專利名稱：燃料電池用導(dǎo)電多孔體、具有其的燃料電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池用導(dǎo)電多孔體、具有其的燃料電池及其制造方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一般使用氫和氧作為燃料獲得電能的裝置。因?yàn)槿剂想姵?具有環(huán)境優(yōu)異性并且可以實(shí)現(xiàn)高的能量效率，所以燃料電池正被廣泛開(kāi)發(fā) 作為未來(lái)能量供應(yīng)系統(tǒng)。因?yàn)樵诟鞣N燃料電池中，固體聚合物燃料電池在 較低的溫度下工作，所以其具有特別良好的啟動(dòng)性能。因此，為了其實(shí)際 應(yīng)用的目的，目前正在廣泛的領(lǐng)域中進(jìn)行積極研究。
在聚合物固體燃料電池中，電流集電器與膜電極組件(下文中有時(shí)稱
為"MEA")的兩個(gè)表面緊密接觸地布置，所述膜電極組件通過(guò)將催化劑 層接合到固體聚合物電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面來(lái)形成。多孔電導(dǎo)體通常被用于 這些電流集電器。為了增大燃料電池的發(fā)電效率，必須減小電流集電器和 膜電極組件之間的接觸電阻。在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)JP-A-2004-714556中 公開(kāi)了用于拋光和研磨用作電流集電器的鈦燒結(jié)體的表面的技術(shù)。根據(jù)此 技術(shù)，可以提高電流集電器和膜電極組件之間的接觸表面積比。
但是，在上述公開(kāi)的技術(shù)中，當(dāng)進(jìn)行拋光和研磨時(shí)，存在集電極的內(nèi) 部狀態(tài)變化的可能性。在此情況下，變得難以控制電流集電器的品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池用導(dǎo)電多孔體，其能夠減小與膜電 極組件的接觸電阻而不會(huì)改變內(nèi)部狀態(tài)，并且提供一種使用上述燃料電池 用導(dǎo)電多孔體的燃料電池及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池用導(dǎo)電多孔體具有多孔金屬體以及導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層布置在所述多孔金屬體的一個(gè)表面上并且具有透氣性，其中所述 多孔金屬體的所述一個(gè)表面的至少一部分埋入所述導(dǎo)電層的一個(gè)表面?zhèn)?中，并且其中所述導(dǎo)電層的所述多孔金屬體沒(méi)有埋入其中的另一表面?zhèn)鹊?平面度高于所述多孔金屬體的所述一個(gè)表面?zhèn)鹊钠矫娑取?br> 在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池用導(dǎo)電多孔體中，因?yàn)閷?dǎo)電層的平面度高， 所以可以在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和膜電極組件之間獲得足夠的接觸表面 積，而不用向多孔金屬體施加壓力。結(jié)果，燃料電池用導(dǎo)電多孔體和膜電 極組件之間的接觸電阻被減小，而不會(huì)改變多孔金屬體的內(nèi)部狀態(tài)。并 且，因?yàn)槎嗫捉饘袤w的一部分被埋入導(dǎo)電層中，所以多孔金屬體和導(dǎo)電層 之間的接觸電阻減小。結(jié)果，使用根據(jù)本發(fā)明的燃料電池用導(dǎo)電多孔體的 燃料電池的發(fā)電效率提高。
通常，制造具有高平面度的多孔金屬體的成本極高，并且難以控制品 質(zhì)。具體地，為了提高多孔金屬體的平面度，必須對(duì)多孔金屬體進(jìn)行二次 加工，諸如拋光或研磨，從而導(dǎo)致制造成本升高。并且，當(dāng)進(jìn)行二次加工 時(shí)，存在多孔金屬體的表面或內(nèi)部形狀發(fā)生變化的可能性，因此難以進(jìn)行 品質(zhì)控制。然而，根據(jù)本發(fā)明，不必使用具有高平面度的多孔金屬體。結(jié) 果，生產(chǎn)成本被減小，并且便于進(jìn)行品質(zhì)控制。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述多孔金屬體可以被埋入所述導(dǎo)電層中，達(dá)到與所 述導(dǎo)電層不存在間隙的程度。在此情況下，在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和膜 電極組件之間獲得足夠的接觸表面積，而不用向多孔金屬體施加壓力。并 且，防止了流動(dòng)氣體中所包含的飛塵等附著到多孔金屬體和導(dǎo)電層之間的 接觸點(diǎn)。結(jié)果，在多孔金屬體和導(dǎo)電層之間維持了低的接觸電阻。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述導(dǎo)電層的所述一個(gè)表面?zhèn)鹊钠矫娑瓤梢詾?0/mi
