專利名稱：燃料電池和用于燃料電池的電解質(zhì)層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚合物電解質(zhì)燃料電池和包含在該聚合物電解質(zhì)燃 料電池中的電解質(zhì)層。
背景技術(shù)：
作為電解質(zhì)層包括在聚合物電解質(zhì)燃料電池中的固體聚合物電 解質(zhì)膜在濕狀態(tài)下具有高的質(zhì)子電導(dǎo)率。在包括固體聚合物電解質(zhì) 膜的燃料電池中，隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，在一個電極(更具體而 言是陰極)上產(chǎn)生液態(tài)水。在這種聚合物電解質(zhì)燃料電池中產(chǎn)生的 液態(tài)水或供應(yīng)至這種聚合物電解質(zhì)燃料電池的反應(yīng)氣體中所含的 水蒸氣可能引起各種問題。例如，在電解質(zhì)膜上形成的電極附近的 水的冷凝可能干擾對電極的平穩(wěn)氣體供應(yīng)，不期望地降低電池性 能。 一種建議的防止冷凝水干擾平穩(wěn)氣流的結(jié)構(gòu)在燃料電池內(nèi)(例 如在氣體分離器的表面上)提供親水涂層例如蛋白質(zhì)涂層，以防止 水的累積。
然而，在這種建議的在燃料電池內(nèi)防止液態(tài)水累積并確保平穩(wěn) 氣流的結(jié)構(gòu)中，可能存在由液態(tài)水在低溫條件下的結(jié)冰引起的問
題。例如，在o'c以下的低溫條件下啟動燃料電池時，隨發(fā)電進(jìn)行 而產(chǎn)生的水可能在電解質(zhì)膜內(nèi)結(jié)水。在電解質(zhì)膜內(nèi)結(jié)水的水干擾電 解質(zhì)膜中的質(zhì)子遷移，由此阻礙連續(xù)發(fā)電。用于燃料電池發(fā)電的電 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量并逐漸升高燃料電池的溫度。然而，在開始發(fā)電 后電解質(zhì)膜內(nèi)的水立即結(jié)水，這干擾連續(xù)發(fā)電，并阻止燃料電池升 溫。就是說，水的結(jié)水干擾燃料電池的平穩(wěn)啟動。
發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中所出現(xiàn)問題的至少一部分，需要防止由液 態(tài)水在低溫條件下的結(jié)水導(dǎo)致的燃料電池啟動性能劣化。
本發(fā)明的一個方面涉及一種燃料電池，所述燃料電池包括插在一
對電極之間并構(gòu)建為包含聚合物電解質(zhì)和防止由液態(tài)水生長為水晶體 的防凍蛋白質(zhì)的離子導(dǎo)電電解質(zhì)層。
在導(dǎo)致液態(tài)水結(jié)水的低溫條件下啟動燃料電池時，電解質(zhì)層中防 凍蛋白質(zhì)的存在有效防止電解質(zhì)層中的水結(jié)水。這種布置有利地防止 由電解質(zhì)層中的水結(jié)水引起的質(zhì)子電導(dǎo)率降低，并確保燃料電池甚至 在低溫條件下的平穩(wěn)啟動和連續(xù)發(fā)電。這種布置還有效保護(hù)電解質(zhì)層 不被水的結(jié)冰損害。
本發(fā)明的技術(shù)不限于本發(fā)明上述方面中的燃料電池，而是還通過 多種其它方面來實現(xiàn)，例如這種燃料電池的制造方法和在低溫條件下 啟動燃料電池時包含在這種燃料電池中的電解質(zhì)層的防凍方法。
圖1是示意性示出單電池10的結(jié)構(gòu)的截面圖； 圖2顯示電解質(zhì)層20的一般制造方法；
圖3是示意性示出第二實施方案中的燃料電池的結(jié)構(gòu)的截面 圖；和
圖4是示意性示出第三實施方案中的燃料電池的結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實施例方式
下文參照附圖并作為優(yōu)選實施方案來描述實施本發(fā)明的一些方面.
