專利名稱：聚合物電解質(zhì)燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于便攜式電源、電動(dòng)車輛、家庭熱電聯(lián)合系統(tǒng)等的聚合物電解質(zhì)燃料電池。
背景技術(shù)：
在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，含氫的燃料氣體與空氣之類的含氧的氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能。圖11是顯示傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)燃料電池基本結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
單元電池(unit cell)101是傳統(tǒng)聚合物電解質(zhì)燃料電池300中的基本結(jié)構(gòu)，主要包括可選擇性地轉(zhuǎn)移陽(yáng)離子(氫離子)的聚合物電解質(zhì)膜111、以及置于聚合物電解質(zhì)膜111兩側(cè)的一對(duì)電極(陽(yáng)極和陰極)112、113。陽(yáng)極112和陰極113由催化劑層和氣體擴(kuò)散層組成，所述催化劑層包括攜帶電極催化劑(例如鉑)的碳粉和氫離子傳導(dǎo)性聚合物電解質(zhì)的混合物，所述氣體擴(kuò)散層包括例如防水處理的復(fù)寫紙，氣體擴(kuò)散層在催化劑層的外側(cè)形成，同時(shí)具有透氣性和電導(dǎo)性。
然后在陽(yáng)極112和陰極113的外周放置如墊圈之類的氣體密封件114，將聚合物電解質(zhì)膜111夾在中間，以避免燃料氣體和氧化劑氣體的泄漏，以及燃料氣體與氧化劑氣體混合在一起。密封件114與陽(yáng)極112、陰極113和聚合物電解質(zhì)膜111結(jié)合在一起形成膜電極組件(以后稱為MEA)。在MEA外，放置具有電導(dǎo)性的陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117以機(jī)械地固定MEA，并以串聯(lián)的方式與鄰近的MEA相互電連接。
在與MEA接觸的陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117的部分，形成氣流通道118、120以便分別向陽(yáng)極112和陰極113供給反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化劑氣體)，并去除產(chǎn)生的氣體和過(guò)量的氣體。盡管氣流通道118、120可單獨(dú)由陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117提供，但一般是在陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117的表面形成凹槽作為氣流通道，如圖12中所示。
這些MEA、陽(yáng)極側(cè)隔板116、和陰極側(cè)隔板117形成了單元電池101。盡管單元電池101在某些情況下單獨(dú)使用，但為了獲得足夠的電池輸出，MEA可交替地與陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117堆疊在一起，中間插入冷卻部件(未顯示)以形成層積體(即，10-200個(gè)單元電池101堆疊在一起)。通常層積體被端板夾在中間，集電器板和絕緣板插入中間，用緊固螺栓和其兩側(cè)的螺母固定在一起，因此制成了聚合物電解質(zhì)燃料電池300。
在這個(gè)傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)燃料電池300中，陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117是由碳平板形成的，在接觸陽(yáng)極112和陰極113的側(cè)面，分別形成供給燃料氣體或氧化劑氣體的氣流通道118、120，而在另一側(cè)，形成冷卻水循環(huán)的冷卻水流通道119、121。通常來(lái)說(shuō)，位于陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117中央部位、形成氣流通道的主界面，與位于與包夾聚合物電解質(zhì)膜111的墊圈一側(cè)接觸的圍繞部分的外周邊緣部形成相同的平面，而沒(méi)有任何高程變化。
這里，在如上所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池300中，MEA被陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117夾在中間，在聚合物電解質(zhì)膜111，陽(yáng)極112和陰極113這三者之間保持適當(dāng)?shù)膲毫?。這是因?yàn)椋枰獙㈥?yáng)極112的氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板116接觸，并將陰極113的氣體擴(kuò)散層與陰極側(cè)隔板117接觸。
也期望通過(guò)陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117來(lái)壓縮包夾聚合物電解質(zhì)膜111外周邊緣部的一對(duì)墊圈114，以密封MEA的外周邊緣部。此時(shí)，壓縮程度{即，由于壓縮減少的墊圈厚度(在壓縮前墊圈的厚度與壓縮后墊圈的厚度之間的差值)}限定了陽(yáng)極112的氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板116之間的接觸力，以及陰極113的氣體擴(kuò)散層與陰極側(cè)隔板117之間的接觸力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題但在陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117中，當(dāng)接觸陽(yáng)極112或陰極113的部分(主界面)和接觸墊圈114的部分(外周邊緣部)在同一個(gè)平面上時(shí)，象上面那樣，在此情況下由于制造公差，主界面會(huì)比外周邊緣部薄，就不能保證在氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板116或陰極側(cè)隔板117之間充分的接觸，因此增加了它們之間的電阻。當(dāng)氣體擴(kuò)散層由復(fù)寫紙之類的柔軟材料制成時(shí)，這種情況經(jīng)常發(fā)生。因此，為了抑制這種電阻增加，必須通過(guò)進(jìn)一步增加墊圈114的壓縮程度而使主界面與氣體擴(kuò)散層之間的接觸力更強(qiáng)。
