燃料电池堆的制作方法

1.本发明涉及燃料电池堆。


背景技术：

2.通常，燃料电池具备利用分隔件夹持在电解质膜(电解质)的两侧分别设置有阳极电极以及阴极电极的电极结构体的发电单元。这种发电单元通过隔着分隔件以规定数量交替地层叠，而作为燃料电池堆来使用。
3.在该发电单元中，供给到阳极电极的燃料气体、例如主要含有氢的气体(以下，也称为含氢气体。)在电极催化剂上氢被离子化，并经由电解质向阴极电极侧移动。其间产生的电子被向外部电路导出，并作为直流的电能来利用。需要说明的是，由于向阴极电极供给氧化剂气体、例如主要含有氧的气体或者空气(以下，也称为含氧气体。)，因此在该阴极电极中，氢离子、电子以及氧发生反应而生成水。
4.然而，在燃料电池堆中，被指出如下不良状况：由于向外部的散热而在发电单元的一部分或者整体引起温度降低，产生结露而使生成水的排出性能降低，从而发电性能降低。尤其是，在冰点下环境启动燃料电池堆时，存在如下问题：在发电单元产生的生成水冻结，不能使发电单元有效地升温，而引起电压降低。
5.鉴于这样的问题，在专利文献1中，形成短路单元，该短路单元通过配设夹持电极结构体的第一金属分隔件以及第二金属分隔件，并且在这些金属分隔件间配设导电构件使两者短路而成，在该短路单元中，使含氢气体与含氧气体发生反应而发热，利用由该发热产生的热量加热发电单元而使发电单元升温，从而实现上述那样的问题的解决。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特许第4214045号公报


技术实现要素：

9.发明要解决的课题
10.然而，在专利文献1所述的发明中，短路单元由于需要与发电单元电气分离地配设，因此虽然能够配设于燃料电池堆的端部，但不能配设于存在多个的发电单元之间。因此，以往，能够有效地进行燃料电池堆的端部单元的升温，但不能将燃料电池堆的中央部、燃料电池堆整体均匀地升温来提高发电性能。
11.本发明的目的在于，提供能够以简单且经济的结构实现燃料堆中的任意部位的发电单元的升温的燃料电池堆。
12.用于解决课题的方案
13.本发明的实施方式涉及一种燃料电池堆，其特征在于，具备：至少一个第一燃料电池单元，其在第一电解质的两面具备第一阳极电极以及第一阴极电极，所述第一阳极电极以及所述第一阴极电极分别构成被分割槽分割的多个电极区域，由层叠结构构成多个单电
池，该层叠结构包括所述两面中的一面侧的一个电极区域、与所述一个电极区域对置的另一面侧的一个电极区域、以及所述第一电解质，在所述第一电解质内具备第一导通部，该第一导通部将一个所述单电池的所述一面侧的电极区域与和所述一个单电池相邻排列的单电池的另一面侧的电极区域电连接；至少一个第二燃料电池单元，其在第二电解质的两面具备第二阳极电极以及第二阴极电极，且具备第二导通部，该第二导通部贯通所述第二电解质而使所述第二阳极电极与所述第二阴极电极之间短路；以及非导电性的至少一个分隔件，其将所述至少一个第一燃料电池单元以及所述至少一个第二燃料电池单元分别分割开，且形成有燃料气体流路以及氧化剂气体流路中的至少一方。
14.第一燃料电池单元利用分割槽将配设于第一电解质的两面的第一阳极电极以及第一阴极电极分割为多个电极区域，由一面侧的一个电极区域、和包括该电极区域的单电池相邻排列的单电池的另一面侧的一个电极区域、以及第一电解质构成单电池，利用形成于第一电解质的第一导通部将这些单电池连接。因此，该单电池被串联连接，并沿构成第一燃料电池的第一阳极电极以及第一阴极电极的平面方向导出电力。
15.另一方面，对于第二燃料电池单元而言，当电流通过形成于第二电解质的第二导通部而在第二阳极电极以及第二阴极电极中流动时，该电流在包括上述第二阳极电极以及第二阴极电极的电极结构体中流动，在该部位产生焦耳热。因此，通过利用该焦耳热，能够将第二燃料电池单元作为升温单元来利用。
16.另外，第二燃料电池单元也具有电极结构体，也被供给燃料气体和氧化剂气体，并在电极催化剂层内通过电化学反应消耗燃料气体和氧化剂气体，从而进行发电。因此，通过基于该发电而产生的加热的效果，第二燃料电池单元被加热、升温。