A.燃料電池的結(jié)構(gòu)
圖l是示例性示出本發(fā)明第一實施方案中作為燃料電池單元的 單電池10的結(jié)構(gòu)的截面圖。單電池IO包括電解質(zhì)層20、在電解質(zhì) 層20的相應(yīng)面上作為催化劑電極形成的陽極21和陰極22、跨越在 其上形成有催化劑電極的電解質(zhì)層20布置的一對氣體擴(kuò)散層23和 24、和布置在相應(yīng)氣體擴(kuò)散層23和24外側(cè)的一對氣體分離器25 和26。
該實施方案的燃料電池是聚合物電解質(zhì)燃料電池。例如，電解
質(zhì)層20由具有全氟磺酸基團(tuán)并在濕狀態(tài)下顯示出良好質(zhì)子電導(dǎo)率 的氟樹脂制成。在該實施方案的結(jié)構(gòu)中，電解質(zhì)層20還包括均勻 分散于其內(nèi)的防凍蛋白質(zhì)。在下文中將詳細(xì)描述包含于電解質(zhì)層20 中的防凍蛋白質(zhì)。
每個陽極21和陰極22均含有催化劑金屬，例如鉑或鉑合金。 氣體擴(kuò)散層23和24由透氣性導(dǎo)電材料制成，例如碳紙、碳布、金 屬網(wǎng)、或金屬泡沫。該實施方案的氣體擴(kuò)散層23和24都是具有平 坦表面的板構(gòu)件。氣體擴(kuò)散層23和24允許待進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的各 種反應(yīng)氣體通過，同時充當(dāng)集電器。
氣體分離器25和26由透氣性導(dǎo)電材料制成，例如由壓制的碳 或不銹鋼制成。氣體分離器25和26具有預(yù)i殳的凹凸結(jié)構(gòu)。該凹凸 結(jié)構(gòu)限定在氣體分離器25和氣體擴(kuò)散層23之間形成的用于含氫燃 料氣體流的單電池內(nèi)燃料氣體流動路徑27，同時限定在氣體分離器 26和氣體擴(kuò)散層24之間形成的用于含氧氧化氣體流的單電池內(nèi)氧 化氣體流動路徑28。
繞單電池10的外圍提供密封墊或任何其它合適的密封構(gòu)件(未 圖示)以確保單電池內(nèi)燃料氣體流動路徑27和單電池內(nèi)氧化氣體 流動路徑28中足夠的密封性能。該實施方案的燃料電池具有多個 單電池10的堆疊結(jié)構(gòu)。圍繞燃料電池堆疊結(jié)構(gòu)的外圍提供與單電 池10堆疊方向平行的多個氣體歧管(未圖示)以允許燃料氣體和 氧化氣體流通。燃料氣體通過所述多個氣體歧管中的燃料氣體供應(yīng) 歧管引入，分布到各個單電池10中，流經(jīng)各個單電池內(nèi)燃料氣體 流動路徑27以進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，并且重新匯集以通過燃料氣體排 放歧管排出。類似地，氧化氣體通過氧化氣體供應(yīng)歧管引入，分布 到各個單電池io中，流經(jīng)各個單電池內(nèi)氧化氣體流動路徑28以進(jìn)
行電化學(xué)反應(yīng)，并且重新匯集以通過氧化氣體排放歧管排出。
B.通過防凍蛋白質(zhì)使電解質(zhì)層防凍
防凍蛋白質(zhì)(AFP)表示在O'C以下的低溫條件下吸附在水晶 體(水核)表面上并且干擾水晶體沿特定方向生長，由此防止水溶
液結(jié)水的蛋白質(zhì)。防凍蛋白質(zhì)的吸附將冰晶體的生長形狀從六方晶 體改變?yōu)殡p錐晶體，并且以這種形狀阻止冰晶體的生長，由此防止 整個水溶液結(jié)冰。如本領(lǐng)域公知的，在各種魚、鞘翅類昆蟲、植物、 真菌、和細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了這種防凍蛋白質(zhì)。防凍蛋白質(zhì)的典型例子是 具有由丙氨酸-蘇氨酸-丙氨酸的重復(fù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三肽的糖蛋白、和
