燃料電池用單元電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于固體高分子型的燃料電池(PEFC)等的燃料電池用單元電池。
【背景技術】
[0002]作為以往的燃料電池用單元電池，存在以燃料電池和燃料電池所使用的電極構造體的名稱被記載在專利文獻I中的燃料電池用單元電池。專利文獻I所記載的燃料電池使用由較大粒徑的導電性粒子構成的粗區(qū)域和由比較大粒徑小的粒徑的導電性粒子構成的密區(qū)域來形成MPL。該MPL的上表面與氣體擴散層接觸，下表面與催化劑層接觸。
[0003]而且，上述燃料電池在密區(qū)域使用具有由開爾文式?jīng)Q定的空孔內(nèi)的飽和水蒸氣壓力比開放空間的飽和水蒸氣壓力高那樣的粒子徑的粒子。由此，燃料電池使粗區(qū)域的飽和水蒸氣壓力比密區(qū)域的飽和水蒸氣壓力低，從而在密區(qū)域抑制在催化劑層產(chǎn)生的水蒸氣的凝縮。
[0004]專利文獻1:日本國特開2009-245871號公報
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]發(fā)明要解決的問題
[0006]然而，在上述那樣的以往燃料電池中，因為由開爾文式?jīng)Q定的密區(qū)域的空孔率是納米級別(nano-order)，當液態(tài)水在粗區(qū)域凝縮時，存在氣體擴散性將大幅下降、由此發(fā)電性能也下降這樣的問題，所以將解決這樣的問題作為課題。
[0007]本發(fā)明著眼于上述以往的課題而做成，其目的在于提供一種能夠實現(xiàn)伴隨著發(fā)電而產(chǎn)生的液態(tài)水的排出功能的提高和發(fā)電性能的提高這兩者的兼顧的燃料電池用單元電池。
[0008]用于解決問題的方案
[0009]本發(fā)明的燃料電池用單元電池是如下構造:其具有:膜電極接合體，該膜電極接合體具有利用一對電極層夾持電解質膜的構造;一對分隔件，該一對分隔件與膜電極接合體之間形成有氣體流路。該燃料電池用單元電池具有以下結構:膜電極接合體的電極層具有由多孔質體形成的電解質膜側的第I氣體擴散層和由排列有多個空孔的金屬多孔體形成的第2氣體擴散層，并且第I氣體擴散層的局部貫穿第2氣體擴散層的空孔而形成凸部，利用上述結構解決以往的課題。
[0010]發(fā)明的效果
[0011]在本發(fā)明的燃料電池用單元電池中，電極層的表面形成為由第I氣體擴散層的凸部和第2氣體擴散層構成的細微凹凸形狀，利用該細微凹凸形狀能夠使電極層的表面性狀(親.疏水性)比僅具有第I氣體擴散層時的表面性狀強，從而使伴隨著發(fā)電而產(chǎn)生的液態(tài)水容易排出，與此同時提高電極層的氣體擴散性(氧輸送性)而實現(xiàn)發(fā)電性能的提高。即、能夠實現(xiàn)液態(tài)水的排出功能的提高和發(fā)電功能的提高這兩者的兼顧。
[0012]另外，燃料電池用單元電池即使不對由金屬多孔體形成的第2氣體擴散層實施疏水處理，也能夠獲得電極層表面的疏水性，所以能夠容易地確保第2氣體擴散層的導電性，由此也能夠對發(fā)電功能的提尚有幫助。
【附圖說明】
[0013]圖1是用于說明使用了本發(fā)明的燃料電池用單元電池的燃料電池的立體圖(A)和分解狀態(tài)的立體圖(B)。
[0014]圖2是圖1所示的燃料電池用單元電池的剖視圖(A)和俯視圖(B)。
[0015]圖3是用于說明燃料電池用單元電池的第I實施方式的帶有放大圖的俯視圖(A)、第2氣體擴散層的剖視圖(B)以及單元電池的主要部件的剖視圖(C)。
[0016]圖4是用于說明燃料電池用單元電池的第2實施方式的主要部件的剖視圖(A)和主要部件的放大剖視圖(B)。
