料气体和氧化气体的流量也为实施例I的50 (mm)/593 (mm)倍。这样，制造了实施例2的缩尺燃料电池(长宽比R=IX(比较例I)首先，以宽50mm、长50mm切割实施例I的膜电极接合体。接下来，准备包括具有通路高度1mm、肋宽1mm、槽宽1mm、肋间距2mm、通路方向50mm、幅方向50mm的矩形截面通路的“弯曲通路”的隔离物。使用上述膜电极接合体和隔离物来制作比较例I的缩尺燃料电池。另外，上述弯曲通路以两条为一组，180度弯折次数为10次。因此，实质通路长度为通路方向50mmX 10次=500臟、实质通路宽度为肋间距2mmX2条=4臟，从而实质长宽比R相当于125。即，使用了该通路的缩尺燃料电池作为相当于自通路长度500_、通路宽度50mm的高长宽比燃料电池(长宽比R=IO)以宽度方向2mmX 2条=4mm切割的细长的缩尺燃料电池而进行了流量设定。(实施例2和比较例I的发电评价)图9中示出了使用上述实施例2和比较例I的燃料电池评价IV特性的结果。IV特性是电流一电压特性的简称，在相同的电流密度下电压越高IV特性越优异。如图9所示，尽管实施例2的燃料电池的通路高度被小型化成比较例I的1/10，但与比较例I的燃料电池相比，在lA/cm2以上的电流密度时却惊人地示出了优异的发电特性。并且，图10表示使用上述实施例2和比较例I的燃料电池评价SR特性的结果。SR特性是化学计量比一电压特性的简称，在相同化学计量比下电压越高、或者在低的化学计量比下越能够发电，则越优异。这里，化学计量比=1是指，为了产生某种电流密度而仅以所需的量供给氧化气体或燃料气体的流量的状态。尽管实施例2的燃料电池的通路被高小型化成比较例I的1/10，但惊人地示出了比比较例I的燃料电池优异的发电特性。另外，对于高长宽比燃料电池，在比较例I中假想与通路方向平行地分割成多个缩尺燃料电池，但是在与通路方向垂直 地分割成多个缩尺燃料电池的情况下，由于各个缩尺燃料电池因切割位置的不同而示出不同的发电特性，因此难以预测全尺寸燃料电池的发电特性。(实施例3)使用实施例2的燃料电池，使运转条件如下，进行了实施例3的发电评价。即，使化学计量比为1.6 (阳极)、1.5 (阴极)，使入口相对湿度为无加湿(阳极)、20% RH (阴极)，使运转压力为200kPa (绝对压力)。并且，使电解质膜和作为气体扩散层的碳纸的厚度分别为15 和80 Pm。除此之外以与实施例2相同的方法评价了发电特性。另外，若在比较例I的燃料电池中使用80 iim的碳纸，则由于槽宽度较宽(槽宽度1mm)，碳纸在肋边缘处破损而损伤电解质膜，产生短路。而实施例3的燃料电池未产生短路。推测这是因为由于槽宽度较窄(槽宽度0. 2mm)而肋边缘的影响被减轻。图11中示出了评价实施例3和比较例I的IV特性的结果。实施例3的燃料电池示出了在I. 486A/cm2时电压为0. 681V、在2. 383A/cm2时电压为0. 601V这样的优异的发电特性。另一方面，比较例I的燃料电池在I. 200A/cm2时电压为0. 598V，实施例3的燃料电池以相同电压能够获得I. 98倍的电流密度。另外，实施例3的2. 383A/cm2时的压力损失为阴极4. 2kPa、阳极12kPa。这样，虽然实施例2和实施例3相对于比较例I示出了优异发电特性的理由尚不明确，但推测为如下理由(1)单元电池阻抗为通常的一半左右，因此由于槽宽度的微细化，改善了有效区域的面积利用效率。(2)实施例的燃料电池的压力损失与现有技术的压力损失相同(因此流体供给装置的负载也相同)。但是，由于通路长度较短，因此压力损失“梯度”比现有技术的压力损失“梯度”大，结果，尽管通路高度被微细化和小型化，却能够可靠地排除生成水。如此，本发明的燃料电池的上述膜电极接合体和隔离物形呈大致矩形，上述膜电极接合体的通路长度与阴极侧或阳极侧的通路宽度的比(通路长度/通路宽度)、即长宽比R为0.01以上且小于2。而且，气体扩散层和隔离物的至少一者具有通路，上述通路的水平方向等效直径D (mm)满足公式(I)。通过有机地结合该两个特征，如上述实施例那样，能够防止燃料电池的性能下降，并且能够使通路高度比以往大幅降低。日本特愿2009 — 259611号(申请日2009年11月13日)的全部内容被引用至本说明书中。以上，参照实施方式和实施例对本发明的内容进行了说明，但本发明并不限定于上述的记载，对于本领域技术人员来说，能够进行各种变形和改进是显而易见的。工业实用件本发明的燃料电池的特征在于，膜电极接合体和隔离物为低长宽比结构，并且利用上述长宽比和催化剂层的面积导出的通路的水平方向等效直径为规定范围。