專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池。
背景技術(shù)：
通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的燃料電池作為能量源已經(jīng)引 起關(guān)注。這種燃料電池的一個示例是高分子電解質(zhì)燃料電池，其使用高分 子電解質(zhì)膜作為電解質(zhì)膜。在該高分子電解質(zhì)燃料電池中，為了獲得期望 的發(fā)電性能，需要調(diào)節(jié)電解質(zhì)膜的膜濕度，以維持合適的質(zhì)子傳導(dǎo)性。為 此，在高分子電解質(zhì)燃料電池中，需要在發(fā)電過程期間對電解質(zhì)膜加濕。 而且，為了使發(fā)電性能在電池單元的平面中均勻，還需要維持在電解質(zhì)膜 的平面上的均勻濕度。
對供應(yīng)至陰極的氧化劑氣體進(jìn)行加濕的加濕器已經(jīng)被用于對高分子電 解質(zhì)燃料電池的電解質(zhì)膜進(jìn)行加濕。加濕器的使用已經(jīng)造成燃料電池系統(tǒng) 尺寸的增大。近年來，已經(jīng)提出了一種技術(shù)，其中在發(fā)電期間通過上述電 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水在燃料電池內(nèi)再循環(huán)，以在不使用加濕器的情況下對氧
化劑氣體和電解質(zhì)膜加濕(例如，見日本專利申請公開No. 2002-42844 (JP-A-2002-42844))。此后，將通過在發(fā)電期間產(chǎn)生的水在燃料電池內(nèi) 的再循環(huán)來對氧化劑氣體、燃料氣體或電解質(zhì)膜進(jìn)行加濕的操作稱為"自 加濕"。
日本專利申請公開No. 2002-42844 (JP-A-2002-42844)中所述的技術(shù) 能夠進(jìn)行氧化劑氣體的自加濕。根據(jù)此技術(shù)，由水對氧化劑氣體加濕，并 且這樣加濕的氧化劑氣體用于對電解質(zhì)膜加濕。但是，此技術(shù)不能對電解 質(zhì)膜在氧化劑氣體流動方向上的上游側(cè)提供充分加濕。因此在電解質(zhì)膜的 平面中發(fā)生濕度的較大波動。這種濕度的波動不僅發(fā)生在氧化劑氣體側(cè)， 而且還發(fā)生在燃料氣體側(cè)。這是因為在陰極產(chǎn)生的水還可以通過電解質(zhì)膜傳送到陽極。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在高分子電解質(zhì)燃料電池中提供了對電解質(zhì)膜的自加濕并在電 解質(zhì)膜的平面中均勻地分布濕度。
本發(fā)明的第一方面提供了一種燃料電池，其具有在兩側(cè)均由隔離器支 撐的膜電極組件，所述膜電極組件具有分別接合到高分子電解質(zhì)膜的表面 的陽極和陰極。所述燃料電池包括陽極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陽極 與所述隔離器之間，并將包含氫的燃料氣體供應(yīng)到所述陽極；以及陰極側(cè) 氣體流路，其設(shè)置在所述陰極與所述隔離器之間，并將包含氧的氧化劑氣 體供應(yīng)到所述陰極。所述陰極側(cè)氣體流路被形成為使得所述氧化劑氣體沿 著與作用在發(fā)電期間通過所述燃料氣體中包含的氫與所述氧化劑氣體中包 含的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而在所述陰極處產(chǎn)生的水上的外力的方向大體相 反的方向流動，并且使得所述陰極側(cè)氣體流路的所述氧化劑氣體的流動方 向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性。可以通過對所述陰極側(cè)氣體流 路的所述氧化劑氣體的流動方向上的上游側(cè)施加疏水處理，使得所述氧化 劑氣體的流動方向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性。
一般而言，在燃料電池中，趨于在電解質(zhì)膜的上游側(cè)(即，氧化劑氣 體的入口側(cè))發(fā)生干燥。因此，在膜電極組件的下游側(cè)的發(fā)電量和產(chǎn)生的 水量趨于大于在膜電極組件的上游側(cè)的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。
根據(jù)本發(fā)明，陰極側(cè)氣體流路的氧化劑氣體流動方向的下游側(cè)的親水 性高于上游側(cè)的親水性。因此，發(fā)電期間在膜電極組件的下游側(cè)產(chǎn)生的水 被陰極側(cè)氣體流路的下游側(cè)的區(qū)域(其具有較高的親水性)吸引并保持。 因為陰極側(cè)氣體流路被形成為使得氧化劑氣體沿著與施加在水上的外力 (例如，重力)大體相反的方向流動，所以水由于此外力而與氧化劑氣體 的流動相逆地向陰極側(cè)氣體流路的上游側(cè)流動。因為陰極側(cè)氣體流路被形 成為使得陰極側(cè)氣體流路的氧化劑氣體流動方向的上游側(cè)的疏水性較高， 所以已經(jīng)移動至上游側(cè)的水被排斥并向膜電極組件的氧化劑氣體流動方向 的上游側(cè)的表面移動，由此使得可以對電解質(zhì)膜的上游側(cè)(其易于干燥)
8進(jìn)行加濕。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過使液體在燃料電池內(nèi)再循環(huán)，可以實 現(xiàn)電解質(zhì)膜的自加濕，并維持電解質(zhì)膜平面中均勻的濕度分布。
在上述燃料電池中，所述陰極側(cè)氣體流路可以被形成為使得在所述氧 化劑氣體的流動方向的上游側(cè)，所述隔離器的上游側(cè)部分與所述隔離器和 所述陰極的邊界部分重疊的部分的親水性高于所述隔離器的所述上游側(cè)部 分的其它部分的親水性。
因此，已經(jīng)由于外力向氧化劑氣體流動方向的上游側(cè)移動的水可以被 容易地引入到該邊界，并向膜電極組件移動。
在上述任一種燃料電池中，所述陰極側(cè)氣體流路可以是形成在所述隔 離器的與所述陰極接觸的表面中的槽。此外，所述陰極側(cè)氣體流路可以形 成在金屬多孔構(gòu)件中。
在前一情況下，可以通過例如向形成在隔離器的與陰極接觸的表面中 的槽涂覆親水劑或疏水劑的涂層，來形成如上所述設(shè)定的親水性和疏水性 的陰極側(cè)氣體流路。如果陰極側(cè)氣體流路形成在金屬多孔構(gòu)件中，則可以 例如通過用親水劑或疏水劑注入金屬多孔構(gòu)件來形成陰極側(cè)氣體流路的親 水性和疏水性。
在上述任一種燃料電池中，所述陽極側(cè)氣體流路可以被形成為使得所 述燃料氣體沿著與所述外力的方向大體相同的方向流動。
在此情況下，如上所述，在燃料電池中趨于氧化劑氣體流動方向的上 游側(cè)(氧化劑氣體的入口側(cè))的電解質(zhì)膜中發(fā)生干燥。因此，在氧化劑氣 體流動方向的下游側(cè)的膜電極組件中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量趨于大于在氧 化劑氣體流動方向的上游側(cè)的膜電極組件中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。此 外，在陰極處產(chǎn)生水，并且該水還通過電解質(zhì)膜傳送至陽極。因此，傳送 至陽極的水量也趨于在氧化劑氣體流動方向的下游側(cè)(即，燃料氣體流動 方向的上游側(cè))比在氧化劑氣體流動方向的上游側(cè)(即，燃料氣體流動方 向的下游側(cè))大。
當(dāng)陽極側(cè)氣體流路被形成為使得燃料氣體沿著與外力的方向大體相同 的方向流動時，在發(fā)電時氧化劑氣體流動方向的下游側(cè)的膜電極組件的陰 極處產(chǎn)生并通過電解質(zhì)傳送到陽極的水可以借助于上述外力和燃料氣流動兩者從膜電極組件的燃料氣體流動方向的上游側(cè)的表面向膜電極組件的燃 料氣體流動方向的下游側(cè)的表面移動。因此，從陽極側(cè)對氧化劑氣體流動 方向的上游側(cè)的膜電極組件(其易于干燥)進(jìn)行加濕。
所述陽極側(cè)氣體流路還可以被形成為使得所述燃料氣體沿著與所述 外力的方向大體相反的方向流動，并且所述燃料氣體的流動方向的下游側(cè) 的親水性高于上游側(cè)的親水性。
因此，在發(fā)電期間在膜電極組件的氧化劑氣體流動方向的下游側(cè)的陰 極處產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜傳送至陽極的水被陽極側(cè)氣體流路的燃料氣體流 動方向的下游側(cè)的區(qū)域(其具有較高親水性)吸引并保持。因為陽極側(cè)氣 體流路被形成為使得燃料氣體沿著與施加在水上的外力(例如，重力)的 方向大體相反的方向流動，所以水由于此外力與燃料氣體的流動相逆地向 燃料氣體流動方向的上游側(cè)移動。因為陽極側(cè)氣體流路被形成為使得燃料 氣體流動方向的上游側(cè)的疏水性較高，所以已經(jīng)移動至燃料氣體流動方向 的上游側(cè)的水被排斥并向膜電極組件的燃料氣體流動方向的上游側(cè)的表面 移動。由此使得可以從陽極側(cè)對氧化劑氣體流動方向的上游側(cè)的電解質(zhì)膜 (其易于干燥)進(jìn)行加濕。