另一方面，在陽(yáng)極側(cè)隔板116或陰極側(cè)隔板117的主界面平均厚度極大地厚于外周邊緣部的平均厚度的情況下，當(dāng)墊圈114被壓縮獲得合適的密封性時(shí)，陽(yáng)極側(cè)隔板116或陰極側(cè)隔板117的主界面極大地壓縮了氣體擴(kuò)散層。在這樣的情況下，氣體擴(kuò)散能力被干擾，產(chǎn)生了一些問(wèn)題單元電池101的壓力損失增加，以及氣體擴(kuò)散層彎曲變形而損害MEA。而且，因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層進(jìn)入在主界面上形成的氣流通道118、120，并堵塞氣流通道，氣流通道118、120壓力損失的增加提高了反應(yīng)氣體在氣流通道118、120中不均勻分布的可能性。
而且，因?yàn)镸EA、陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117被夾緊，陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117的外周邊緣部受夾緊力的作用而彎曲，因此與MEA接觸。如上面一樣，在陽(yáng)極側(cè)隔板116和陰極側(cè)隔板117為平面的情況下，這種彎曲將對(duì)氣體擴(kuò)散層的外周邊緣部施加局部負(fù)載，引起如下問(wèn)題，氣體擴(kuò)散層會(huì)在聚合物電解質(zhì)膜111上產(chǎn)生損害，在聚合物電解質(zhì)膜111上產(chǎn)生針孔。
本發(fā)明是考慮到前述的各種問(wèn)題而產(chǎn)生的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種聚合物電解質(zhì)燃料電池，其中通過(guò)充分地壓縮墊圈能夠顯示密封效果而不發(fā)生氣體泄漏，陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板之間、以及陰極的氣體擴(kuò)散層與陰極側(cè)隔板之間的電阻(接觸電阻)的增加能夠得到抑制，并且能夠避免由于氣體擴(kuò)散層堵塞氣流通道而引起的壓力損失增加和對(duì)聚合物電解質(zhì)膜的損害。進(jìn)一步地，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種隔板，其可以很容易和可靠地實(shí)現(xiàn)上述的聚合物電解質(zhì)燃料電池。
解決問(wèn)題的手段為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種聚合物電解質(zhì)燃料電池，包括具有氫離子傳導(dǎo)性聚合物電解質(zhì)膜、以及將所述的聚合物電解質(zhì)膜夾在中間的陽(yáng)極和陰極的膜電極組件；和置于其兩側(cè)用于支撐膜電極組件的陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板，各個(gè)陽(yáng)極和陰極都具有氣體擴(kuò)散層和與聚合物電解質(zhì)膜接觸的催化劑層；其中所述的陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板中的至少一個(gè)包括與氣體擴(kuò)散層接觸的主界面和圍繞主界面的外周邊緣部，且其基本上為平面結(jié)構(gòu)；主界面具有朝氣體擴(kuò)散層一側(cè)突起的凸?fàn)?，并具有為所述的?yáng)極或所述的陰極提供反應(yīng)氣體的氣流通道；并且主界面部分的平均厚度較外周邊緣部部分的平均厚度厚，而主界面部分的最厚部分的厚度與外周邊緣部部分的平均厚度之間的差值Δt為5-30μm。
在此，本發(fā)明中的隔板“主界面”是指與陽(yáng)極或陰極接觸的隔板的部分。更具體地，隔板“主界面”是指在隔板中央的部分，當(dāng)膜電極組件沿法線的方向投影時(shí)(以相同的放大倍率)，其包括至少對(duì)應(yīng)于與顯示陽(yáng)極或陰極的圖形(投影的結(jié)果是顯示“陽(yáng)極側(cè)或陰極側(cè)開(kāi)口”的圖形)的尺寸和形狀相同的區(qū)域的部分。因此，上面的“主界面”具有與上述區(qū)域相同的面積，或其面積大于上述區(qū)域。
圍繞上述隔板“主界面”的“外周邊緣部”是主界面的外周邊緣區(qū)域和具有突起的凸形區(qū)域之外的區(qū)域，與上述“主界面”構(gòu)成一個(gè)整體。盡管上述“主界面”具有朝氣體擴(kuò)散層一側(cè)突起的凸?fàn)?，但根?jù)本發(fā)明形成的具有“主界面”和“外周邊緣部”的隔板被構(gòu)造為在整體上基本為平面。因此，上述的“外周邊緣部”可以是平面或彎曲的。
另外，主界面的“平均厚度”是通過(guò)在具有突出的凸起區(qū)域內(nèi)測(cè)量不少于5個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)而測(cè)量到的厚度的算術(shù)平均值。但在5個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)中的一個(gè)點(diǎn)必須是具有突出的凸起區(qū)域內(nèi)的幾何中心(重心)。該幾何中心(重心)可對(duì)應(yīng)于主界面的最厚部分。
進(jìn)一步地，外周邊緣部的“平均厚度”是如上所規(guī)定通過(guò)外周邊緣部中不少于8個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)測(cè)量到的厚度的算術(shù)平均值。
在本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池中，通過(guò)在陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板中的至少一個(gè)中(優(yōu)選兩者中)形成如上所述的結(jié)構(gòu)，下面的聚合物電解質(zhì)燃料電池可很容易和可靠地實(shí)現(xiàn)即使對(duì)墊圈進(jìn)行足夠的壓縮以體現(xiàn)密封效果而不發(fā)生氣體泄漏，陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板之間、以及陰極的氣體擴(kuò)散層與陰極側(cè)隔板之間的電阻(接觸電阻)的增加能夠得到抑制，并且能夠避免由于氣體擴(kuò)散層堵塞氣流通道而引起的壓力損失增加和對(duì)聚合物電解質(zhì)膜的損害。