由N-乙酰半乳糖胺-半乳糖二糖構(gòu)成的糖肽。應(yīng)該通過考慮防凍蛋 白質(zhì)的穩(wěn)定性來確定防凍蛋白質(zhì)的選擇和燃料電池工作溫度的設(shè) 定。該實施方案的防凍蛋白質(zhì)可以是多種不同防凍蛋白質(zhì)的混合 物。在該實施方案中使用的防凍蛋白質(zhì)可以是由例如魚的天然產(chǎn)物 得到的精制物或作為替代方案可以是人工合成的物質(zhì)。
圖2顯示電解質(zhì)層20的一般制造方法。該實施方案的程序為將 防凍蛋白質(zhì)與固體聚合物電解質(zhì)膜的材料預(yù)混合，并且形成混合物 的薄膜以產(chǎn)生含有防凍蛋白質(zhì)的固體聚合物電解質(zhì)膜。電解質(zhì)層20 的一般制造方法首先提供引入磺酸基團(tuán)的含氟聚合物(步驟S100 )。 通過輻射接枝聚合，將磺酸基團(tuán)引入粒徑為0.1 ~ 100 jim的含氟聚 合物微粒中來獲得引入磺酸基團(tuán)的含氟聚合物。含氟聚合物可以是 例如聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物 (PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-乙烯共聚 物(ETFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE) 中的任意一種或任意組合。
將在步驟S100中提供的引入磺酸基團(tuán)的含氟聚合物與防凍蛋 白質(zhì)和離子交換材料混合(步驟SllO)。離子交換材料可以是全氟 磺酸聚合物和全氟羧酸鹽/酯聚合物中的任意一種或組合。例如， 通過使四氟乙烯和含有氟磺酰基的全氟乙烯基醚共聚合并水解共 聚物，可以制備全氟磺酸聚合物。例如，通過使四氟乙烯和含有羧 酸基團(tuán)的全氟乙烯基醚共聚合并水解共聚物，可以制備全氟羧酸鹽 /酯聚合物。防凍蛋白質(zhì)可以為粉末形式或液體形式。步驟S110的 程序?qū)㈦x子交換材料溶解到所選的溶劑中，并且將防凍蛋白質(zhì)和在 步驟S100中提供的含氟聚合物均勻分散到溶液中。
將在步驟S110中制備的分散混合物形成為薄膜(步驟S120) 以完成電解質(zhì)層20。該形成過程可以為例如將在步驟S110中制備
的分散混合物均勻地倒入平坦模中來形成薄膜、在50 °C下干燥并固 化分散混合物的薄膜、和將干燥的薄膜從模上剝離。所形成的電解 質(zhì)層20具有例如10 ~ 100 fim的厚度。
在0。C以下的低溫條件下啟動燃料電池來開始發(fā)電的情況下， 在陰極22處產(chǎn)生水，以逐漸增加電解質(zhì)層20的水含量。在該實施 方案的燃料電池結(jié)構(gòu)中，電解質(zhì)層20中防凍蛋白質(zhì)的存在防止電 解質(zhì)層20中所含的水結(jié)水。這種布置有利地允許質(zhì)子在電解質(zhì)層 20中連續(xù)遷移(電解質(zhì)層20中水的結(jié)冰干擾該連續(xù)遷移)，由此防 止由于水的結(jié)冰而降低電解質(zhì)層20的質(zhì)子電導(dǎo)率。也就是說，防 凍蛋白質(zhì)的存在確保燃料電池甚至在低溫條件下的平穩(wěn)啟動和連 續(xù)發(fā)電。平穩(wěn)連續(xù)的發(fā)電逐漸升高燃料電池的溫度，并且使燃料電 池保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。