在上述燃料電池中，所述陽極側(cè)氣體流路可以被形成為使得在所述燃 料氣體的流動方向的上游側(cè)，所述隔離器的上游側(cè)部分與所述隔離器和所 述陽極的邊界部分重疊的部分的親水性高于所述隔離器的所述上游側(cè)部分 的其它部分的親水性。
因此，已經(jīng)由于外力移動至燃料氣體流動方向的上游側(cè)的水易于被引 入該邊界并向膜電極組件移動。
在上述燃料電池中，所述陽極側(cè)氣體流路可以是形成在所述隔離器的 與所述陽極接觸的表面中的槽。此外，所述陽極側(cè)氣體流路可以形成在金 屬多孔構(gòu)件中。
在前一情況下，可以通過例如向形成在隔離器的與陽極接觸的表面中 的槽涂覆親水劑或疏水劑的涂層，來形成如上所述設(shè)定親水性和疏水性的 陽極側(cè)氣體流路。如果陽極側(cè)氣體流路形成在金屬多孔構(gòu)件中，則可以例 如通過用親水劑或疏水劑注入金屬多孔構(gòu)件來形成陽極側(cè)氣體流路的親水
10性和疏水性。
本發(fā)明的第二方面涉及一種燃料電池，其具有在兩側(cè)均由隔離器支撐 的膜電極組件，所述膜電極組件具有分別接合到高分子電解質(zhì)膜的相反表 面的陽極和陰極，所述燃料電池包括陽極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陽 極與所述隔離器之間，并將包含氫的燃料氣體供應(yīng)到所述陽極；以及陰極 側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陰極與所述隔離器之間，并將包含氧的氧化劑 氣體供應(yīng)到所述陰極。所述陽極側(cè)氣體流路被形成為使得所述燃料氣體沿 著與作用在發(fā)電期間通過所述燃料氣體中包含的氫與所述氧化劑氣體中包 含的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而在所述陰極處產(chǎn)生的水上的外力的方向大體相 反的方向流動，并且使得所述陽極側(cè)氣體流路的所述燃料氣體的流動方向 的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性?？梢酝ㄟ^對所述陽極側(cè)氣體流路 的燃料氣體的流動方向的上游側(cè)施加疏水處理，使得燃料氣體的流動方向 的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性。
如上所述，在陰極處產(chǎn)生水，并且該水還通過電解質(zhì)膜傳送至陽極。 根據(jù)本發(fā)明，陽極側(cè)氣體流路被形成為使得燃料氣體流動方向的下游 側(cè)的親水性較高。因此，發(fā)電時在膜電極組件的燃料氣體流動方向的下游 側(cè)產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜傳送至陽極的水被陽極側(cè)氣體流路的燃料氣體流動 方向的下游側(cè)的區(qū)域(其具有較高的親水性)吸引并保持。因為陽極側(cè)氣 體流路被形成為使得燃料氣體沿著與施加在水上的外力(例如，重力)大 體相反的方向流動，所以水由于此外力而與燃料氣體的流動相逆地向燃料 氣體流動方向的上游側(cè)流動。因為陽極側(cè)氣體流路被形成為使得燃料氣體 流動方向的上游側(cè)的疏水性較高，所以已經(jīng)移動至燃料氣體流動方向的上 游側(cè)的水被排斥并向膜電極組件的燃料氣體流動方向的上游側(cè)的表面移 動，由此使得可以從陽極側(cè)對燃料氣體流動方向的上游側(cè)的電解質(zhì)膜(其 易于干燥)進(jìn)行加濕。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過使液態(tài)水在燃料電池內(nèi)再 循環(huán)，可以實現(xiàn)電解質(zhì)膜的自加濕，并維持電解質(zhì)膜的平面中均勻的濕度 分布。
在上述燃料電池中，所述陽極側(cè)氣體流路可以被形成為使得在所述燃 料氣體的流動方向的上游側(cè)，與所述陽極的邊界部分的親水性高于上游側(cè)部分的其它部分的親水性。
因此，己經(jīng)由于外力向燃料氣體流動方向的上游側(cè)移動的水可以被容 易地引入到該邊界，并向膜電極組件移動。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，所述陽極側(cè)氣體流路可以是形成在所述隔離 器的與所述陽極接觸的表面中的槽。此外，所述陽極側(cè)氣體流路可以形成 在金屬多孔構(gòu)件中。
在前一情況下，可以通過例如向形成在隔離器的與陽極接觸的表面中 的槽涂覆親水劑或疏水劑的涂層，來形成如上所述設(shè)定親水性和疏水性的 陽極側(cè)氣體流路。如果陽極側(cè)氣體流路形成在金屬多孔構(gòu)件中，則可以例 如通過用親水劑或疏水劑注入金屬多孔構(gòu)件來形成陽極側(cè)氣體流路的親水 性和疏水性。
應(yīng)該注意，在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的燃料電池中，所述陰極側(cè)氣體 流路優(yōu)選地被形成為使得所述氧化劑氣體沿著與所述外力的方向大體相反 的方向流動
因此，由于氧化劑氣體的流動引起力沿著與外力的方向大體相反的方 向施加在陰極處產(chǎn)生的水上。因此，可以通過外力使水沿著外力的方向移 動，以用于對電解質(zhì)膜加濕，并且可以通過氧化劑氣體的流動降低水沿著 外力方向移動的速度。因而可以防止水在未被用于電解質(zhì)膜的加濕的情況 下從膜電極組件的陰極表面排出。
在根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的燃料電池中，所述外力的方向可以 是重力方向。
因此，可以在重力施加在水上并且水容易沿著重力方向移動的環(huán)境 下，對電解質(zhì)膜進(jìn)行自加濕，并可以在電解質(zhì)膜的平面方向上均勻地分布 濕度。
除了上述燃料電池之外，本發(fā)明還可以構(gòu)造為包括燃料電池的燃料電 池系統(tǒng)。


參照附圖，從以下對示例性實施例的描述，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點將變得清楚，附圖中相似標(biāo)記用于表示相似元件，并且其中
圖1A和1B是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池100
的剖視結(jié)構(gòu)的解釋圖2A和2B是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的燃料電池
IOOA的剖視結(jié)構(gòu)的解釋圖3A和3B是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的燃料電池 IOOB的剖視結(jié)構(gòu)的解釋圖4是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的燃料電池100C的剖 視結(jié)構(gòu)的解釋圖；以及
圖5示出了包括根據(jù)第一實施例的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。
具體實施例方式
將以如下順序基于實施例對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明A.第一實施
例；B.第二實施例；C.第三實施例；D.第四實施例；E.修改方案。
A.第一實施例
圖1A和1B是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池100 的剖視結(jié)構(gòu)的解釋圖；圖1A是從與燃料電池100中的氣體流動的方向平 行的方向觀察的剖視圖，并且圖1B是沿著圖1A的線IB-IB所取的剖視 圖。
通過將陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130分別接合到膜 電極組件IIO的相反表面，并將得到的結(jié)構(gòu)支撐在陰極側(cè)隔離器140與陽 極側(cè)隔離器150之間，來形成燃料電池IOO。