進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了一種聚合物電解質(zhì)燃料電池，包括兩個(gè)或更多個(gè)膜電極組件，該膜電極組件具有氫離子傳導(dǎo)性聚合物電解質(zhì)膜，和將聚合物電解質(zhì)膜夾在中間的陽(yáng)極和陰極；以及兩個(gè)或更多個(gè)隔板，與膜電極組件交替堆疊在一起，每個(gè)陽(yáng)極和陰極都具有氣體擴(kuò)散層和與所述的聚合物電解質(zhì)膜接觸的催化劑層；其中至少一個(gè)隔板是復(fù)合隔板，包括陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的組合；每個(gè)陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板都包括與陽(yáng)極和陰極接觸的主界面，以及圍繞主界面的外周邊緣部，且其基本上為平面結(jié)構(gòu)；主界面具有分別朝陽(yáng)極和陰極突起的凸?fàn)睿⒕哂蟹謩e為陽(yáng)極和陰極提供燃料氣體和氧化劑氣體的氣流通道；并且主界面部分的平均厚度較外周邊緣部部分的平均厚度厚，而主界面部分的最厚部分的厚度與外周邊緣部部分的平均厚度之間的差值Δt是5-30μm。
在此，如上所述本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池中的“復(fù)合隔板”是包括陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板組合的復(fù)合隔板，其中陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板形成一個(gè)整體。
在如上所述的本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池中，通過(guò)在至少一個(gè)堆疊的隔板中形成如上所述的結(jié)構(gòu)，下面的聚合物電解質(zhì)燃料電池可很容易和可靠地實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板之間、以及陰極的氣體擴(kuò)散層與陰極側(cè)隔板之間的電阻(接觸電阻)的增加能夠得到抑制，同時(shí)通過(guò)充分地壓縮墊圈能夠顯示密封效果而不發(fā)生氣體泄漏，并且能夠避免由于氣體擴(kuò)散層堵塞氣流通道而引起的壓力損失增加和對(duì)聚合物電解質(zhì)膜的損害。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，下面的聚合物電解質(zhì)燃料電池可很容易和可靠地實(shí)現(xiàn)即使通過(guò)充分地壓縮墊圈以體現(xiàn)密封效果而不發(fā)生氣體泄漏，陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板之間、以及陰極的氣體擴(kuò)散層與陰極側(cè)隔板之間的電阻(接觸電阻)的增加能夠得到抑制，并且能夠避免由于氣體擴(kuò)散層堵塞氣流通道而引起的壓力損失增加和對(duì)聚合物電解質(zhì)膜的損害。


圖1是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式1中聚合物電解質(zhì)燃料電池基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的剖面示意圖。
圖2是圖1中所示的實(shí)施方式中聚合物電解質(zhì)燃料電池100的陰極側(cè)隔板30的主要部分的放大正視圖(從氣流通道38一側(cè)觀察的正視圖)。
圖3是對(duì)圖2中所示的陰極側(cè)隔板30進(jìn)行說(shuō)明的剖面示意圖(橫截面的方向與主界面36垂直)。
圖4是圖2中所示的陰極側(cè)隔板30的主要部分的放大后視圖(從冷卻水流通道35一側(cè)觀察的正視圖)。
圖5是圖1中所示的實(shí)施方式中聚合物電解質(zhì)燃料電池100中的陽(yáng)極側(cè)隔板40的主要部分的放大正視圖(從冷卻水流通道45一側(cè)觀察的正視圖)。
圖6是圖5中所示的陽(yáng)極側(cè)隔板40的主要部分的放大后視圖(從氣流通道48一側(cè)觀察的正視圖)。
圖7是圖1中P所示部分的放大視圖。
圖8是對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式2中聚合物電解質(zhì)燃料電池的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的剖面示意圖。
圖9是圖8中所示的實(shí)施方式中聚合物電解質(zhì)燃料電池200中復(fù)合隔板50的主要部分的放大正視圖。
圖10是圖9和圖11中所示的復(fù)合隔板50的剖面示意圖(橫截面的方向與主界面36c、36a垂直)。
圖11是圖9中所示的復(fù)合隔板50的主要部分的放大后視圖(從氣流通道48一側(cè)觀察的正視圖)。
圖12是對(duì)常規(guī)的聚合物電解質(zhì)燃料電池的第一個(gè)實(shí)施方式的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
此后，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式將根據(jù)附圖來(lái)說(shuō)明。在下面的描述中，對(duì)于相同或相應(yīng)的部分使用相同的參考數(shù)字，并省略重復(fù)的描述。
圖1是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式1中聚合物電解質(zhì)燃料電池的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的剖面示意圖。如圖1所示，單元電池1，即本實(shí)施方式中聚合物電解質(zhì)燃料電池100的基本結(jié)構(gòu)，主要包括可選擇性地轉(zhuǎn)移陽(yáng)離子(氫離子)的聚合物電解質(zhì)膜21、和置于聚合物電解質(zhì)膜21兩側(cè)的一對(duì)電極(陽(yáng)極和陰極)22、23。陰極22和陽(yáng)極23由催化劑層和氣體擴(kuò)散層組成，催化劑層包括攜帶電極催化劑(例如鉑)的碳粉和氫離子傳導(dǎo)性聚合物電解質(zhì)的混合物，氣體擴(kuò)散層包括例如防水處理的復(fù)寫紙，其在催化劑層的外側(cè)形成，同時(shí)具有透氣性和導(dǎo)電性。
然后，在陰極22和陽(yáng)極23的外周放置如墊圈25a和25c的氣體密封件以將聚合物電解質(zhì)膜21夾在中間，從而避免燃料氣體和氧化劑氣體向外面泄漏以及燃料氣體與氧化劑氣體混合在一起。這些墊圈25a和25c與陰極22、陽(yáng)極23以及聚合物電解質(zhì)膜21集成在一起形成膜電極組件(MEA)。在MEA外面，放置具有導(dǎo)電性的陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40，以機(jī)械地固定MEA，并以串聯(lián)的方式與鄰近的MEA相互電連接。
MEA、陰極側(cè)隔板22和陽(yáng)極側(cè)隔板23形成單元電池1。單元電池1與陰極側(cè)隔板22和陽(yáng)極側(cè)隔板23堆疊在一起，中間插入包括陰極側(cè)隔板22的冷卻水流通道35和陽(yáng)極側(cè)隔板23的冷卻水流通道45的冷卻部件，形成包括本實(shí)施方式的層積體的聚合物電解質(zhì)燃料電池100。盡管未顯示，但上述的層積體是被端板夾在中間，集電器板和絕緣板插入其中，并用緊固螺栓和其兩側(cè)的螺母固定在一起，因此形成了聚合物電解質(zhì)燃料電池100。