17.换言之，第二燃料电池单元能够利用基于电阻加热而产生的焦耳热和基于化学反应的发电而产生的发热这两方的热量，将第一燃料电池单元加热、升温。
18.需要说明的是，在本实施方式的燃料电池堆中，从第一燃料电池单元导出电力，第二燃料电池单元被用于第一燃料电池单元的加热以及升温，因此也能够称为虚设的燃料电池单元。
19.另外，至少一个第一燃料电池单元与至少一个第二燃料电池单元隔着非导电性的分隔件而层叠，因此它们电分离。因此，第二燃料电池单元能够配设于燃料电池堆的任意部位、即多个第一燃料电池单元间的任意的位置，因此能够配设于燃料电池堆的中央部等，将燃料电池堆整体均匀地升温而提高发电性能。
20.需要说明的是，如上述那样，燃料电池堆中的电力通过第一燃料电池而沿第一阳极电极以及第一阴极电极的平面方向导出，因此即使如上述那样利用分隔件将各燃料电池电分离，作为燃料电池堆整体的发电能力以及发电功能也不会成为问题。
21.在本发明的一方案中，可以使第二燃料电池单元的电极结构体的电阻高于第一燃料电池单元的电极结构体的电阻。由此，能够增大在第二燃料电池单元产生的焦耳热，通过利用该焦耳热，能够更有效加热第一燃料电池单元而使第一燃料电池单元升温。
22.另外，在本发明的一方案中，可以是，电极结构体具有气体扩散层，第二燃料电池单元的电极结构体中的气体扩散层的电阻高于第一燃料电池单元的电极结构体中的气体扩散层的电阻。由此，能够容易地增大在第二燃料电池单元产生的焦耳热，通过利用该焦耳热，能够更有效地加热第一燃料电池单元而使第一燃料电池单元升温。
23.并且，在本发明的一方案中，可以是，第二燃料电池单元位于多个第一燃料电池单元之间。由此，如上所述，能够将燃料电池堆的中央部、燃料电池堆整体均匀地升温而提高发电性能。
24.发明效果
25.如以上所说明的那样，根据本发明，能够提供能够以简单且经济的结构实现燃料堆中的任意部位的燃料电池单元的升温的燃料电池堆。
附图说明
26.图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆的概要剖视图。
27.图2是本发明的第二实施方式的燃料电池堆的概要剖视图。
28.图3是说明本发明的实施方式的燃料电池堆的发电时的控制方法的概要图。
29.图4是说明本发明的实施方式的燃料电池堆的发热时的控制方法的概要图。
具体实施方式
30.以下，对本发明的实施方式的燃料电池堆进行说明。
31.(第一实施方式)
32.图1是本发明的实施方式的燃料电池堆的概要剖视图。如图1所示，本实施方式的燃料电池堆10具有合计三个第一燃料电池单元12以及一个第二燃料电池单元22。需要说明的是，第二燃料电池单元22配设于三个第一燃料电池单元12的中央部。
33.第一燃料电池单元12在第一电解质12a的两面分别配设有第一阳极电极12b以及第一阴极电极12c。另外，在第一阳极12b以及第一阴极12c的外侧以与各自的电极面接触的方式配设有由碳纸等构成的气体扩散层12e、12e。需要说明的是，气体扩散层12e、12e具有通过均匀地涂敷在表面支承有铂合金的多孔质碳粒子而成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层与第一电解质12a的两面接合。
34.第一电解质12a的上表面侧的第一阳极电极12b以及气体扩散层12e(以及未图示的电极催化剂层)、和第一电解质12a的下表面侧的第一阴极电极12c以及气体扩散层12e(以及未图示的电极催化剂层)被多个分割槽12f分割，并形成多个区域(以下，称为“电极区域”。)。这些电极区域呈以分割槽12f的延伸方向为长边且以两个分割槽间为短边的矩形形状。另外，第一电解质12a的上表面侧的电极区域配置为与下表面侧的电极区域对置。
35.由层叠结构构成单电池(发电单元)a，该层叠结构包括第一电解质12a的上表面侧的一个电极区域、与该电极区域的一部分对置的下表面侧的电极区域以及位于这些电极区域间的第一电解质12a。