膜電極組件110具有分別接合到具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的電解質(zhì)膜112的表 面的陰極側(cè)催化劑層114和陽極側(cè)催化劑層116。在此實施例中，諸如 Nafiori (注冊商標(biāo))之類的高分子電解質(zhì)膜用作電解質(zhì)膜112。陰極側(cè)催 化劑層114和陽極側(cè)催化劑層116攜帶了促進(jìn)氫和氧之間電化學(xué)反應(yīng)的催 化劑。陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130分別接合到陰極側(cè) 催化劑層114和陽極側(cè)催化劑層116的表面。陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120使向 陰極側(cè)催化劑層114供應(yīng)的空氣擴(kuò)散。陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130使向陽極側(cè)催化劑層116供應(yīng)的氫擴(kuò)散。陰極側(cè)催化劑層114和陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層
120的每個用作陰極，陽極側(cè)催化劑層116和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130的每
個用作陽極。
作為燃料氣體的氫和作為氧化劑氣體的包含氧的空氣分別向膜電極組
件110的陽極和陰極供應(yīng)，并通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。此時， 陰極側(cè)催化劑層114中通過陰極反應(yīng)產(chǎn)生水。應(yīng)該注意，在陰極處產(chǎn)生的 水還通過電解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116。
圖5示出了包括上述燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。氫從氫罐經(jīng)由管路2 向燃料電池100供應(yīng)。使用泵將空氣經(jīng)由管路4向燃料電池100供應(yīng)。作 為氧化劑氣體的氧氣可以從氧罐向燃料電池100供應(yīng)。
根據(jù)此實施例的燃料電池100是將固體高分子電解質(zhì)膜用作電解質(zhì)膜 112的高分子電解質(zhì)燃料電池。因此，為了獲得預(yù)定的發(fā)電性能，需要調(diào) 節(jié)電解質(zhì)膜112的濕度，以維持合適的質(zhì)子傳導(dǎo)性。因此，根據(jù)此實施例 的燃料電池IOO使水以液態(tài)在燃料電池100內(nèi)再循環(huán)，以對電解質(zhì)膜112 進(jìn)行自加濕。以下將說明用于實現(xiàn)此自加濕的構(gòu)造。
如圖1A所示，布置在膜電極組件110的陰極側(cè)的陰極側(cè)隔離器140 具有形成在與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120接觸的表面中的槽142。槽142形成 了空氣在其中流動的氣體流路。槽142可以視為根據(jù)本發(fā)明的陰極側(cè)氣體 流路。布置在膜電極組件IIO的陽極側(cè)的陽極側(cè)隔離器150具有形成在與 陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130接觸的表面中的槽152。槽152形成了氫在其中流 動的氣體流路。槽152可以視為根據(jù)本發(fā)明的陽極側(cè)氣體流路。
如圖1B所示，陰極側(cè)隔離器140中的槽142被形成為使得空氣沿著 與重力相反的方向(即，從下向上)流動。對槽142的表面進(jìn)行表面處 理。具體而言，對槽142的空氣流動方向的下游區(qū)域142L施加親水處理 作為表面處理，而對槽142的空氣流動方向的上游區(qū)域142U施加疏水處 理。在此實施例中，對槽142的空氣流動方向的中游區(qū)域142M未施加表 面處理。即，槽142被形成為使得空氣流動方向的下游側(cè)的親水性高于上 游側(cè)的親水性。在槽142的空氣流動方向的上游區(qū)域，對陰極側(cè)隔離器 140與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120的上游側(cè)邊界部分142UB施加親水處理作為
14表面處理。應(yīng)該注意，在此實施例中，分別通過用親水劑和疏水劑對槽 142的表面進(jìn)行涂覆來施加上述親水處理和疏水處理。在槽142中，施加 上述表面處理的區(qū)域的面積，或者親水性和疏水性的程度可以根據(jù)燃料電
池100的發(fā)電性能等以任意方式設(shè)定。
通過以上述方式在陰極側(cè)隔離器140中形成槽142，在陰極側(cè)催化劑 層114中產(chǎn)生的水如下所述移動(見圖1B中的空白箭頭)。應(yīng)該注意， 一般而言，在燃料電池100中，趨于在電解質(zhì)膜112的上游側(cè)發(fā)生干燥。 因此，在空氣流動方向的下游側(cè)的膜電極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水 量趨于大于在空氣流動方向的上游側(cè)的膜電極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生 的水量。
在根據(jù)此實施例的燃料電池100中，陰極側(cè)隔離器140中的槽142被 形成為使得空氣流動方向的下游側(cè)的親水性較高。因此，發(fā)電時在空氣流 動方向的下游側(cè)的膜電極組件110中產(chǎn)生的水被槽142的具有較高親水性 的下游區(qū)域142L吸引并保持。因為槽142被形成為使得空氣沿著與重力 的方向相反的方向流動，所以水由于重力而與空氣流動相逆地從下游區(qū)域 142L通過中游區(qū)域142M向上游區(qū)域142U流動。因為槽142被形成為使 得空氣流動方向的上游側(cè)的疏水性較高，所以已經(jīng)移動到上游區(qū)域142U 的水被排斥并引入具有較高親水性的上游側(cè)邊界部分142UB，并進(jìn)一步通 過陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陰極側(cè)催化劑層114向膜電極組件110的位于 上游側(cè)的表面移動，由此可以對電解質(zhì)膜112的易于干燥的上游側(cè)進(jìn)行加 濕。
另一方面，如圖1B所示，陽極側(cè)隔離器150中的槽152被形成為使 得氫沿著與重力相同的方向(即，從上向下)流動。應(yīng)該注意，在此實施 例中，對陰極側(cè)隔離器140中的槽142的表面施加的表面處理(即，親水 處理和疏水處理)并未對陽極側(cè)隔離器150中的槽152施加。
通過以上述方式在陽極側(cè)隔離器150中形成槽152，在陰極側(cè)催化劑 層114中產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水借助于 重力和氫流動兩者向氫流動方向的下游側(cè)移動，即，向膜電極組件110的 空氣流動方向的上游側(cè)的表面移動。因此從陽極側(cè)對電解質(zhì)膜的易于干燥的上游側(cè)進(jìn)行加濕。
根據(jù)如上所述的第一實施例的燃料電池100，通過使液態(tài)的水在燃料 電池100內(nèi)再循環(huán)，可以對電解質(zhì)膜112進(jìn)行自加濕，并維持電解質(zhì)膜
112的平面中濕度的均勻分布。 B.第二實施例
圖2A和2B是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的燃料電池 100A的剖視結(jié)構(gòu)的解釋圖。圖2A是從與燃料電池100A中的氣體流動的 方向平行的方向觀察的剖視圖，并且圖2B是沿著圖2A的線IIB-IIB所取 的剖視圖。
如同根據(jù)第一實施例的燃料電池100，通過將陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120 和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130分別接合到膜電極組件IIO的表面，并將得到的 結(jié)構(gòu)支撐在陰極側(cè)隔離器140A與陽極側(cè)隔離器150A之間，來形成燃料電 池IOOA。
因為膜電極組件110、陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層 130分別與第一實施例中的膜電極組件110、陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽 極側(cè)氣體擴(kuò)散層130相同，所以將不再重復(fù)其說明。
現(xiàn)在，將描述用于實現(xiàn)燃料電池100A中的電解質(zhì)膜112的自加濕的 構(gòu)造。
如圖2A所示，布置在膜電極組件110的陰極側(cè)的陰極側(cè)隔離器140A 具有形成在與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120接觸的表面中的槽142。槽142形成 了空氣在其中流動的氣體流路。槽142可以視為根據(jù)本發(fā)明的陰極側(cè)氣體 流路。布置在膜電極組件110的陽極側(cè)的陽極側(cè)隔離器150A具有形成在 與陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130接觸的表面中的槽152。槽152形成了氫在其中 流動的氣體流路。槽152可以視為根據(jù)本發(fā)明的陽極側(cè)氣體流路。