由此，即使有效区域面积、压力损失、气体流量与以往的燃料电池相同，也能够以更小的通路高度、即单元电池间距对燃料气体、氧化气体、冷却介质、相伴发电而产生的水蒸气、生成水等进行输送。因此，采用本发明的燃料电池，能够维持抗液泛性能，达成燃料电池的小型化。并且，在本发明的燃料电池的第二实施方式中，除了低长宽比结构之外，在膜电极接合体的相对的两边的外周部或外部设置多个歧管。由此，气体、冷却水在低长宽比结构的宽度方向上被适当地分割，结果，能够将气体、冷却水容易且均匀地导入至膜电极接合体之上。附图标记说明I、燃料电池；2、隔离物；3、膜电极接合体；4、燃料电池单元电池；5、气体扩散层；6、催化剂层；7、电解质膜；8、扩宽部；9、燃料气体歧管；10、冷却水歧管；11、氧化气体歧管； 12、密封材料；13、通路；14、扩宽部分割部；15、气体扩散层分割部；18、车辆。
权利要求
1.一种燃料电池，该燃料电池包括层叠体，该层叠体由膜电极接合体和隔离物层叠而成，该膜电极接合体在电解质膜的两面具有阳极的电极层和阴极的电极层，该燃料电池的特征在于， 上述膜电极接合体和上述隔离物呈大致矩形， 该隔离物光滑或具有通路， 上述电极层包括气体扩散层和催化剂层， 上述膜电极接合体的阴极侧或阳极侧，通路长度与通路宽度的比(通路长度/通路宽度)、即长宽比R为0. Ol以上且小于2, 上述气体扩散层或通路的水平方向等效直径D (mm)满足公式(1)， D=BX (RXAcat) 1/3 公式(I) 在公式(I)中，Acat为上述膜电极接合体的催化剂面积(cm2)，B为0. 005 0. 2的常数。
2.根据权利要求I所述的燃料电池，其特征在于， 在上述膜电极接合体的相对的两边的外周部或该外周部的外部，配置有两组以上的氧化气体歧管或燃料气体歧管， 在上述氧化气体歧管与上述催化剂层之间或在燃料气体歧管与上述催化剂层之间，具有作为用于将氧化气体或燃料气体供给至上述催化剂层的通路的扩宽部。
3.根据权利要求I所述的燃料电池，其特征在于， 在上述膜电极接合体的相对的两边的外周部或该外周部外部，彼此交替地配置有两组以上的氧化气体歧管和燃料气体歧管， 在上述氧化气体歧管上述催化剂层之间及燃料气体歧管与上述催化剂层之间，具有作为用于将氧化气体或燃料气体供给至上述催化剂层的通路的扩宽部。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于， 上述扩宽部的长度L为上述膜电极接合体的通路长度的
5.根据权利要求2 4中任一项所述的燃料电池,其特征在于， 上述氧化气体歧管的截面积的和AOx为催化剂面积Acat的I % 30%，上述燃料气体歧管的截面积的和ARe为催化剂面积Acat的I % 30%。
6.根据权利要求2 5中任一项所述的燃料电池,其特征在于， 上述氧化气体歧管的分割数NOx为2 100，上述燃料气体歧管的分割数NRe为2 .100。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于， 与上述膜电极接合体的通路方向平行地分割上述扩宽部，扩宽部的分割数为NOx。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池，其特征在于， 与上述膜电极接合体的通路方向平行地分割上述气体扩散层，气体扩散层的分割数为NOx。
9.根据权利要求I 8中任一项所述的燃料电池，其特征在于， 该燃料电池为固体高分子型燃料电池。
10.一种车辆，其特征在于， 该车辆具有权利要求I 9中任一项所述的燃料电池。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池。该燃料电池(1)包括层叠体，该层叠体由膜电极接合体(3)和隔离物(2)层叠而成，该膜电极接合体(3)在电解质膜(7)的两面具有阳极的电极层和阴极的电极层。而且，上述膜电极接合体(3)和上述隔离物(2)呈大致矩形，该隔离物(2)光滑或具有通路，上述电极层包括气体扩散层和催化剂层。另外，上述膜电极接合体(3)的阴极侧或阳极侧，通路长度与通路宽度的比(通路长度/通路宽度)、即长宽比R为0.01以上且小于2。并且，上述气体扩散层或通路的水平方向等效直径D(mm)满足公式(1)，D=B×(R×Acat)1/3 公式(1)，在公式(1)中，Acat为上述膜电极接合体的催化剂面积(cm2)，B为0.005～0.2的常数。
文档编号H01M8/00GK102714321SQ201080051308
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月15日 优先权日2009年11月13日
发明者藤枝龙史, 长谷川卓也 申请人:日产自动车株式会社