36.第一电解质12a为由质子传导性树脂构成的电解质膜，在其内部具有将一个单电池a的上表面侧的电极区域与和一个单电池相邻的单电池的下表面侧的电极区域电连接的第一导通部12d。通过第一导通部12d，相邻的单电池a彼此被串联电连接。第一导通部12d通过沿着分割槽12f的延伸方向对电解质膜局部地施加热量使质子传导性树脂碳化而形成。这样的第一燃料电池单元12例如能够基于国际公开第2018/124039号所记载的方法而制造。
37.在以上的结构中，通过向阳极侧供给燃料气体，并向阴极侧供给氧化剂气体，而在
各单电池a中发电，且各单电池串联连接，因此各单电池a的电压之和成为第一燃料电池10的电压，并沿第一阳极电极12b以及第一阴极电极12c的平面方向导出电力。
38.需要说明的是，在本实施方式中，如以下说明的那样，燃料气体等通过具有梳齿型的截面且形成有气体流路的非导电性的分隔件而供给，因此在其端部配设有密封件14。
39.另一方面，第二燃料电池单元22具有作为由质子传导性树脂构成的电解质膜的第二电解质22a、以及配设于第二电解质22a的两侧的第二阳极电极22b及第二阴极电极22c。第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c不存在第一燃料电池单元12那样的分割槽12f，而在第二电解质22a的大致整面的范围内配设。
40.在第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c的外侧配设有由碳纸等构成的气体扩散层22e，在气体扩散层22e的表面形成有通过在表面均匀地涂敷在表面支承有铂合金的多孔质碳粒子而成的电极催化剂层。电极催化剂层与第二电解质22a的两面接合。在第二电解质22a中形成有第二导通部22d，从而使第二阳极电极22b与第二阴极电极22c之间电短路。
41.第二导通部22d与第一导通部12d同样地通过沿着分割槽12f的延伸方向对电解质膜局部地施加热量使质子传导性树脂碳化而形成。需要说明的是，第二导通部22d并不限于该形状，能够与想要加热的部位相应地变更其形状。
42.需要说明的是，第一导通部12d、第二导通部22d并不限于上述的将质子传导性树脂碳化而形成的制造方法，例如也可以通过如下方法来形成：对第二电解质22a使用针状的刀具而机械地形成贯通孔、或者照射激光而局部地蒸发从而形成贯通孔，之后，用金、银、铜、铝等导电性构件埋设该贯通孔。
43.对于第二燃料电池单元22而言，当电流通过形成于第二电解质22a的第二导通部22d而在第二阳极电极22b和第二阴极电极22c中流动时，该电流在包括第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c的电极结构体中流动，在该部位产生焦耳热。因此，通过利用该焦耳热，能够将第二燃料电池单元22作为升温单元来利用。
44.另外，第二燃料电池22单元也具有电极结构体，被供给燃料气体和氧化剂气体，并在电极催化剂层内通过电化学反应消耗燃料气体和氧化剂气体，从而进行发电。因此，通过基于该发电而产生的加热的效果，第二燃料电池单元22被加热、升温。
45.换言之，第二燃料电池22单元能够利用基于电阻加热而产生的焦耳热和基于化学反应的发电而产生的发热这两方的热量，将第一燃料电池单元12加热、升温。另外，第二燃料电池单元22不存在分离槽，因此发出的电力无需外部配线，而在第二燃料电池内部变换为焦耳热。此时的发热量能够事先设计。
46.需要说明的是，第一燃料电池单元12以及第二燃料电池单元22分别被非导电性的分隔件15分割开，该分隔件15的截面呈梳齿型，且在一侧形成有燃料气体流路并在另一侧形成有氧化剂气体流路。
47.另外，通过配设上述那样的结构的非导电性的分隔件，从而在本实施方式中，三个第一燃料电池单元12构成为以使阳极与阴极对置的方式交替地层叠。