在低溫下啟動燃料電池時，在電解質(zhì)層20中結(jié)水的水可能在電 解質(zhì)層20中產(chǎn)生應(yīng)力并損害電解質(zhì)層20。然而，在該實施方案的 燃料電池中，電解質(zhì)層20中防凍蛋白質(zhì)的存在有效干擾電解質(zhì)層 20中的水晶體生長，并且分散和控制由水結(jié)水所引起的應(yīng)力，從而 有利地防止水的結(jié)冰損害電解質(zhì)層20。
可以在制造方法的各個階段中通過輻射接枝聚合將磺酸基團(tuán)引 入到含氟聚合物中，例如甚至在形成薄膜之后引入。然而，優(yōu)選如 以上該實施方案中所述的在通過輻射接枝聚合將磺酸基團(tuán)引入到 含氟聚合物中之后加入防凍蛋白質(zhì)，以抑制由化學(xué)反應(yīng)或熱反應(yīng)引 起的防凍蛋白質(zhì)劣化。
在第一實施方案的燃料電池中，電解質(zhì)層20的制造工藝使離子 交換材料與具有通過輻射接枝聚合引入的磺酸基團(tuán)的含氟聚合物 混合。但是，該組成不是限制性的，而是可以以各種方式改變。例 如，只要確保電解質(zhì)層20的足夠強(qiáng)度，就可以通過只混合離子交 換材料和防凍蛋白質(zhì)而不加入具有通過輻射接枝聚合引入的磺酸 基團(tuán)的含氟聚合物來制備電解質(zhì)層20。
C.第二實施方案
在第一實施方案的燃料電池中，防凍蛋白質(zhì)均勻地分散在電解
質(zhì)層20中。在一個變型方案中，防凍蛋白質(zhì)可以只存在于電解質(zhì)
層的特定部分區(qū)域中。在下文中作為第二實施方案描述該變型結(jié)構(gòu) 的一個例子。
圖3是示意性示出第二實施方案的燃料電池結(jié)構(gòu)的截面圖。除 了用電解質(zhì)層120代替電解質(zhì)層20之外，第二實施方案的燃料電 池具有與第一實施方案的燃料電池相似的結(jié)構(gòu)。相似的元件用相同
的附圖標(biāo)記表示，此處不具體解釋。圖3的放大截面圖只顯示電解 質(zhì)層120鄰近的區(qū)域。
在第二實施方案的燃料電池中，電解質(zhì)層120包括具有防凍蛋 白質(zhì)成分的含有防凍蛋白質(zhì)的層30、和不含防凍蛋白質(zhì)且布置為跨 越含有防凍蛋白質(zhì)的層30的一對不含防凍蛋白質(zhì)的層32。在第二 實施方案中使用的防凍蛋白質(zhì)可以是任意的如在第一實施方案中 記載的各種蛋白質(zhì)。
第二實施方案的燃料電池中包含的電解質(zhì)層120的一種制造方 法首先根據(jù)圖2的一般流程以與第一實施方案的電解質(zhì)層20相同 的方式提供含有防凍蛋白質(zhì)的層30。該制造方法隨后在含有防凍蛋 白質(zhì)的層30的相應(yīng)面上形成固體聚合物電解質(zhì)的不含防凍蛋白質(zhì) 的層32，以制備電解質(zhì)層120。例如，通過將在第一實施方案中用 于制備電解質(zhì)層20的離子交換聚合物材料的溶液施加到含有防凍 蛋白質(zhì)的層30的相應(yīng)面上，并干燥和固化所施加的溶液，可以形 成不含防凍蛋白質(zhì)的層32。
圖3中所示電解質(zhì)層120的另一制造方法獨(dú)立于含有防凍蛋白 質(zhì)的層30提供兩個不含防凍蛋白質(zhì)的固體聚合物電解質(zhì)膜作為一 對不含防凍蛋白質(zhì)的層32，并且使這對不含防凍蛋白質(zhì)的層32結(jié) 合到含有防凍蛋白質(zhì)的層30的相應(yīng)面上。電解質(zhì)層120的又一制 造方法提供兩個不含防凍蛋白質(zhì)的固體聚合物電解質(zhì)膜作為一對 不含防凍蛋白質(zhì)的層32，將防凍蛋白質(zhì)與離子交換材料混合以產(chǎn)生 離子導(dǎo)電糊，并且通過作為粘合劑的離子導(dǎo)電糊將這對不含防凍蛋 白質(zhì)的層32連接在一起。干燥并固化含有防凍蛋白質(zhì)的糊以在這 對不含防凍蛋白質(zhì)的層32之間形成含有防凍蛋白質(zhì)的層30。在形 成電解質(zhì)層120之后，在電解質(zhì)層120的相應(yīng)面上形成催化劑電極，