如圖2B所示，陰極側(cè)隔離器140A中的槽142被形成為使得空氣沿著 與重力方向相反的方向(即，從下向上)流動。應(yīng)該注意，與第一實施例 中的陰極側(cè)隔離器140不同，對槽142的表面并未施加表面處理(即，親 水處理和疏水處理)。
在燃料電池100A中，趨于在電解質(zhì)膜112的上游側(cè)發(fā)生干燥。因此，在下游側(cè)的膜電極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量趨于變成大于在 上游側(cè)的膜電極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。
在燃料電池100A中，在陰極側(cè)隔離器140A中形成槽142，使得空氣 沿著與重力方向相反的方向(即，從下向上)流動。因此，由于空氣的流 動，方向與重力的方向大體相反的力施加在陰極側(cè)催化劑層114中產(chǎn)生的 水上，并且重力也施加在水上。因此水被重力向下拉，以用于電解質(zhì)膜 112的加濕，并且通過空氣的流動降低了水沿著重力方向移動的速度。因 而可以防止水在未用于電解質(zhì)膜112的加濕的情況下從膜電極組件110的 陰極表面排出。
另一方面，如圖2B所示，陽極側(cè)隔離器150A中的槽152也被形成為 使得氫沿著與重力方向相反的方向(即，從下向上)流動。對槽152的表 面施加表面處理。具體而言，對槽152的氫流動方向的下游區(qū)域152L施 加親水處理作為表面處理，而對槽152的氫流動方向的上游區(qū)域152U施 加疏水處理。在此實施例中，對槽152的氫流動方向的中游區(qū)域152M未 施加表面處理。即，槽152被形成為使得氫流動方向的下游側(cè)的親水性高 于上游側(cè)的親水性，并且上游側(cè)的疏水性高于下游側(cè)的疏水性。在槽152 的氫流動方向的上游區(qū)域，對陽極側(cè)隔離器150A與陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層 130的上游側(cè)邊界部分152UB施加親水處理。應(yīng)該注意，在此實施例中， 分別通過用親水劑和疏水劑對槽152的表面進(jìn)行涂覆來施加上述親水處理 和疏水處理。在槽152中，施加上述表面處理的區(qū)域的面積，或者親水性 和疏水性的程度可以根據(jù)燃料電池100A的發(fā)電性能等以任意方式設(shè)定。
通過以上述方式在陽極側(cè)隔離器150A中形成槽152，在陰極側(cè)催化 劑層114中產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水如下 所述移動(見圖2B中的空白箭頭)。應(yīng)該注意，如上所述，在燃料電池 IOOA中，趨于在電解質(zhì)膜112的上游側(cè)發(fā)生干燥。因此，在下游側(cè)的膜電 極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量趨于大于在上游側(cè)的膜電極組件110 中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。因此，傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水量在空 氣流動方向(即，氫流動方向)的下游側(cè)也趨于大于上游側(cè)。
在根據(jù)此實施例的燃料電池100A中，陽極側(cè)隔離器150A中的槽152被形成為使得氫流動方向的下游側(cè)的親水性較高。因此，發(fā)電時在空氣流 動方向的下游側(cè)的膜電極組件110的陰極側(cè)催化劑層114中產(chǎn)生并通過電
解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水被槽152的具有較高親水性的 下游區(qū)域152L吸引并保持。因為槽152被形成為使得氫沿著與重力方向 的方向相反的方向流動，所以水由于重力而與氫流動相逆地從下游區(qū)域 152L通過中游區(qū)域152M向上游區(qū)域152U流動。因為槽152被形成為使 得氫流動方向的上游側(cè)的疏水性較高，所以已經(jīng)移動到上游區(qū)域152U的 水被排斥并引入具有較高親水性的上游側(cè)邊界部分152UB，并進(jìn)一步通過 陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層130和陽極側(cè)催化劑層116向膜電極組件IIO的上游側(cè) 的表面移動。由此可以從陽極側(cè)對電解質(zhì)膜112的易于干燥的上游側(cè)進(jìn)行 加濕。
根據(jù)如上所述的第二實施例的燃料電池IOOA，通過使液態(tài)的水在燃 料電池100A內(nèi)再循環(huán)，可以實現(xiàn)電解質(zhì)膜112的自加濕，并維持電解質(zhì) 膜112的平面中濕度的均勻分布。
C.第三實施例
圖3A和3B是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的燃料電池 100B的剖視結(jié)構(gòu)的解釋圖。圖3A是從與燃料電池100B中的氣體流動的 方向平行的方向觀察的剖視圖，并且圖3B是沿著圖3A的線IIIB-IIIB所
取的剖視圖。
如同根據(jù)第一實施例的燃料電池100，通過將陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120 和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130分別接合到膜電極組件IIO的表面，并將得到的 結(jié)構(gòu)支撐在陰極側(cè)隔離器140B與陽極側(cè)隔離器150B之間，來形成燃料電 池IOOB。
因為膜電極組件110、陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層 130分別與第一實施例中的膜電極組件110、陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽 極側(cè)氣體擴(kuò)散層130相同，所以將不再重復(fù)其說明。
現(xiàn)在，將描述用于實現(xiàn)燃料電池100B中的電解質(zhì)膜112的自加濕的 構(gòu)造。
如圖3A所示，布置在膜電極組件110的陰極側(cè)的陰極側(cè)隔離器140B
18具有形成在與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120接觸的表面中的槽142。槽142形成 了空氣在其中流動的氣體流路。槽142可以視為根據(jù)本發(fā)明的陰極側(cè)氣體 流路。布置在膜電極組件110的陽極側(cè)的陽極側(cè)隔離器150B具有形成在 與陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130接觸的表面中的槽152。槽152形成了氫在其中 流動的氣體流路。槽152可以視為根據(jù)本發(fā)明的陽極側(cè)氣體流路。
如圖3B所示，陰極側(cè)隔離器140B中的槽142被形成為使得空氣沿著 與重力方向相反的方向(即，從下向上)流動。對槽142的表面施加與對 第一實施例的陰極側(cè)隔離器140所施加的表面處理相同的表面處理。具體 而言，對槽142的空氣流動方向的下游區(qū)域142L施加親水處理作為表面 處理，而對槽142的空氣流動方向的上游區(qū)域142U施加疏水處理。在此 實施例中，對槽142的空氣流動方向的中游區(qū)域142M未施加表面處理。 即，槽142被形成為使得空氣流動方向的下游側(cè)的親水性高于在上游側(cè)的 親水性。在槽142的空氣流動方向的上游區(qū)域，對陰極側(cè)隔離器140B與 陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120的上游側(cè)邊界部分142UB施加親水處理作為表面處 理。
通過以上述方式在陰極側(cè)隔離器140B中形成槽142，在陰極側(cè)催化劑 層114中產(chǎn)生的水如下所述移動(見圖3B中的空白箭頭)。應(yīng)該注意， 一般而言，在燃料電池100B中，趨于在空氣流動方向的上游側(cè)的電解質(zhì) 膜112發(fā)生干燥。因此，在下游側(cè)的膜電極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的 水量趨于大于在上游側(cè)的膜電極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。