如上所述，由于陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板的平板形狀，傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)燃料電池有很多問(wèn)題。但在本實(shí)施方式中的聚合物電解質(zhì)燃料電池100中，使用具有特征性結(jié)構(gòu)的陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板以解決這些問(wèn)題。這些隔板在下面進(jìn)行詳述。
圖2是圖1中所示的本實(shí)施方式中聚合物電解質(zhì)燃料電池100的陰極側(cè)隔板30的主要部分的放大正視圖(從氣流通道38一側(cè)觀察的正視圖)。圖3是對(duì)圖2中所示的陰極側(cè)隔板30進(jìn)行說(shuō)明的剖面示意圖(橫截面與主界面36的方向垂直)(因此，省略了氣流通道38和冷卻水流通道35)。另外，圖4是圖2中所示的陰極側(cè)隔板30的主要部分的放大后視圖(從冷卻水流通道35一側(cè)觀察的正視圖)。
進(jìn)一步地，圖5是圖1中所示的本實(shí)施方式中聚合物電解質(zhì)燃料電池100中陽(yáng)極側(cè)隔板40的主要部分的放大正視圖(從冷卻水流通道45一側(cè)觀察的正視圖)，圖6是圖5中所示的陽(yáng)極側(cè)隔板40的主要部分的放大后視圖(從氣流通道48一側(cè)觀察的正視圖)。
如圖2所示，陰極側(cè)隔板30由與陰極22接觸的主界面36(與虛線圍繞的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的部分)、和與主界面36整合在一起的圍繞主界面36的外周邊緣部37形成。外周邊緣部37裝配了氧化劑氣體集管孔32、燃料氣體集管孔33、以及冷卻水集管孔34。主界面36具有為陰極22提供氧化劑氣體的氣流通道38，并且氣流通道38被構(gòu)造為與氧化劑氣體集管孔32連接。
如圖3所示，主界面36具有朝外側(cè)突起的凸?fàn)?即，朝向陰極22一側(cè))，因此，主界面36部分的平均厚度比外周邊緣部37部分的平均厚度厚。另外，盡管在陰極側(cè)隔板30中的主界面36與外周邊緣部37之間的連接部分具有高程變化，但陰極側(cè)隔板30的后側(cè)有冷卻水流通道35，而被構(gòu)造為沒(méi)有高程變化的單一平面。
另一方面，如圖6所示，陽(yáng)極側(cè)隔板40由與陽(yáng)極23接觸的主界面46(與虛線圍繞的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的部分)、與主界面46整合在一起的圍繞主界面46的外周邊緣部47形成。外周邊緣部47裝配了氧化劑氣體集管孔42、燃料氣體集管孔43、以及冷卻水集管孔44。主界面46具有為陽(yáng)極23提供燃料氣體的氣流通道48，且氣流通道48被構(gòu)造為與燃料氣體集管孔43連接。
盡管沒(méi)有顯示，主界面46也具有朝外側(cè)突起的凸?fàn)?即，朝向陽(yáng)極23一側(cè))，類似于圖3中所示的陰極側(cè)隔板30的主界面36，盡管在陽(yáng)極側(cè)隔板40中的主界面46與外周邊緣部47之間的連接部分具有高程變化，但陽(yáng)極側(cè)隔板40的后側(cè)具有冷卻水流通道45，而被構(gòu)造為沒(méi)有高程變化的單一平面。
優(yōu)選主界面36、46部分的平均厚度比外周邊緣部37、47部分的平均厚度厚，主界面36、46最厚部分的厚度與外周邊緣部37、47部分的平均厚度之間的差值Δt(參考圖3)為5-30μm。這是因?yàn)楫?dāng)厚度小于5μm，主界面36、46部分與氣體擴(kuò)散層之間的接觸電阻增加，并且當(dāng)厚度超過(guò)30μm時(shí)，氣體擴(kuò)散層被過(guò)度壓縮而壓力損失增加。特別是，從可靠地獲得本發(fā)明的效果的角度考慮，優(yōu)選差值Δt為5-10μm。
此外，當(dāng)使用滿足上述差值Δt的本實(shí)施方式的陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40時(shí)，優(yōu)選氣體擴(kuò)散層的厚度為150-200μm。這是因?yàn)楫?dāng)厚度為150μm或更大時(shí)，壓力損失能夠抑制到更小的程度，而當(dāng)厚度為200μm或更小時(shí)，支流{僅通過(guò)氣體擴(kuò)散層，不通過(guò)氣流通道的反應(yīng)氣體流(支流的增加將產(chǎn)生沒(méi)有被催化劑層利用的部分，因此降低了電極的利用率)}被抑制，反應(yīng)氣體能夠被提供至整個(gè)陰極22和陽(yáng)極23。
當(dāng)滿足上述關(guān)于Δt和氣體擴(kuò)散層厚度的條件時(shí)，氣流通道38、48的橫截面積可以在所有主界面36、46中基本上是相同的，此時(shí)MEA被陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40夾緊，因此是優(yōu)選的。
在此，“氣流通道的橫截面積在所有主界面中基本上相同的狀態(tài)”使用圖1和圖7進(jìn)行描述。圖7是圖1中P所示部分在夾緊本實(shí)施方式中的聚合物電解質(zhì)燃料電池100時(shí)的放大視圖。如圖7中所示，陽(yáng)極23的氣體擴(kuò)散層部分在夾緊的時(shí)候進(jìn)入氣流通道48。但在本實(shí)施方式中，陽(yáng)極側(cè)隔板40是根據(jù)預(yù)測(cè)(領(lǐng)會(huì))這種進(jìn)入的程度來(lái)預(yù)先設(shè)計(jì)的。因此，在夾緊的時(shí)候，在與圖垂直的平面上，在主界面的中央一側(cè)形成氣流通道48的凹槽的橫截面積，與在外周邊緣部一側(cè)形成氣流通道48的凹槽橫截面積變?yōu)榛旧舷嗤Ｒ虼?，它是指反?yīng)氣體實(shí)際上通過(guò)的凹槽的橫截面積在所有陽(yáng)極側(cè)隔板40上是相同的狀態(tài)。在陰極側(cè)也一樣。
特別是當(dāng)夾緊壓力為5-30kgf/cm2時(shí)，能夠可靠地獲得上述的效果。
如圖3中所示，也優(yōu)選與主界面36、46垂直方向的橫截面從主界面36、46的中央部位朝外周邊緣部37、47形成平滑的曲線，進(jìn)一步地，該曲線具有拐點(diǎn)X。據(jù)此，其具有的優(yōu)勢(shì)是在所有氣體擴(kuò)散層中夾緊壓力可以相同。