并且以與第一實施方案中相同的方式，跨越電解質(zhì)層120依次布置 一對氣體擴(kuò)散層23和24以及一對氣體分離器25和26,以完成燃 料電池組合件。
在第二實施方案的燃料電池中，電解質(zhì)層120包括具有防凍蛋 白質(zhì)成分的含有防凍蛋白質(zhì)的層30。甚至在低溫條件下啟動燃料電 池時，該結(jié)構(gòu)也有效地防止電解質(zhì)層120中所含的水結(jié)冰，并確保 平穩(wěn)啟動和連續(xù)發(fā)電。該結(jié)構(gòu)還有利地保護(hù)電解質(zhì)層120免受電解 質(zhì)層120中水結(jié)冰的損害。
D.第三實施方案
在第二實施方案的結(jié)構(gòu)中，含有防凍蛋白質(zhì)的層30位于電解質(zhì) 層120的中部。在一個變型方案中，可以在電解質(zhì)層的至少一個表 面上提供含有防凍蛋白質(zhì)的層。在下文中作為第三實施方案描述該 變型結(jié)構(gòu)的一個例子。圖4是示意性示出第三實施方案中燃料電池 結(jié)構(gòu)的截面圖。除了用具有不同布置的含有防凍蛋白質(zhì)的層30和 不含防凍蛋白質(zhì)的層32的電解質(zhì)層220代替電解質(zhì)層120之外， 第三實施方案的燃料電池具有與第二實施方案的燃料電池的結(jié)構(gòu) 類似的結(jié)構(gòu)。相似的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，此處不具體解釋。 與圖3類似，圖4的放大截面圖只顯示電解質(zhì)層220的鄰近區(qū)域。
在第三實施方案的燃料電池中，電解質(zhì)層220包括在一個不含 防凍蛋白質(zhì)的層32的相應(yīng)面上的含有防凍蛋白質(zhì)的層30。在第三 實施方案中使用的防凍蛋白質(zhì)可以是任意的在第一實施方案中記 栽的各種蛋白質(zhì)。
第三實施方案燃料電池中包含的電解質(zhì)層220的一種制造方法 首先提供不含防凍蛋白質(zhì)的層32?？梢愿鶕?jù)圖2 —般流程的某變型 方案來制備不含防凍蛋白質(zhì)的層32，例如通過從步驟S110中不加 入防凍蛋白質(zhì)獲得的只有含氟聚合物和離子交換材料的混合物形 成薄膜來制備，或者僅由離子交換材料形成薄膜來制備。制備不含 防凍蛋白質(zhì)的層32的另一工藝可以通過擠出來形成含氟聚合物材 料(例如四氟乙烯和含有氟代磺?；娜蚁┗训墓簿畚?的 薄膜，并且水解該共聚物的薄膜。制備不含防凍蛋白質(zhì)的層32的
另一工藝可以輻照含氟聚合物材料例如乙烯-四氟乙烯共聚物
(ETFE)的薄膜，以在整個聚合物薄膜中產(chǎn)生自由基并使得苯乙 烯基材料例如三氟苯乙烯(TFS)反應(yīng)，并且使薄膜磺化以獲得輻 射接枝聚合物膜。
可以采用多種方法的任一種來固定防凍蛋白質(zhì)，并在作為固體 聚合物電解質(zhì)膜的不含防凍蛋白質(zhì)的層32上形成含有防凍蛋白質(zhì) 的層30。一種可用的方法可以將防凍蛋白質(zhì)與恰當(dāng)選擇的光敏樹脂 (光聚合劑)混合、將該混合物施加到不含防凍蛋白質(zhì)的層32上、 和利用激光或X射線固化該光敏樹脂以形成含有防凍蛋白質(zhì)的層 30。應(yīng)通過考慮防凍蛋白質(zhì)的存在對整個電解質(zhì)層220的總離子電 導(dǎo)率的影響，確定合適的光敏樹脂的選擇和所得的含有防凍蛋白質(zhì) 的層30的厚度設(shè)定。另一種可用的方法可以將防凍蛋白質(zhì)與離子 交換材料混合以獲得漿，將該漿施加到不含防凍蛋白質(zhì)的層32上， 并且干燥和固化所述漿以在不含防凍蛋白質(zhì)的層32上形成含有防 凍蛋白質(zhì)的層30。