在根據(jù)此實施例的燃料電池100B中，如同第一實施例中的陰極側(cè)隔 離器140，陰極側(cè)隔離器140B中的槽142被形成為使得空氣流動方向的下 游側(cè)的親水性較高。因此，發(fā)電時在空氣流動方向的下游側(cè)的膜電極組件 110中產(chǎn)生的水被槽142的具有較高親水性的下游區(qū)域142L吸引并保持。 因為槽142被形成為使得空氣沿著與重力的方向相反的方向流動，所以水 由于重力而與空氣流動相逆地從下游區(qū)域142L通過中游區(qū)域142M向上 游區(qū)域142U流動。因為槽142被形成為使得空氣流動方向的上游側(cè)的疏 水性較高，所以已經(jīng)移動到上游區(qū)域142U的水被排斥并引入具有較高親 水性的上游側(cè)邊界部分142UB，并進(jìn)一步通過陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陰極側(cè)催化劑層114向膜電極組件110的上游側(cè)的表面移動，由此可以對電 解質(zhì)膜112的易于干燥的上游側(cè)進(jìn)行加濕。
另一方面，如圖3B所示，陽極側(cè)隔離器150B中的槽152也被形成為 使得氫沿著與重力方向相反的方向(即，從下向上)流動。對槽152的表 面施加與對第二實施例中的陽極側(cè)隔離器150A的槽152所施加的表面處 理相同的表面處理。具體而言，對槽152的氫流動方向的下游區(qū)域152L 施加親水處理，而對槽152的氫流動方向的上游區(qū)域152U施加疏水處 理。在此實施例中，對槽152的氫流動方向的中游區(qū)域152M未施加表面 處理。即，槽152被形成為使得氫流動方向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè) 的親水性。在槽152的氫流動方向的上游區(qū)域，對陽極側(cè)隔離器150B與 陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130的上游側(cè)邊界部分152UB施加親水處理。
通過以上述方式在陽極側(cè)隔離器150B中形成槽152，在陰極側(cè)催化劑 層114中產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水如下所 述移動(見圖3B中的空白箭頭)。應(yīng)該注意，如上所述，在燃料電池 100B中，趨于在電解質(zhì)膜112的上游側(cè)發(fā)生干燥。因此，在下游側(cè)的膜電 極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量趨于大于在上游側(cè)的膜電極組件110 中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。因此，傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水量在空 氣流動方向(即，氫流動方向)的下游側(cè)也趨于大于上游側(cè)。
在根據(jù)此實施例的燃料電池100B中，如同第二實施例中的陽極側(cè)隔 離器150A，陽極側(cè)隔離器150B中的槽152被形成為使得氫流動方向的下 游側(cè)的親水性較高。因此，發(fā)電期間在空氣流動方向的下游側(cè)的膜電極組 件110的陰極側(cè)催化劑層114中產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催 化劑層116的水被槽152的具有較高親水性的下游區(qū)域152L吸引并保 持。因為槽152被形成為使得氫沿著與重力的方向相反的方向流動，所以 水由于重力而與氫流動相逆地從下游區(qū)域152L通過中游區(qū)域152M向上 游區(qū)域152U流動。因為槽152被形成為使得氫流動方向的上游側(cè)的疏水 性較高，所以已經(jīng)移動到上游區(qū)域152U的水被排斥并引入具有較高親水 性的上游側(cè)邊界部分152UB，并進(jìn)一步通過陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130和陽極 側(cè)催化劑層116向膜電極組件110的上游側(cè)的表面移動。由此可以從陽極
20側(cè)對電解質(zhì)膜112的易于干燥的上游側(cè)進(jìn)行加濕。
此外，根據(jù)第三實施例的燃料電池IOOB，通過使液態(tài)的水在燃料電
池100B內(nèi)再循環(huán)，可以實現(xiàn)電解質(zhì)膜112的自加濕，并維持電解質(zhì)膜112 的平面中濕度的均勻分布。 D.第四實施例
圖4是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的燃料電池100C的剖 視結(jié)構(gòu)的解釋圖。圖4是從與燃料電池100C中的氣體流動的方向垂直的 方向觀察的剖視圖。
通過將陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130分別接合到膜 電極組件110的表面，還在得到的結(jié)構(gòu)的表面上布置陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件 122和陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132，并將得到的結(jié)構(gòu)支撐在陰極側(cè)隔離器 140C與陽極側(cè)隔離器150C之間，來形成燃料電池IOOC。
膜電極組件110、陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130分 別與上述實施例中的那些相同。在陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122中形成空氣在 其中流動的氣體流路。在陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122中形成的氣體流路可以 視為根據(jù)本發(fā)明的陰極側(cè)氣體流路。陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132形成氫在其 中流動的氣體流路。陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132可以視為根據(jù)本發(fā)明的陽極 側(cè)氣體流路。應(yīng)該注意，與上述實施例的隔離器不同，陰極側(cè)隔離器 140C和陽極側(cè)隔離器150C具有平坦形狀。
如圖所示，形成在陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122中的氣體流路被形成為使 得空氣沿著與重力方向相反的方向(即，從下向上)流動。對陰極側(cè)金屬 多孔構(gòu)件122的外表面并對其孔的內(nèi)表面施加表面處理。具體而言，對陰 極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122的空氣流動方向的下游部分122L施加親水處理， 而對陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122的空氣流動方向的上游部分122U施加疏水 處理。在此實施例中，對陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122的空氣流動方向的中游 部分122M未施加表面處理。即，陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122被形成為使得 空氣流動方向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性，并且上游側(cè)的疏水 性高于下游側(cè)的疏水性。在形成在陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122中的氣體流路 的空氣流動方向的上游區(qū)域，對與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120的上游側(cè)邊界122UB施加親水處理。應(yīng)該注意，在此實施例中，分別通過用親水劑和疏
水劑注入陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122來施加上述親水處理和疏水處理。在陰 極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122中，施加上述表面處理的區(qū)域，或者親水性和疏水 性的程度可以根據(jù)燃料電池100A的發(fā)電性能等按照需要設(shè)定。