優(yōu)選陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40從包括傳導(dǎo)性碳粉和粘合劑的模壓制品而制成。進(jìn)一步地，優(yōu)選使用的隔板通過(guò)將捏練材料擠壓成型制備生片(green sheet)，然后將生片壓縮成型而獲得，所述捏練材料包括例如70-80重量份的傳導(dǎo)性碳粉，如膨脹石墨粉，以及例如20-30重量份的粘合劑，如酚醛樹脂。當(dāng)酚醛樹脂用作粘合劑時(shí)，合適的壓縮成型溫度為160℃，合適的制模表面壓力為350-500kgf/cm2。
當(dāng)上述的生片被壓縮成型時(shí)，優(yōu)選生片被壓縮為成型前體積的60-75％。當(dāng)在具有類似上述形狀的隔板的成型過(guò)程中平均差值Δt為5-30μm時(shí)，通過(guò)使用上述的壓縮比例，獲得的隔板的密度總體上幾乎是相同的，并且可塑性優(yōu)異。優(yōu)選在成型后，隔板的密度為1.5-2.0g/cm3。
在本實(shí)施方式中，陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40最厚部分的(即，主界面36、48的最厚部分)的合適厚度大約為3mm。墊圈25c、25a的合適厚度為0.3-1.0mm。
在陰極側(cè)隔板30中裝配的一對(duì)氧化劑氣體集管孔32與陽(yáng)極側(cè)隔板40中裝配的一對(duì)氧化劑集管孔42相連接，而陰極側(cè)隔板30中裝配的一對(duì)燃料氣體集管孔33與陽(yáng)極側(cè)隔板40中裝配的一對(duì)燃料氣體集管孔43相連接。在陰極側(cè)隔板30中裝配的一對(duì)冷卻水集管孔34也與陽(yáng)極側(cè)隔板40中裝配的一對(duì)冷卻水集管孔44相連接。
因此，一對(duì)氧化劑氣體集管孔32中的一個(gè)是入口，而另一個(gè)是出口。類似地，在一對(duì)氧化劑氣體集管孔42、一對(duì)燃料氣體集管孔33、一對(duì)燃料氣體集管孔43、一對(duì)冷卻水集管孔34、和一對(duì)冷卻水集管孔44中，一個(gè)是入口，而另一個(gè)是出口。
在本實(shí)施方式中，分別圍繞氧化劑氣體集管孔32和燃料氣體集管孔33的凹槽31c和凹槽31a、以及圍繞冷卻水集管孔34和冷卻水流通道35的凹槽31w，進(jìn)一步完全在陰極側(cè)隔板30的后側(cè)(冷卻水流通道35一側(cè))形成。同樣，分別圍繞氧化劑氣體集管孔42和燃料氣體集管孔43的凹槽41c和凹槽41a、以及圍繞冷卻水集管孔44和冷卻水流通道45的凹槽41w，進(jìn)一步完全在陽(yáng)極側(cè)隔板40的后側(cè)(冷卻水流通道45一側(cè))形成。
進(jìn)一步地，在本實(shí)施方式中的聚合物電解質(zhì)燃料電池100中，如圖1所示，陰極側(cè)隔板30的后側(cè)(冷卻水流通道35一側(cè))和陽(yáng)極側(cè)隔板40的后側(cè)(冷卻水流通道45一側(cè))連接在一起，這樣它們的表面相對(duì)，插在MEA中間。以這種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，O-環(huán)(未顯示)分別插入凹槽31c與凹槽41c、凹槽31a與41a、以及凹槽31w與凹槽41w中間，因此可以防止反應(yīng)氣體或冷卻水從陰極側(cè)隔板30與陽(yáng)極側(cè)隔板40之間泄漏。
如上所述，在本實(shí)施方式的聚合物電解質(zhì)燃料電池100中，通過(guò)在陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40中裝配分別具有朝向陰極22和陽(yáng)極23突起的凸?fàn)畹闹鹘缑?，下面的聚合物電解質(zhì)燃料電池能夠容易和可靠地實(shí)現(xiàn)通過(guò)充分地壓縮墊圈能夠顯示密封效果而不發(fā)生氣體泄漏，陰極22的氣體擴(kuò)散層與陰極側(cè)隔板30之間、以及陽(yáng)極23的氣體擴(kuò)散層與陽(yáng)極側(cè)隔板40之間的電阻(接觸電阻)的增加能夠得到抑制，并且能夠避免由于氣體擴(kuò)散層堵塞氣流通道而引起的壓力損失增加和對(duì)聚合物電解質(zhì)膜的損害。
盡管當(dāng)本實(shí)施方式中描述的陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40均具有有突起的凸?fàn)畹闹鹘缑鏁r(shí)，具有突起的主界面可在陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40中的任何一個(gè)中裝配。進(jìn)一步地，盡管在本實(shí)施方式中，在陰極測(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40中都裝配了形成冷卻部件的冷卻水流通道35、45，但冷卻水流通道可在陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40中的任何一個(gè)中裝配。
進(jìn)一步地，盡管在本實(shí)施方式中，冷卻水流通道在陰極側(cè)隔板30及其鄰近的陽(yáng)極側(cè)隔板40之間裝配，但冷卻水流通道可在，例如任何兩個(gè)單元電池之間而不是每一個(gè)電池中裝配。在這樣的情況下，用作陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板(例如，后面描述的實(shí)施方式2的復(fù)合隔板)的、在一側(cè)有燃料氣流通道而另一側(cè)有氧化劑氣流通道的單個(gè)隔板，可以一起使用。
下面描述本發(fā)明的實(shí)施方式2中的聚合物電解質(zhì)燃料電池。如圖8所示，在實(shí)施方式2中的聚合物電解質(zhì)燃料電池中，圖1中實(shí)施方式1所示的聚合物電解質(zhì)燃料電池100中陽(yáng)極側(cè)隔板30和陰極側(cè)隔板40的組合被替換為單個(gè)復(fù)合隔板50，而復(fù)合隔板50之外的構(gòu)造與實(shí)施方式1中的聚合物電解質(zhì)燃料電池100相同。圖8是對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式2中聚合物電解質(zhì)燃料電池基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的剖面示意圖。
下面，描述在實(shí)施方式2中聚合物電解質(zhì)燃料電池200中裝配的復(fù)合隔板50(本發(fā)明實(shí)施方式2中的隔板)。圖9是圖8中所示的本實(shí)施方式中聚合物電解質(zhì)燃料電池200的復(fù)合隔板50的主要部分的放大正視圖(從氣流通道38一側(cè)觀察的正視圖)。圖11是圖9中所示的復(fù)合隔板50的主要部分的放大后視圖(從氣流通道48一側(cè)觀察的正視圖)。圖10是圖9和11中所示的復(fù)合隔板50的剖面示意圖(橫截面的方向與主界面36c、36a垂直)(氣流通道38、48被省略)。