48.需要说明的是，第一燃料电池单元12的数量并不限定于三个，能够根据需要而设定为任意的数量。同样地，第二燃料电池单元22的数量并不限定于一个，能够根据需要而设定为任意的数量。
49.另外，从电解质为固体且能够容易地形成第一导通部以及第二导通部这样的观点
出发，第一燃料电池单元12以及第二燃料电池单元22的形式优选为固体高分子型单元、固体氧化物型单元。
50.根据本实施方式，三个第一燃料电池单元12以及一个第二燃料电池单元22隔着非导电性的分隔件15而层叠，因此它们电分离。因此，第二燃料电池单元22能够配设于三个燃料电池堆10的任意部位、即三个第一燃料电池单元12间的任意的位置，具体而言能够如本实施方式那样配设于燃料电池堆的中央部等，使燃料电池堆整体均匀地升温而提高发电性能。
51.另外，根据本实施方式，第二燃料电池单元22的第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c不存在第一燃料电池单元12那样的分割槽12f，而在电解质22a的整面的范围内配设，因此第二燃料电池单元22的整面升温，而能够使第一燃料电池单元12的整面升温。因此，在第一燃料电池单元12的多个单电池a之间不产生温度差，因此能够提高发电性能。
52.需要说明的是，如上述那样，燃料电池堆10中的电力通过三个第一燃料电池单元12而沿第一阳极电极12b以及第一阴极电极12c的平面方向导出，因此作为燃料电池堆10整体的发电能力以及发电功能不会成为问题。
53.在本实施方式中，优选的是，使第二燃料电池单元22的包括第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c的电极结构体的电阻高于第一燃料电池单元12的电极结构体的电阻。具体而言，使第二燃料电池单元22的电极结构体中的气体扩散层22e的电阻高于第一燃料电池单元12的电极结构体中的气体扩散层12e的电阻。由此，能够容易地增大在第二燃料电池单元22产生的焦耳热，通过利用该焦耳热，能够更有效地加热第一燃料电池单元12而使第一燃料电池单元12升温。
54.在该情况下，优选的是，第二燃料电池单元22的气体扩散层22e由树脂含有率较高的碳纸等或者制造得比通常薄的碳纸等构成，第一燃料电池单元12的气体扩散层12e由树脂含有率较低的碳纸等构成。由此，能够与第一燃料电池单元12的电极结构体的电阻相比而容易地增大第二燃料电池单元22的电极结构体的电阻。
55.需要说明的是，第二燃料电池单元22的电极结构体的电阻也能够通过对第二阳极电极22a以及第二阴极电极22b涂敷高电阻体、例如树脂、陶瓷而发生变化。
56.(第二实施方式)
57.图2是本发明的实施方式的燃料电池堆的概要剖视图。
58.需要说明的是，在本实施方式中，将分隔件35的截面设为波型，并使燃料气体或者氧化剂气体中的任一方在相邻的空间流动。因此，在本实施方式中，与第一实施方式所示的情况不同，构成为以使阳极与阳极、或者阴极与阴极对置的方式交替地层叠。
59.例如，在本实施方式中，配设有副第一燃料电池单元32，该副第一燃料电池单元32以与第一实施方式的第一燃料电池单元12的第一阳极12b对置的方式配设有第一阳极12b，且以与第一燃料电池单元12的第一阴极12c对置的方式配设有第一阴极12c。即，在本实施方式中，燃料电池堆30由两个第一燃料电池单元12、三个副第一燃料电池单元32以及一个第二燃料电池单元22构成。
60.需要说明的是，第二燃料电池单元22配设于第一燃料电池单元12以及副第一燃料电池单元32间，且配设于燃料电池堆30的中央部。第二燃料电池单元22与第一实施方式同样地，第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c不存在第一燃料电池单元12那样的分割槽
12f，而在电解质22a的整面的范围内配设。