圖4所示電解質(zhì)層220的另一制造方法獨(dú)立于不含防凍蛋白質(zhì) 的層32提供兩個含有防凍蛋白質(zhì)的固體聚合物電解質(zhì)膜作為一對 含有防凍蛋白質(zhì)的層30，并且將這對含有防凍蛋白質(zhì)的層30結(jié)合 到不含防凍蛋白質(zhì)的層32的相應(yīng)面上。電解質(zhì)層220的又一制造 方法根據(jù)圖2的一般流程提供兩個含有防凍蛋白質(zhì)的固體聚合物電 解質(zhì)膜作為一對含有防凍蛋白質(zhì)的層30，提供離子交換材料的離子 導(dǎo)電糊，并且通過作為粘合劑的離子導(dǎo)電糊將這對含有防凍蛋白質(zhì) 的層30連接在一起。干燥并固化離子導(dǎo)電糊以在這對含有防凍蛋 白質(zhì)的層30之間形成不含防凍蛋白質(zhì)的層32，并獲得電解質(zhì)層 220。在形成電解質(zhì)層220之后，在電解質(zhì)層220的相應(yīng)面上形成 催化劑電極，并且以與第一實施方案和第二實施方案相同的方式， 跨越電解質(zhì)層220依次布置一對氣體擴(kuò)散層23和24以及一對氣體 分離器25和26，以完成燃料電池組合件。
在第三實施方案的燃料電池結(jié)構(gòu)中，電解質(zhì)層220包括具有防 凍蛋白質(zhì)成分的含有防凍蛋白質(zhì)的層30,并因此具有與上述第一實 施方案和第二實施方案類似的效果。
E.其它方面
上述實施方案在所有方面都應(yīng)視為舉例說明性的，而不是限制 性的。不背離本發(fā)明主要特征的范圍或精神，可以存在許多修改、 變化和替代。下面給出一些可能的變化方案的例子。
(1) 在第一至第三實施方案的燃料電池中，采用含氟聚合物作 為電解質(zhì)層的聚合物電解質(zhì)材料。然而，含氟聚合物不是必需的， 電解質(zhì)層可由烴聚合物電解質(zhì)材料制成。在濕狀態(tài)下具有吸水性能 和離子電導(dǎo)率的烴聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)層中的防凍蛋 白質(zhì)成分具有與上述那些相似的效果。
(2) 在第二實施方案和第三實施方案的燃料電池中，電解質(zhì)層 具有含有防凍蛋白質(zhì)的層30和不含防凍蛋白質(zhì)的層32的三層結(jié) 構(gòu)。然而，該三層結(jié)構(gòu)不是必需的，電解質(zhì)層可以具有不同數(shù)量的 層，所述層可以在防凍蛋白質(zhì)或電解質(zhì)方面具有不同的特性。不同 的特性可以為例如存在或不存在防凍蛋白質(zhì)、防凍蛋白質(zhì)的含量和 防凍蛋白質(zhì)的類型，以及電解質(zhì)的類型，即聚合物電解質(zhì)材料的類 型(例如含氟聚合物或烴聚合物)。電解質(zhì)層的各層可以包括通過 不同技術(shù)制備的聚合物電解質(zhì)(例如，具有通過接枝聚合引入的磺 酸基團(tuán)的聚合物、具有通過所選定共聚物的水解引入的磺酸基團(tuán)的 聚合物、和在將磺酸基團(tuán)引入到聚合物材料中之后形成為薄膜的聚 合物或具有在聚合物材料形成為薄膜之后引入的磺酸基團(tuán)的聚合 物)。多個層的層狀結(jié)構(gòu)不是必需的，可以將電解質(zhì)層在電解質(zhì)層 的平面上分成多個區(qū)域。這些多個區(qū)域也可以在防凍蛋白質(zhì)或電解 質(zhì)方面具有不同的特性。