或更小。在此情況下，在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和膜電極組件之間獲得了 足夠的接觸表面積。并且，因?yàn)槟る姌O組件和導(dǎo)電層之間的表面壓力基本 均勻，所以抑制了膜電極組件上的壓力局部集中。結(jié)果，除了防止了對(duì)膜 電極組件的損傷，還提高了膜電極組件的耐久性。此外，在上述結(jié)構(gòu)中， 所述多孔金屬體是發(fā)泡燒結(jié)金屬體。
根據(jù)本發(fā)明的一種燃料電池具有如上所述的任意一種的燃料電池用導(dǎo)電多孔體以及膜電極組件，在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在電解 質(zhì)膜的兩個(gè)表面上，并且所述催化劑層中的至少一者與所述燃料電池用導(dǎo) 電多孔體的一個(gè)表面被布置成相對(duì)，換句話說(shuō)，在所述膜電極組件中，催 化劑層被形成在電解質(zhì)膜的每一側(cè)上，并且所述導(dǎo)電多孔體被設(shè)置在所述 催化劑層中的至少一者上并與其接觸或者不接觸。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電 池中，在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和催化層之間獲得足夠的接觸表面積，而 不用向多孔金屬體施加壓力。在此情況下，實(shí)現(xiàn)了低的接觸電阻，而不會(huì) 改變多孔金屬體的內(nèi)部狀態(tài)。結(jié)果，提高了燃料電池的發(fā)電效率。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述導(dǎo)電層可以相對(duì)于膜電極組件具有疏水性。在此 情況下，在膜電極組件處由發(fā)電產(chǎn)生的水以高的效率被排放到多孔金屬體 側(cè)。結(jié)果，抑制了膜電極組件處發(fā)電產(chǎn)生的水的滯留。此外，抑制了燃料 電池發(fā)電效率的降低。
根據(jù)本發(fā)明的一種燃料電池的特征在于具有如上所述的任意一種燃料 電池用導(dǎo)電多孔體以及膜電極組件，在所述膜電極組件，催化劑層和氣體 擴(kuò)散層被依次形成在電解質(zhì)膜的兩側(cè)，并且所述氣體擴(kuò)散層中的至少一者 與所述燃料電池用導(dǎo)電多孔體的一個(gè)表面?zhèn)缺徊贾贸上鄬?duì)，換句話說(shuō)，在 所述膜電極組件中，催化劑層被形成在電解質(zhì)膜的每一側(cè)上，且氣體擴(kuò)散 層被形成在催化劑層的每一者上，并且所述導(dǎo)電多孔體被設(shè)置在所述氣體 擴(kuò)散層中的至少一者上并與其接觸或者不接觸。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，在燃料電池 用導(dǎo)電多孔體和氣體擴(kuò)散層之間獲得足夠的接觸表面積，而不用向多孔金 屬體施加壓力。在此情況下，實(shí)現(xiàn)了低的接觸電阻，而不會(huì)改變多孔金屬 體的內(nèi)部狀態(tài)。結(jié)果，提高了燃料電池的發(fā)電效率。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述導(dǎo)電層可以相對(duì)于所述氣體擴(kuò)散層具有親水性。 在此情況下，氣體擴(kuò)散層抑制了隨著發(fā)電排放的水到膜電極組件的逆流。 結(jié)果，抑制了膜電極組件處發(fā)電產(chǎn)生的水的滯留。此外，抑制了燃料電池 發(fā)電效率的降低。
根據(jù)本發(fā)明的一種制造燃料電池用導(dǎo)電多孔體的方法的特征在于包 括將導(dǎo)電漿料布置在平板上到預(yù)定厚度；將導(dǎo)電多孔體層疊到所述導(dǎo)電
漿料上；干燥所述導(dǎo)電漿料，并且形成具有透氣性的導(dǎo)電層；以及將所述導(dǎo)電層與所述平板分離。