通過以上述方式形成陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122，在陰極側(cè)催化劑層 114中產(chǎn)生的水如下所述移動(見圖4中的空白箭頭)。應(yīng)該注意，在燃 料電池100C中，趨于在電解質(zhì)膜112的上游側(cè)發(fā)生干燥。因此，在下游 側(cè)的膜電極組件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量趨于大于上游側(cè)的膜電極組 件IIO中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。
在根據(jù)此實施例的燃料電池100C中，陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122被形 成為使得親水性在空氣流動方向的下游側(cè)較高。因此，發(fā)電時在空氣流動 方向的下游側(cè)的膜電極組件110中產(chǎn)生的水被陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122的 具有較高親水性的下游部分122L吸引并保持。因為形成在陰極側(cè)金屬多 孔構(gòu)件122中的氣體流路被形成為使得空氣沿著與重力的方向相反的方向 流動，所以水被重力與空氣流動相逆地從下游部分122L通過中游部分 122M向上游部分122U向下拉動。因為陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122被形成為 使得疏水性在空氣流動方向的上游側(cè)較高，所以已經(jīng)移動到上游部分 122U的水被排斥并引入具有較高親水性的上游側(cè)邊界部分122UB中，并 進(jìn)一步通過陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120和陰極側(cè)催化劑層114向膜電極組件 110的上游側(cè)的表面移動，由此可以對電解質(zhì)膜112的易于干燥的上游側(cè) 進(jìn)行加濕。 另一方面，陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132也被形成為使得氫沿著與重力方 向相反的方向(即，從下向上)流動。對陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132的外表 面及其孔的內(nèi)表面施加類似于陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件的表面處理。具體而 言，對陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132的氫流動方向的下游部分132L施加親水 處理，而對陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132的氫流動方向的上游部分132U施加 疏水處理。在此實施例中，對陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132的氫流動方向的中 游部分132M未施加表面處理。g卩，陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132被形成為使 得氫流動方向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性。在陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132的氫流動方向的上游區(qū)域，對與陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130的上游側(cè) 邊界部分132UB施加親水處理。應(yīng)該注意，在此實施例中，分別通過用親 水劑和疏水劑注入陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132來施加上述親水處理和疏水處 理。在陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132中，施加上述表面處理的區(qū)域，或者親水 性和疏水性的程度可以根據(jù)燃料電池100A的發(fā)電性能適當(dāng)?shù)卦O(shè)定。
通過以上述方式形成陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132，在陰極側(cè)催化劑層 114中產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水如下所述 移動(見圖4中的空白箭頭)。應(yīng)該注意，如上所述，在燃料電池100C 中，趨于在電解質(zhì)膜112的上游側(cè)發(fā)生干燥。因此，在下游側(cè)的膜電極組 件110中的發(fā)電量和產(chǎn)生的水量趨于大于在上游側(cè)的膜電極組件110中的 發(fā)電量和產(chǎn)生的水量。因此，傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水量在空氣流 動方向(即，氫流動方向)的下游側(cè)也趨于大于上游側(cè)。
在根據(jù)此實施例的燃料電池IOOC中，陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132被形 成為使得親水性在氫流動方向的下游側(cè)較高。因此，發(fā)電期間在空氣流動 方向的下游側(cè)的膜電極組件110的陰極側(cè)催化劑層114中產(chǎn)生并通過電解 質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水被陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132的具 有較高親水性的下游部分132L吸引并保持。因為陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132 被形成為使得氫沿著與重力的方向相反的方向流動，所以水由于重力而與 氫流動相逆地從下游部分132L通過中游部分132M向上游部分132U流 動。因為陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132被形成為使得疏水性在氫流動方向的上 游側(cè)較高，所以己經(jīng)移動到上游部分132U的水被排斥并引入具有較高親 水性的上游側(cè)邊界部分152UB中，并進(jìn)一步通過陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130和 陽極側(cè)催化劑層116向膜電極組件110的上游側(cè)的表面移動。由此可以從 陽極側(cè)對電解質(zhì)膜112的易于干燥的上游側(cè)進(jìn)行加濕。
根據(jù)第四實施例的燃料電池IOOC，如同根據(jù)第三實施例的燃料電池 IOOB，通過使液態(tài)的水在燃料電池100C內(nèi)再循環(huán)，可以實現(xiàn)電解質(zhì)膜 112的自加濕，并維持電解質(zhì)膜112的平面中濕度的均勻分布。
E.修改方案
雖然已經(jīng)通過實施例說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于上述實施例，
23而可以在不偏離其范圍的情況下以各種方式實施。以下給出了可能的修改 方案的示例。
El.修改方案l
在第一實施例中，陽極側(cè)隔離器150中的槽152被形成為使得氫沿著 與重力方向相同的方向流動，本發(fā)明不限于此，槽152的構(gòu)造可以適當(dāng)?shù)?改變。但是，應(yīng)該注意，當(dāng)如第一實施例中那樣陽極側(cè)隔離器150中的槽 152被形成為使得氫沿著與重力的方向相同的方向流動時，在陰極側(cè)催化 劑層114中產(chǎn)生并通過電解質(zhì)膜112傳送至陽極側(cè)催化劑層116的水可以 借助于重力和氫流動兩者向氫流動方向的下游側(cè)移動，SP，向膜電極組件 110的上游側(cè)的表面移動。因此從陽極側(cè)對電解質(zhì)膜112的易于干燥的上 游側(cè)進(jìn)行加濕。
E2.修改方案2
在第二實施例中，陰極側(cè)隔離器140A中的槽142被形成為使得空氣 沿著與重力的方向相反的方向流動，本發(fā)明不限于此。槽142的構(gòu)造可以 適當(dāng)?shù)馗淖儭５?，?yīng)該注意，當(dāng)如第二實施例中那樣陰極側(cè)隔離器 140A中的槽142被形成為使得空氣沿著與重力的方向相反的方向流動時， 被重力向下拉的水可以用于對電解質(zhì)膜112加濕，并且通過空氣的流動可 以降低水沿著重力的方向移動的速度，由此可以防止水在未用于對電解質(zhì) 膜112加濕的情況下從膜電極組件110的陰極表面排出。
E3.修改方案3