在將電解質(zhì)層分成具有不同特性的多個區(qū)域的結(jié)構(gòu)中，例如， 與其它區(qū)域中的防凍蛋白質(zhì)的含量相比，可以增加期望通過加入防 凍蛋白質(zhì)而具有更強(qiáng)效果的特定區(qū)域中的防凍蛋白質(zhì)含量。這種布 置確保整個電解質(zhì)層具有足夠的防凍效果，同時限制防凍蛋白質(zhì)的 存在對電解質(zhì)層的強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率的影響。根據(jù)這些區(qū)域的局部 環(huán)境，各個區(qū)域可以具有不同的電解質(zhì)特性，例如離子電導(dǎo)率、強(qiáng) 度、耐熱性、抗氧化性、和抗水解性。這種布置有利地增強(qiáng)整個電 解質(zhì)層的性能。
(3)本發(fā)明的原理不限于圖1中顯示的燃料電池的結(jié)構(gòu)，也可適 用于具有任何其它合適結(jié)構(gòu)的燃料電池。例如，可以用具有平坦表面 的氣體分離器代替具有凹凸結(jié)構(gòu)以限定單電池內(nèi)氣體流動路徑的氣體 分離器。在這種變型結(jié)構(gòu)中，提供類似于氣體擴(kuò)散層23和24的具有 透氣性的導(dǎo)電多孔膜作為每個電極和氣體分離器的組合之間的氣體流 動路徑形成構(gòu)件。在導(dǎo)電多孔膜內(nèi)形成的腔形成單電池內(nèi)的氣體流動 路徑。電解質(zhì)層中防凍蛋白質(zhì)的存在確保與上述具有氣體擴(kuò)散層和氣 體分離器的各種布置的任何結(jié)構(gòu)的燃料電池中的那些效果類似的效 果。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其包括離子導(dǎo)電電解質(zhì)層，該離子導(dǎo)電電解質(zhì)層插在一對電極之間并構(gòu)建為包含聚合物電解質(zhì)和防止由液態(tài)水生長為冰晶體的防凍蛋白質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述防凍蛋白質(zhì)基本均勻 地分散在所述電解質(zhì)層中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述防凍蛋白質(zhì)存在于作 為所述電解質(zhì)層的分區(qū)的多個區(qū)域中的特定區(qū)域中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中所述特定區(qū)域是作為平行于 所述電解質(zhì)層的平面劃分的所述電解質(zhì)層的分區(qū)的層狀區(qū)域.
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中所述特定區(qū)域是在所述電解 質(zhì)層的平面上劃分的所述電解質(zhì)層的多個分區(qū)中的分區(qū)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述電解質(zhì)層包括具有不同 含量的所述防凍蛋白質(zhì)的多個層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述電解質(zhì)層包括具有不同 類型的所述防凍蛋白質(zhì)的多個層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的燃料電池，其中所述電解質(zhì)層的各個層 由具有不同特性的電解質(zhì)制成。
全文摘要
一種燃料電池，其包括插在電極之間的離子導(dǎo)電型電解質(zhì)層(20)。該離子導(dǎo)電型電解質(zhì)層(20)包含聚合物電解質(zhì)和防止由液態(tài)水生長冰晶體的防凍蛋白質(zhì)。
文檔編號H01M8/02GK101341615SQ20068004800
公開日2009年1月7日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者吉年信雄 申請人:豐田自動車株式會社