本實(shí)施方式的復(fù)合隔板50是包括陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板的組合的單個(gè)隔板。因此，復(fù)合隔板50能夠僅通過(guò)單一組件而實(shí)現(xiàn)上面實(shí)施方式1中陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40的功能。盡管優(yōu)選復(fù)合隔板50通過(guò)制模而制備，但復(fù)合隔板50可通過(guò)將上面實(shí)施方式1的陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板集成(連接)而制備。
復(fù)合隔板50在一側(cè)具有接觸陰極22的主界面36c，在另一側(cè)具有接觸陽(yáng)極23的主界面36a。為陰極22供應(yīng)氧化劑氣體的氣流通道38在主界面36c上形成，為陽(yáng)極供應(yīng)氧化劑氣體的氣流通道48在主界面36a上形成。
每個(gè)主界面36c和36a都分別與圍繞主界面的外周邊緣部37c和37a單片集成。復(fù)合隔板50整體上基本形成一個(gè)平板，但每個(gè)主界面36c和36a都具有朝外側(cè)突起的凸?fàn)?即，朝向陰極22側(cè)或陽(yáng)極23側(cè))。因此，主界面36c和36a部分的平均厚度較外周邊緣部37c和37a部分的平均厚度厚。
在接觸復(fù)合隔板50的MEA中，將聚合物電解質(zhì)膜21夾在中間的陰極22和陽(yáng)極23的一部分被復(fù)合隔板50的主界面16c和另一個(gè)鄰近的復(fù)合隔板50的主界面16a壓縮。同樣，將聚合物電解質(zhì)膜21的外周邊緣部夾在中間的墊圈25c和25a的一部分也被一個(gè)復(fù)合隔板50的外周邊緣部37c和另一個(gè)復(fù)合隔板50的外周邊緣部37a壓縮。因此，通過(guò)適當(dāng)選擇復(fù)合隔板50主界面36c和36a部分的平均厚度與外周邊緣部37c和13a部分的平均厚度之間的差值，就能得到合適的陰極22和陽(yáng)極23的氣體擴(kuò)散層與復(fù)合隔板50主界面36c、36a之間的接觸程度，以及墊圈25c、25a的壓縮程度。
只要圖9中每個(gè)Δt1和Δt2與上面實(shí)施方式1中的Δt具有相同的范圍，Δt1和Δt2的值可以是相同的或不同的，但優(yōu)選是相同的。同樣，復(fù)合隔板50的厚度也可與上面實(shí)施方式1中的陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40的厚度總和相同。
如上所述，在本實(shí)施方式的聚合物電解質(zhì)燃料電池200中，通過(guò)為形成復(fù)合隔板50的陰極側(cè)隔板部分和陽(yáng)極側(cè)隔板部分提供具有分別朝向陰極22和陽(yáng)極23突起的凸?fàn)畹闹鹘缑?6c、36a，下面的聚合物電解質(zhì)燃料電池200可很容易和可靠地實(shí)現(xiàn)通過(guò)充分地壓縮墊圈25c和25a能夠顯示密封效果而不發(fā)生氣體泄漏；陰極22的氣體擴(kuò)散層與復(fù)合隔板50之間、以及陽(yáng)極23的氣體擴(kuò)散層與復(fù)合隔板50之間的電阻(接觸電阻)的增加能夠得到抑制；并且能夠避免由于氣體擴(kuò)散層38、48堵塞氣流通道和對(duì)聚合物電解質(zhì)膜21的損害而引起的壓力損失增加。
盡管本實(shí)施方式中的復(fù)合隔板50內(nèi)部沒(méi)有裝配冷卻部件，但優(yōu)選每2-3個(gè)MEA中，在復(fù)合隔板50內(nèi)部裝配冷卻水流通道。例如，可使用上面實(shí)施方式1中陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40的組合替代多個(gè)復(fù)合隔板50中的一些復(fù)合隔板50。
盡管本發(fā)明的實(shí)施方式在上面進(jìn)行了詳述，但本發(fā)明并不限于上述的每個(gè)實(shí)施方式。
例如，在本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池中，上面實(shí)施方式1中的陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40可與上面實(shí)施方式2的復(fù)合隔板50一起使用。
盡管在上面的實(shí)施方式中，氧化劑氣體的氣流通道38由5個(gè)平行的凹槽形成，燃料氣體的氣流通道48由3個(gè)平行的凹槽形成，但形成每個(gè)氣流通道的凹槽數(shù)目并不限于上面的實(shí)施方式。形成上述氣流通道的凹槽是由直線和彎角組合成的蜿蜒形狀，除了不可避免的部分以外，凹槽的中心線要在其前側(cè)和后側(cè)相互一致。因此，當(dāng)MEA被這樣一對(duì)隔板夾在中間時(shí)，聚合物電解質(zhì)膜21兩側(cè)上的氣流通道38和48位于插入其間的聚合物電解質(zhì)膜21的彼此相對(duì)位置上，如圖1和圖8所示。
同樣，對(duì)于本發(fā)明的隔板，也優(yōu)選上面的主界面的最厚部分的厚度大約為3.0mm。并且優(yōu)選形成氣流通道的凹槽深度和寬度，以及形成凹槽之間lib的部分的寬度，在夾緊聚合物電解質(zhì)燃料電池時(shí)大約為1.0mm。
實(shí)施例此后，本發(fā)明進(jìn)一步以下面的實(shí)施例進(jìn)行詳述，但本發(fā)明不限于此。
本發(fā)明包括單元電池1的聚合物電解質(zhì)燃料電池通過(guò)使用上面實(shí)施方式1中的陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40制造。
首先，通過(guò)使平均原始粒子尺寸為30nm的傳導(dǎo)性碳粉(Ketjenblack EC(產(chǎn)品名)荷蘭AKZO Chemie B.V.的產(chǎn)品)攜帶平均粒子尺寸為3nm的鉑微粒，而獲得攜帶陰極催化劑的碳粉(Pt50重量％)。此外，通過(guò)使與上面相同的傳導(dǎo)性碳粉攜帶平均粒子尺寸均為30埃的鉑微粒和釕微粒，而獲得攜帶陽(yáng)極催化劑的碳粉(Pt25重量％，Ru25重量％)。
上述的攜帶陰極催化劑的碳粉分散在異丙醇中，然后混合全氟化碳磺酸粉末的乙醇分散液，從而制備形成陰極催化劑層的漿狀物。類似地，上述攜帶陽(yáng)極催化劑的碳粉分散在異丙醇中，然后混合全氟化碳磺酸粉末的乙醇分散液，從而制備形成陽(yáng)極催化劑層的漿狀物。
下一步，將上述漿狀物通過(guò)絲網(wǎng)印刷涂覆在由厚度為250μm的碳無(wú)紡織物組成的氣體擴(kuò)散層的一側(cè)以形成陰極催化劑層，從而制成陰極。此時(shí)，進(jìn)行一些調(diào)整使陰極中電極催化劑(Pt)的量達(dá)到0.5mg/cm2，全氟化碳磺酸的量達(dá)到1.2mg/cm2。類似地，將上述漿狀物通過(guò)絲網(wǎng)印刷涂覆在由厚度為250μm的碳無(wú)紡織物氣體擴(kuò)散層的一側(cè)而形成陽(yáng)極催化劑層，從而制成陽(yáng)極。此時(shí)，進(jìn)行一些調(diào)整使陽(yáng)極中電極催化劑(Pt)的量達(dá)到0.5mg/cm2，全氟化碳磺酸的量達(dá)到1.2mg/cm2。