在第一和第三實施例中，在陰極側(cè)隔離器140、 140B中的槽142的空 氣流動方向的上游區(qū)域中，對陰極側(cè)隔離器與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120的上 游側(cè)邊界部分142UB施加親水處理。但是，這種親水處理不是必須的。但 是，應(yīng)該注意，通過向上游側(cè)邊界部分142UB施加親水處理，水可以容易 地從上游區(qū)域142U向陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120移動?？梢詫﹃帢O側(cè)氣體擴(kuò) 散層120施加親水處理?？梢詫﹃帢O側(cè)氣體擴(kuò)散層120的面向陰極側(cè)隔離 器140、 140B的上游側(cè)邊界部分142UB的上側(cè)部分120UB施加親水處 理?？梢詫ι蟼?cè)部分120UB和上游側(cè)邊界部分142UB兩者都施加親水處 理。當(dāng)對上側(cè)部分120UB和上游側(cè)邊界部分142UB兩者都施加親水處理時，可以使上側(cè)部分120UB的親水性高于上游側(cè)邊界部分142UB的親水 性。上側(cè)部分120UB可以視為陰極的邊界部分的上游側(cè)部分。
在第二和第三實施例中，在陽極側(cè)隔離器150、 150B中的槽152的氫 流動方向的上游區(qū)域中，對陽極側(cè)隔離器與陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130的上游 側(cè)邊界部分152UB施加親水處理。但是，這種親水處理不是必須的。但 是，應(yīng)該注意，通過向上游惻邊界部分152UB施加親水處理，水可以容易 地從上游區(qū)域152U向陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130移動。可以對陽極側(cè)氣體擴(kuò) 散層130的面向陽極側(cè)隔離器150A、 150B的上游側(cè)邊界部分152UB的上 側(cè)部分130UB施加親水處理。可以對上側(cè)部分130UB和上游側(cè)邊界部分 152UB兩者都施加親水處理。當(dāng)對上側(cè)部分130UB和上游側(cè)邊界部分 152UB兩者都施加親水處理時，可以使上側(cè)部分130UB的親水性高于上 游側(cè)邊界部分152UB的親水性。上側(cè)部分130UB可以視為陽極的邊界部 分的上游側(cè)部分。
在第四實施例中，在陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122的空氣流動方向的上游 區(qū)域中，對與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層120的上游側(cè)邊界部分122UB施加親水處 理。但是，這種親水處理不是必須的。但是，應(yīng)該注意，通過向上游側(cè)邊 界部分122UB施加親水處理，水可以容易地從上游部分122U向陰極側(cè)氣 體擴(kuò)散層120移動。此外，在陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132的氫流動方向的上 游區(qū)域中，類似地對與陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130的上游側(cè)邊界部分132UB施 加親水處理。但是，這種親水處理不是必須的。但是，應(yīng)該注意，通過向 上游側(cè)邊界部分132UB施加親水處理，水可以容易地從上游部分132U向 陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層130移動。
E4.修改方案4
在第一和第三實施例中，對陰極側(cè)隔離器140、 140B中的槽142的空 氣流動方向的下游區(qū)域142L施加親水處理，并對槽142的空氣流動方向 的上游區(qū)域142U施加疏水處理。但是，本發(fā)明不限于此。只要槽142被 形成為使得空氣流動方向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性，則疏水 性和親水性的程度可以被設(shè)定為從空氣流動方向的上游側(cè)朝向下游側(cè)以連 續(xù)或步進(jìn)的方式改變。此情況也適用于第四實施例的陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122。
在第二和第三實施例中，對陽極側(cè)隔離器150A、 150B中的槽152的 氫流動方向的下游區(qū)域152L施加親水處理，并對槽152的氫流動方向的 上游區(qū)域152U施加疏水處理。但是，本發(fā)明不限于此。只要槽152被形 成為使得氫流動方向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性，則疏水性和 親水性的程度可以被設(shè)定為從氫流動方向的上游側(cè)朝向下游側(cè)以連續(xù)或步 進(jìn)的方式改變。此情況也適用于第四實施例的陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132。
E5.修改方案5
在第一實施例中，陰極側(cè)隔離器140中的槽142被形成為使得空氣沿 著與重力的方向相反的方向流動。在第二實施例中，陽極側(cè)隔離器150A 中的槽152被形成為使得氫沿著與重力的方向相反的方向流動。此外，在 第三實施例中，陰極側(cè)隔離器140B中的槽142和陽極側(cè)隔離器150B中的 槽152被形成為使得空氣和氫兩者均沿著與重力的方向相反的方向流動， 并且，對這些槽中的每一者都施加了如上所述的親水處理和疏水處理。但 是，本發(fā)明不限于此。在燃料電池在除了重力之外的外力(例如離心力) 恒定地施加于水的環(huán)境下使用時，槽可以被替代地形成為使得氣體沿著與 施加在水上的外力的方向相反的方向流動。此情況也適用于上述第四實施 例中的陰極側(cè)金屬多孔構(gòu)件122和陽極側(cè)金屬多孔構(gòu)件132。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池，其具有在兩側(cè)均由隔離器支撐的膜電極組件，所述膜電極組件具有分別接合到高分子電解質(zhì)膜的相反表面的陽極和陰極，所述燃料電池包括陽極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陽極與所述隔離器之間，并將包含氫的燃料氣體供應(yīng)到所述陽極；以及陰極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陰極與所述隔離器之間，并將包含氧的氧化劑氣體供應(yīng)到所述陰極，其中，所述陰極側(cè)氣體流路被形成為使得所述氧化劑氣體沿著與作用在發(fā)電期間通過所述燃料氣體中包含的氫與所述氧化劑氣體中包含的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而在所述陰極處產(chǎn)生的水上的外力的方向大體相反的方向流動，并且使得所述陰極側(cè)氣體流路的所述氧化劑氣體的流動方向的下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述陰極側(cè)氣體流路被形成為使得在所述氧化劑氣體的流動方向的上 游側(cè)，所述隔離器的上游側(cè)部分與所述隔離器和所述陰極的邊界部分重疊 的部分的親水性高于所述隔離器的所述上游側(cè)部分的其它部分的親水性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其中所述陰極的上游側(cè)部分與所述陰極和所述隔離器的邊界部分重疊的部 分的親水性高于所述隔離器的上游側(cè)部分的親水性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃料電池，其中 所述陰極的上游側(cè)部分與所述陰極和所述隔離器的邊界部分重疊的部分的親水性高于所述陰極的其它部分的親水性。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的燃料電池，其中 所述陰極側(cè)氣體流路是形成在所述隔離器的與所述陰極接觸的表面中的槽。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的燃料電池，其中 所述陰極側(cè)氣體流路形成在金屬多孔構(gòu)件中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的燃料電池，其中 對所述陰極側(cè)氣體流路的下游側(cè)施加親水性處理，并對上游側(cè)施加疏水性處理。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的燃料電池，其中 在所述陰極側(cè)氣體流路的下游側(cè)比在中游區(qū)域設(shè)定更高的親水性，并在所述陰極側(cè)氣體流路的上游側(cè)比在所述中游區(qū)域設(shè)定更高的疏水性。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的燃料電池，其中 所述陽極側(cè)氣體流路被形成為使得所述燃料氣體沿著與所述外力的方向大體相同的方向流動。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的燃料電池，其中，所述陽極 側(cè)氣體流路被形成為使得所述燃料氣體沿著與所述外力的方向大體相反的方向流動；并且 所述陽極側(cè)氣體流路的所述燃料氣體的流動方向的下游側(cè)的親水性高 于上游側(cè)的親水性。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中所述陽極側(cè)氣體流路被形成為使得在所述燃料氣體的流動方向的上游 側(cè)，所述隔離器的上游側(cè)部分與所述隔離器和所述陽極的邊界部分重疊的 部分的親水性高于所述隔離器的所述上游側(cè)部分的其它部分的親水性。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的燃料電池，其中所述陽極側(cè)氣體流路是形成在所述隔離器的與所述陽極接觸的表面中 的槽。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的燃料電池，其中所述陽極側(cè)氣體流路形成在金屬多孔構(gòu)件中。