61.在本实施方式中，两个第一燃料电池单元12、三个副第一燃料电池单元32以及一个第二燃料电池单元22也隔着非导电性的分隔件35而层叠，因此它们也电分离。因此，第二燃料电池单元22能够配设于燃料电池堆10的任意部位、即两个第一燃料电池单元12以及三个副第一燃料电池单元32间的任意的位置，具体而言能够如本实施方式那样配设于燃料电池堆30的中央部等，将燃料电池堆30整体均匀地升温而提高发电性能。
62.另外，根据本实施方式，与第一实施方式同样地，第二燃料电池单元22的第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c不存在第一燃料电池单元12那样的分割槽12f，而在电解质22a的整面的范围内配设，因此第二燃料电池单元22的整面升温，而能够使第一燃料电池单元12的整面升温。因此，在第一燃料电池单元12的多个单电池a之间不产生温度差，因此能够提高发电性能。
63.需要说明的是，如上述那样，燃料电池堆30中的电力通过两个第一燃料电池单元12以及三个副第一燃料电池单元32而沿第一阳极电极12b以及第一阴极电极12c的平面方向导出，因此作为燃料电池堆30整体的发电能力以及发电功能不会成为问题。
64.另外，第二燃料电池22单元能够利用基于电阻加热而产生的焦耳热和基于化学反应的发电而产生的发热这两方的热量，将第一燃料电池单元12以及副第一燃料电池单元32加热、升温。
65.需要说明的是，关于其他特征，与第一实施方式相同，因此省略说明。
66.(第三实施方式)
67.图3是说明本实施方式的燃料电池堆10的发电时的控制方法的概要图，图4是说明本实施方式的燃料电池堆10的发热时的控制方法的概要图。
68.如图3所示，在燃料电池堆10的发电时，从燃料箱41向多个第一燃料电池单元12供给含氢气体等燃料气体、空气等作为含氧气体的氧化剂气体、以及纯水、乙二醇、油等冷却介质。其结果是，在电极结构体中，向第一阳极电极12b供给的燃料气体和向第一阴极电极12c供给的氧化剂气体在电极催化剂层内通过电化学反应而被消耗，从而进行发电。
69.另一方面，如图4所示，在燃料电池堆10的发热时，从燃料箱41向第二燃料电池单元22供给含氢气体等燃料气体、空气等作为含氧气体的氧化剂气体、以及纯水、乙二醇、油等冷却介质。其结果是，在电极结构体中，向第二阳极电极22b供给的燃料气体和向第二阴极电极22c供给的氧化剂气体在电极催化剂层内通过电化学反应而被消耗，从而进行发电。因此，在第二燃料电池单元22中，也能够利用基于发电而产生的发热，将燃料电池堆10加热、升温。
70.另一方面，第二燃料电池单元22具有包括高电阻的气体扩散层的电极结构体，并且第二阳极电极22b与第二阴极电极22c之间由于第二导通部22d而短路。因此，当电流通过第二燃料电池单元22的第二导通部22d而在第二阳极电极22b以及第二阴极电极22c中流动时，该电流在电极结构体中流动，在该部位产生焦耳热。并且，有助于燃料电池堆10的加热、升温。
71.换言之，在第二燃料电池单元22中，能够利用其作为燃料电池的由化学反应引起的发热和由基于电阻的焦耳热引起的发热这两方，将燃料电池堆10加热、升温。
72.以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出
的，并不意在限定发明的范围。这些新实施方式能够以其他各种各样的方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含于发明的范围、主旨，并且包含于技术方案所记载的发明及其均等的范围。
73.附图标记说明
74.10、30 燃料电池堆
75.12 第一燃料电池单元
76.12a 第一电解质
77.12b 第一阳极电极
78.12c 第二阴极电极
79.12d 第一导通部
80.12e 第一气体扩散层
81.12f 分割槽
82.14 密封件
83.15、35 分隔件
84.22 第二燃料电池单元
85.22a 第二电解质
86.22b 第二阳极电极
87.22c 第二阴极电极
88.22d 第二导通部
89.22e 第二气体扩散层
90.32 副第一燃料电池单元
91.41 燃料箱。