然后，制備尺寸面積大于陰極或陽(yáng)極面積的聚合物電解質(zhì)膜(Nafion 112(產(chǎn)品名)，由E.I.du Pont de Nemours and Company，U.S.A制造，厚度為30μm)，并且聚合物電解質(zhì)膜的中央部位被上述的陰極和陽(yáng)極夾在中間以便與陽(yáng)極側(cè)的催化劑層和陰極側(cè)的催化劑層接觸，且上述的聚合物電解質(zhì)膜、上述的陰極、和上述的陽(yáng)極通過(guò)熱壓粘合在一起。進(jìn)一步地，在陰極和陽(yáng)極的外周，將通過(guò)切料制成的與后面提到的隔板的外周形狀幾乎相同的墊圈(Viton-GBL，DuPont DowElastomer Japan的產(chǎn)品，由含氟橡膠制成，游離厚度0.8mm)通過(guò)熱壓而粘合，制成MEA。
上述的MEA被實(shí)施方式1中描述的陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40夾在中間，并被夾緊，這樣上述墊圈的厚度變?yōu)?.5mm，因此使單元電池1具有圖1中所示的結(jié)構(gòu)(本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池)。此時(shí)，在陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40中，主界面36和46各自最厚部分的厚度與外周邊緣部37和47各自的平均厚度之間的差值Δt被設(shè)置為10μm。
使用由此制成的本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池，測(cè)量隔板和氣體擴(kuò)散層的接觸電阻(mΩ·cm2)，和當(dāng)反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化劑氣體)溢出一定量時(shí)發(fā)生的壓力損失(kPa)。
在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，當(dāng)接觸電阻超過(guò)20mΩ·cm2時(shí)，由于IR損失的影響引起的電壓降低變得很明顯，因此使其較不實(shí)用。因此，當(dāng)接觸電阻不超過(guò)20mΩ·cm2時(shí)被歸類為“1”，當(dāng)接觸電阻超過(guò)20mΩ·cm2時(shí)被歸類為“2”。同樣，當(dāng)壓力損失超過(guò)10kPa時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率降低，供應(yīng)反應(yīng)氣體需要的功率增加，因此也使其較不實(shí)用。因此，當(dāng)壓力損失不超過(guò)10kPa時(shí)歸類為“1”，當(dāng)壓力損失超過(guò)10kPa時(shí)歸類為“2”。然后為了進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，當(dāng)接觸電阻和壓力損失的結(jié)果均為“1”時(shí)，標(biāo)記為“1(通過(guò))”，當(dāng)其中任何一個(gè)為“2”時(shí)則標(biāo)記為“2(未通過(guò))”。結(jié)果在表1中顯示。
本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池(單元電池)以與實(shí)施例1相同的方式制造，除了Δt值設(shè)置為20μm以外。也以相同的方式進(jìn)行特征評(píng)價(jià)。結(jié)果在表1中顯示。
本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池(單元電池)以與實(shí)施例1相同的方式制造，除了Δt值設(shè)置為30μm以外。也以相同的方式進(jìn)行特征評(píng)價(jià)。結(jié)果在表1中顯示。
本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池(單元電池)以與實(shí)施例1相同的方式制造，除了Δt值設(shè)置為5μm以外。也以相同的方式進(jìn)行特征評(píng)價(jià)。結(jié)果在表1中顯示。
本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池(單元電池)以與實(shí)施例1相同的方式制造，除了陰極側(cè)隔板30和陽(yáng)極側(cè)隔板40、主界面36、46被制造為具有朝向內(nèi)側(cè)(即，冷卻水流通道35、45一側(cè))突起的凸?fàn)?，制造的厚度較外周邊緣部37、47薄，且Δt值設(shè)置為-5μm。也以相同的方式進(jìn)行特征評(píng)價(jià)。結(jié)果在表1中顯示。
本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池(單元電池)以與實(shí)施例1相同的方式制造，除了Δt值設(shè)置為50μm以外。也以相同的方式進(jìn)行特征評(píng)價(jià)。結(jié)果在表1中顯示。
本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池(單元電池)以與實(shí)施例1相同的方式制造，除了Δt值設(shè)置為100μm以外。也以相同的方式進(jìn)行特征評(píng)價(jià)。結(jié)果在表1中顯示。
表1

從表1中的結(jié)果可以得出結(jié)論，當(dāng)隔板的主界面最厚部分與外周邊緣部的厚度差值Δt為5-30μm時(shí)，可獲得具有較小的接觸電阻和較少壓力損失的極好的聚合物電解質(zhì)燃料電池。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，在本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池中，電極(陰極和陽(yáng)極)與隔板之間的接觸電阻減少，且壓力損失變得穩(wěn)定。因此，本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池可優(yōu)選用于便攜式電源、電動(dòng)車輛、家庭熱電聯(lián)合系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)燃料電池，包括具有氫離子傳導(dǎo)性聚合物電解質(zhì)膜、以及將所述的聚合物電解質(zhì)膜夾在中間的陽(yáng)極和陰極的膜電極組件；和置于所述的膜電極組件兩側(cè)用于支撐其的陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板，各個(gè)所述陽(yáng)極和所述陰極均具有氣體擴(kuò)散層和與所述聚合物電解質(zhì)膜接觸的催化劑層，其中所述的陽(yáng)極側(cè)隔板和所述的陰極側(cè)隔板中至少一個(gè)包括與所述氣體擴(kuò)散層接觸的主界面和圍繞所述主界面的外周邊緣部，且其基本上為平面結(jié)構(gòu)，所述的主界面具有向所述氣體擴(kuò)散層一側(cè)突起的凸?fàn)?