[0017]圖5是用于說明燃料電池用單元電池的第3和第4實施方式的主要部件的剖視圖(A)和主要部件的放大剖視圖(B)。
[0018]圖6是用于說明燃料電池用單元電池的第5實施方式的主要部件的剖視圖(A)和主要部件的放大剖視圖(B)。
【具體實施方式】
[0019](第丨實施方式)
[0020]圖1所示燃料電池FC具有層疊多個矩形板狀的燃料電池用單元電池(以下稱為“單元電池”。)C而成的層疊體S。該燃料電池FC在層疊體S的層疊方向的一端部(圖1B中的右側端部)隔著集電板54A和間隔件55設置有端板56A，同時，在另一端部隔著集電板54B設置有端板56B。另外，在燃料電池FC中，針對層疊體S，在成為單元電池C的長邊側的兩個面(圖1B中的上下面)設置有連結板57A、57B，同時，在成為短邊側的兩個面設置有加強板58A、58B。
[0021]而且，燃料電池FC利用螺栓B將各連結板57A、57B及加強板58A、58B連結于兩個端板56A、56B。由此，燃料電池FC成為圖1的(A)所示的外殼一體型構造，沿著層疊體S的層疊方向對層疊體S進行限制、加壓以將規(guī)定的接觸面壓力施加到各個單元電池C上，從而良好地維持氣封性、導電性等。
[0022]如圖2所示，構成上述燃料電池FC的單元電池C具有:膜電極接合體M，該膜電極接合體M具有利用一對電極層2、3夾持電解質膜I的構造;一對分隔件4、4，在該一對分隔件與膜電極接合體M之間形成有氣體流路G、G。另外，圖2的(A)是基于圖2的(B)中的A-A線的剖視圖。
[0023]膜電極接合體M是所謂的MEA(Membrane Electrode Assembly)，是利用陽極側和陰極側的電極層2、3夾持由固體高分子構成的電解質膜I而成的，在圖示例子中，在外周部一體地具有樹脂制的框架5。對于電極層2、3，在后面詳細描述。
[0024]各分隔件4、4例如是不銹鋼制，通過沖壓加工形成為具有規(guī)定的凹凸的表背翻轉形狀，在各分隔件與膜電極接合體M之間分別形成有陽極側的氣體流路G及陰極側的氣體流路G ο
[0025]膜電極接合體M的框架5及各分隔件4沿著兩側的短邊形成有分別用于供反應用氣體及冷卻液流通的歧管孔Hl?H3，H4?H6。反應用氣體是陽極氣體(含氫氣體)和陰極氣體(空氣)，冷卻液例如是水。
[0026]在圖2的(B)的左側所示的一方的短邊側，各歧管孔Hl?H3從上側起為陽極氣體供給用(Hl)、冷卻液供給用(H2)以及陰極氣體排出用(H3)，在層疊方向相互連通而形成各自的流路。另外，在圖2的(B)的右側所示的另一方的短邊側，各歧管孔H4?H6從上側起為陰極氣體供給用(H4)、冷卻液排出用(H5)以及陽極氣體排出用(H6)，在層疊方向相互連通而形成各自的流路。這些歧管孔Hl?H6能夠針對上述結構改變流體的種類、供給和排出的位置關系等。
[0027]另外，在分隔件4和框架5的緣部彼此之間以及歧管孔Hl?H6的周圍設置有在圖2的(A)中示出局部的氣封6。在將多個單元電池C層疊起來的狀態(tài)下，在單元電池C彼此、即鄰接的分隔件4彼此之間也設置有氣封6。上述氣封6在各層間將陰極氣體、陽極氣體以及冷卻液各自的流通區(qū)域氣密地分離，并且在歧管孔Hl?H6的周緣部的適當位置設有開口，以使規(guī)定的流體流過該層間。
[0028]在構成上述燃料電池FC的單元電池C中，如圖3所示，膜電極接合體M的各電極層2、3從電解質膜I側依次具有:催化劑層2A、3A;由多孔質體形成的第I氣體擴散層2B、3B;由金屬多孔體形成的第2氣體擴散層2C、3C。
[0029]第I氣體擴散層2B、3B例如由碳材料形成，至少表面具有疏水性。具體而言，該第I氣體擴散層2B、3B是利用粘合劑使纖維的無規(guī)則的層疊體牢固并實施了 PTFE等疏水處理而成的構件、是利用PTFE等粘合劑燒結炭黑等凝集體而成的構件。