14. 一種燃料電池，其具有在兩側(cè)均由隔離器支撐的膜電極組件，所 述膜電極組件具有分別接合到高分子電解質(zhì)膜的相反表面的陽極和陰極， 所述燃料電池包括陽極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陽極與所述隔離器之間，并將包含氫 的燃料氣體供應(yīng)到所述陽極；以及陰極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陰極與所述隔離器之間，并將包含氧的氧化劑氣體供應(yīng)到所述陰極，其中，所述陽極側(cè)氣體流路被形成為使得所述燃料氣體沿著與作用在 發(fā)電期間通過所述燃料氣體中包含的氫與所述氧化劑氣體中包含的氧之間 的電化學(xué)反應(yīng)而在所述陰極處產(chǎn)生的水上的外力的方向大體相反的方向流 動，并且使得所述陽極側(cè)氣體流路的所述燃料氣體的流動方向的下游側(cè)的 親水性高于上游側(cè)的親水性。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其中所述陽極側(cè)氣體流路被形成為使得在所述燃料氣體的流動方向的上游 側(cè)，所述隔離器的上游側(cè)部分與所述隔離器和所述陽極的邊界部分重疊的 部分的親水性高于所述隔離器的所述上游側(cè)部分的其它部分的親水性。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的燃料電池，其中所述陽極的上游側(cè)部分與所述陽極和所述隔離器的邊界部分重疊的部 分的親水性高于所述隔離器的上游側(cè)部分的親水性。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的燃料電池，其中 所述陽極的上游側(cè)部分與所述陽極和所述隔離器的邊界部分重疊的部分的親水性高于所述陽極的其它部分的親水性。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項所述的燃料電池，其中 所述陽極側(cè)氣體流路是形成在所述隔離器的與所述陽極接觸的表面中
19. 根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項所述的燃料電池，其中所述陽極側(cè)氣體流路形成在金屬多孔構(gòu)件中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項所述的燃料電池，其中所述陰極側(cè)氣體流路被形成為使得所述氧化劑氣體沿著與所述外力的 方向大體相反的方向流動。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14至20中任一項所述的燃料電池，其中對所述陽極側(cè)氣體流路的下游側(cè)施加親水性處理，并對上游側(cè)施加疏 水性處理。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14至21中任一項所述的燃料電池，其中在所述陽極側(cè)氣體流路的下游側(cè)比在中游區(qū)域設(shè)定更高的親水性，并在所述陽極側(cè)氣體流路的上游側(cè)比在所述中游區(qū)域設(shè)定更高的疏水性。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的燃料電池，其中 所述外力的方向是重力方向。
24. —種燃料電池系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的燃料電池，燃料氣體供應(yīng)源，其將所述燃料氣體供應(yīng)到所述陽極側(cè)氣體流路， 在所述燃料氣體供應(yīng)源與所述陽極側(cè)氣體流路之間的第一氣體通路， 氧化劑氣體供應(yīng)源，其將所述氧化劑氣體供應(yīng)到所述陰極側(cè)氣體流路，使得所述氧化劑氣體在所述陰極側(cè)氣體流路中沿著與所述外力的方向大體相反的方向流動，以及在所述氧化劑氣體供應(yīng)源與所述陰極側(cè)氣體流路之間的第二氣體通路。
25. —種燃料電池系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求14至22中任一項所述的燃料電池， 氧化劑氣體供應(yīng)源，其將所述氧化劑氣體供應(yīng)到所述陰極側(cè)氣體流路，在所述氧化劑氣體供應(yīng)源與所述陰極側(cè)氣體流路之間的第一氣體通路，燃料氣體供應(yīng)源，其將所述燃料氣體供應(yīng)到所述陽極側(cè)氣體流路，使 得所述燃料氣體在所述陽極側(cè)氣體流路中沿著與所述外力的方向大體相反 的方向流動，以及在所述燃料氣體供應(yīng)源與所述陽極側(cè)氣體流路之間的第二氣體通路。
26. —種燃料電池，包括膜電極組件，其有分別接合到高分子電解質(zhì)膜的表面的陽極和陰極； 第一隔離器和第二隔離器，所述第一隔離器和所述第二隔離器將所述膜電極組件支撐在兩者之間，其中所述第一隔離器設(shè)置在陽極側(cè)，所述第二隔離器設(shè)置在陰極側(cè)；陽極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陽極與所述第一隔離器之間，并將包含氫的燃料氣體供應(yīng)到所述陽極；以及陰極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陰極與所述第二隔離器之間，并將包 含氧的氧化劑氣體供應(yīng)到所述陰極；其中，所述陰極側(cè)氣體流路被形成為使得所述氧化劑氣體沿著與作用 在發(fā)電期間通過所述燃料氣體中包含的氫與所述氧化劑氣體中包含的氧之 間的電化學(xué)反應(yīng)而在所述陰極處產(chǎn)生的水上的外力的方向大體相反的方向 流動，并且使得所述陰極側(cè)氣體流路的所述氧化劑氣體的流動方向的下游 側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性。
27.—種燃料電池，包括膜電極組件，其有分別接合到由高分子電解質(zhì)膜制成的電解質(zhì)膜的表 面的陽極和陰極；第一隔離器和第二隔離器，所述第一隔離器和所述第二隔離器將所述 膜電極組件支撐在兩者之間，其中所述第一隔離器設(shè)置在陽極側(cè)，所述第二隔離器設(shè)置在陰極側(cè)；陽極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陽極與所述第一隔離器之間，并將包 含氫的燃料氣體供應(yīng)到所述陽極；以及陰極側(cè)氣體流路，其設(shè)置在所述陰極與所述第二隔離器之間，并將包 含氧的氧化劑氣體供應(yīng)到所述陰極；其中，所述陽極側(cè)氣體流路被形成為使得所述燃料氣體沿著與作用在 發(fā)電期間通過所述燃料氣體中包含的氫與所述氧化劑氣體中包含的氧之間 的電化學(xué)反應(yīng)而在所述陰極處產(chǎn)生的水上的外力的方向大體相反的方向流 動，并且使得所述陽極側(cè)氣體流路的所述燃料氣體的流動方向的下游側(cè)的 親水性高于上游側(cè)的親水性。
全文摘要
在高分子電解質(zhì)膜燃料電池(100B)中，陰極側(cè)隔離器(140)中的槽(142)(陰極側(cè)氣體流路)和陽極側(cè)隔離器(150)中的槽(152)(陽極側(cè)氣體流路)被形成為使得空氣和氫沿著與重力的方向相反的方向流動?？梢詫@些槽(142和152)的表面施加表面處理，使得在這些槽中，下游側(cè)的親水性高于上游側(cè)的親水性。
文檔編號H01M8/02GK101512808SQ200780033599
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
發(fā)明者沼田耕一 申請人:豐田自動車株式會社