，并具有為所述?yáng)極或所述陰極供應(yīng)反應(yīng)氣體的氣流通道，并且所述的主界面部分的平均厚度比所述的外周邊緣部部分的平均厚度厚，所述主界面部分的最厚部分的厚度與所述外周邊緣部部分的平均厚度之間的差值Δt為5-30μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述的差值Δt為5-10μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述的氣體擴(kuò)散層的厚度為150-200μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于當(dāng)所述的膜電極組件被所述陽(yáng)極側(cè)隔板和所述陰極側(cè)隔板夾緊時(shí)，所述氣流通道的橫截面積在整個(gè)所述的主界面中都基本相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于與所述主界面垂直的橫截面形成沿所述主界面的中心至所述外周邊緣部的平滑曲線，且所述曲線具有拐點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述的外周邊緣部具有反應(yīng)氣體集管孔和冷卻水集管孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極側(cè)隔板和所述陰極側(cè)隔板中至少一個(gè)在所述聚合物電解質(zhì)膜一側(cè)相反的一側(cè)具有冷卻水流通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于在所述主界面與所述外周邊緣部之間具有高程變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述的外周邊緣部部分被制成較所述的主界面部分薄。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述主界面中的所述氣流通道被制成向著所述主界面的中心變深。
11.一種聚合物電解質(zhì)燃料電池，包括兩個(gè)或更多個(gè)膜電極組件，所述膜電極組件具有氫離子傳導(dǎo)性聚合物電解質(zhì)膜、以及將所述的聚合物電解質(zhì)膜夾在中間的陽(yáng)極和陰極；以及兩塊或更多塊隔板，交替地與所述的膜電極組件堆疊在一起，各個(gè)所述陽(yáng)極和所述陰極均具有氣體擴(kuò)散層和與所述聚合物電解質(zhì)膜接觸的催化劑層，其中至少一塊所述的隔板是復(fù)合隔板，包括陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的組合，所述陽(yáng)極側(cè)隔板和所述陰極側(cè)隔板中每個(gè)都包括與所述陽(yáng)極和所述陰極接觸的主界面、以及圍繞所述主界面的外周邊緣部，且其基本上為平面結(jié)構(gòu)，所述的主界面具有分別向所述陽(yáng)極側(cè)和所述陰極側(cè)突起的凸?fàn)睿⒕哂蟹謩e為所述陽(yáng)極和所述陰極供應(yīng)燃料氣體和氧化劑氣體的氣流通道，并且所述主界面部分的平均厚度比所述外周邊緣部部分的平均厚度厚，所述主界面部分的最厚部分的厚度與所述外周邊緣部部分的平均厚度之間的差值Δt為5-30μm。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述的差值Δt為5-10μm。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述氣體擴(kuò)散層的厚度為150-200μm。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于當(dāng)所述的兩個(gè)或更多個(gè)膜電極組件用所述的兩塊或更多塊隔板夾緊時(shí)，所述復(fù)合隔板中的所述氣流通道的橫截面積在整個(gè)所述的主界面中都基本相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于與所述主界面垂直的橫截面形成沿所述主界面的中心至所述外周邊緣部的平滑曲線，且所述曲線具有拐點(diǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述的外周邊緣部具有反應(yīng)氣體集管孔和冷卻水集管孔。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于在所述陽(yáng)極側(cè)隔板與所述陰極側(cè)隔板之間具有冷卻水流通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于在所述的主界面與所述的外周邊緣部之間具有高程變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述的外周邊緣部部分被制成較所述的主界面部分薄。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的聚合物電解質(zhì)燃料電池，其特征在于所述主界面中的所述氣流通道被制成向著所述主界面的中心變深。
全文摘要
本發(fā)明提供一種聚合物電解質(zhì)燃料電池，其中陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板中的至少一個(gè)是由具有向氣體擴(kuò)散層突起的凸?fàn)畹闹鹘缑妗⒁约皣@該主界面的外周邊緣部制成的。主界面的平均厚度制成比外周邊緣部的平均厚度厚。主界面最厚部分與外周邊緣部的平均厚度之間的差值Δt為5－30μm。結(jié)果，通過(guò)充分地壓縮墊圈能夠顯示密封效果而不發(fā)生氣體泄漏，氣體擴(kuò)散層與隔板之間的電阻(接觸電阻)的增加能夠得到抑制，并且能夠避免由于氣體擴(kuò)散層堵塞氣流通道而引起的壓力損失增加和對(duì)聚合物電解質(zhì)膜的損害。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1910773SQ20058000226
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2005年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月2日
發(fā)明者日下部弘樹, 羽藤一仁, 松本敏宏, 川畑德彥, 長(zhǎng)尾善輝, 竹口伸介 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社