[0030]第2氣體擴散層2C、3C是與形成第I氣體擴散層的多孔質體不同的金屬多孔體且具有導電性。該第2氣體擴散層2C、3C能夠使用鐵、不銹鋼、鋁及鋁合金、鉻及鉻合金、鎳及鎳合金以及鎂及鎂合金中的任何一種以上的金屬。
[0031]另外，作為具體的形態(tài)，第2氣體擴散層2C、3C為金屬絲網(wǎng)、沖孔金屬板、蝕刻金屬板以及膨脹金屬板等，在該實施方式中，是如圖3所示的金屬絲網(wǎng)。該第2氣體擴散層2C、3C在為金屬絲網(wǎng)的情況下，其網(wǎng)眼的部分為空孔K，在第2氣體擴散層2C、3C為沖孔金屬板、蝕刻金屬板以及膨脹金屬板等的情況下，孔、開口的部分為空孔K。需要說明的是，在以下的說明中，有時將第2氣體擴散層2C、3C的線狀部分稱為固相部，將作為空孔K的網(wǎng)眼部分稱為氣相部。
[0032]而且，在單元電池C中，電極層2、3使第I氣體擴散層2B、3B的局部貫穿第2氣體擴散層2C、3C的空孔K而形成凸部T。由此，電極層2、3的表面成為由第I氣體擴散層2B、3B的凸部T和第2氣體擴散層2C、3C的固相部構成的細微凹凸形狀。
[0033]具有上述結構的單元電池C通過分別向陽極側和陰極側的電極層2、3供給氣體，從而利用電化學反應來產(chǎn)生電能。此時，由于單元電池C的電極層2、3的表面是細微凹凸形狀，所以利用該細微凹凸形狀能夠使該電極層2、3的表面性狀(親.疏水性)比僅為第I氣體擴散層2B、3B時的表面性狀強，而且，因為第I氣體擴散層2B、3B在表面具有疏水性，所以能夠使電極層2、3的表面的疏水性進一步提高。由此，單元電池C使得伴隨發(fā)電而產(chǎn)生的液態(tài)水容易排出，與此同時能夠提高電極層2、3的氣體擴散性(氧輸送性)，從而實現(xiàn)發(fā)電性能的提尚O即、能夠實現(xiàn)液態(tài)水的排出功能的提尚和發(fā)電功能的提尚這兩者的兼顧。
[0034]在這里，在單元電池C中，形成第2氣體擴散層2C、3C的金屬多孔體與第I氣體擴散層2B、3B相比表現(xiàn)出親水性。于是，將液態(tài)水的排出作為目的，也考慮對比第I氣體擴散層2B、3B靠外側的第2氣體擴散層2C、3C實施疏水處理，但是，如果使第2氣體擴散層2C、3C疏水化，則第2氣體擴散層與分隔件的接觸阻力有可能增大，從而導致發(fā)電性能降低。
[0035]與此相對，在該實施方式的單元電池C中，即使不對第2氣體擴散層2C、3C實施疏水處理，電極層2、3的表面利用細微凹凸形狀而具有較強的表面性狀，同時由于第I氣體擴散層2B、3B而具有較高的疏水性，從而也能夠容易地確保第2氣體擴散層2C、3C的導電性。由此，在單元電池C中，也不會使第2氣體擴散層2C、3C和分隔件4之間的接觸阻力增大，能夠對發(fā)電功能的提尚有幫助。
[0036]另外，在上述單元電池C中，因為第I氣體擴散層2B、3B在表面具有疏水性，所以能夠進一步提高液態(tài)水的排水效果。而且，作為具體例子，測量了第I氣體擴散層2B、3B和第2氣體擴散層2C、3C的表面的水接觸角和具有細微凹凸形狀的電極層2、3的表面的水接觸角。其結果，第I氣體擴散層2B、3B的表面的水接觸角為144.1度，第2氣體擴散層2C、3C的表面的水接觸角為83.1度。
[0037]而且，上述實施方式的電極層2、3的表面的接觸角為160度(計算值)。即、利用電極層2、3的細微凹凸形狀，使水在凸部T上團成水滴，水不與第2氣體擴散層2C、3C的固相部接觸，從而確認了能夠獲得較高的疏水性。
[0038](第2實施方式)
[0039]圖4是用于說明本發(fā)明的第2實施方式的圖。另外，在以下的實施方式中，與第I實施方式相同的結構部位標注相同的附圖標記而省略詳細說明。
[0040]圖示的