在根據(jù)本發(fā)明的制造燃料電池用導(dǎo)電多孔體的方法中，將導(dǎo)電漿料布 置在平板上到預(yù)定厚度，導(dǎo)電多孔體被層疊到所述導(dǎo)電漿料上，所述導(dǎo)電 漿料被干燥，并且形成具有透氣性的導(dǎo)電層，以及所述導(dǎo)電層與所述平板 被分離。在此情況下，導(dǎo)電層的平面度提高。因此，可以在燃料電池用導(dǎo) 電多孔體和膜電極組件之間獲得足夠的接觸表面積，而不用向?qū)щ姸嗫左w 施加壓力。結(jié)果，在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和膜電極組件之間的接觸電阻 減小，而不會(huì)改變導(dǎo)電多孔體的內(nèi)部狀態(tài)。并且，因?yàn)閷?dǎo)電多孔體的一部 分被埋入導(dǎo)電層中，所以在導(dǎo)電多孔金屬體和導(dǎo)電層之間獲得了低的接觸 電阻。結(jié)果，提高了燃料電池的發(fā)電效率。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述平板的上表面的平面度為10/mi或更小。在此情 況下，在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和導(dǎo)電層之間獲得了足夠的接觸表面積。 并且，因?yàn)槟る姌O組件和導(dǎo)電層之間的表面壓力基本均勻，所以抑制了膜 電極組件上的壓力局部集中。結(jié)果，除了防止了對(duì)膜電極組件的損傷，還 提高了膜電極組件的耐久性。在上述結(jié)構(gòu)中，所述導(dǎo)電多孔體可以是多孔 金屬體，所述多孔金屬體可以是發(fā)泡燒結(jié)金屬體。
根據(jù)本發(fā)明的一種制造燃料電池的方法的特征在于包括根據(jù)上述制
造方法中的任意一種方法制造燃料電池用導(dǎo)電多孔體；以及將所述導(dǎo)電多 孔體層疊到膜電極組件上，在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在質(zhì)子 導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面上，并且所述導(dǎo)電層和所述催化劑層中的至少 一者被布置成相對(duì)，換句話說(shuō)，將所述導(dǎo)電多孔體層疊到膜電極組件上， 在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的每一側(cè) 上，使得所述導(dǎo)電層被設(shè)置在所述催化劑層中的至少一者上并與其接觸或 者不接觸。在該制造方法中，所述燃料電池用導(dǎo)電多孔體被層疊到膜電極 組件上，在所述膜電極組件中，催化劑層分別被形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì) 膜的兩側(cè)上，使得所述導(dǎo)電層被設(shè)置在所述催化劑層中的至少一者上并與 其接觸或者不接觸。在此情況下，在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和催化劑層之 間獲得了足夠的接觸表面積，而不用向?qū)щ姸嗫左w施加壓力。結(jié)果，接觸 電阻減小，而不會(huì)改變導(dǎo)電多孔體的內(nèi)部狀態(tài)。此外，燃料電池的發(fā)電效率提高。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述導(dǎo)電層可以相對(duì)于所述膜電極組件具有疏水性。 在此情況下，在膜電極組件處由發(fā)電產(chǎn)生的水以高的效率被排放到多孔金 屬體側(cè)。結(jié)果，抑制了膜電極組件處發(fā)電產(chǎn)生的水的滯留。此外，抑制了 燃料電池發(fā)電效率的降低。
根據(jù)本發(fā)明的另一種制造燃料電池的方法的特征在于包括根據(jù)上述 制造方法中的任意一種方法制造燃料電池用導(dǎo)電多孔體；以及將所述導(dǎo)電 多孔體層疊到膜電極組件上，在所述膜電極組件中，催化劑層和氣體擴(kuò)散 層被依次形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的兩側(cè)，使得所述導(dǎo)電層中的至少一 者與所述氣體擴(kuò)散層相對(duì)，換句話說(shuō)，將所述導(dǎo)電多孔體層疊到膜電極組 件上，在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的每 一側(cè)上，且氣體擴(kuò)散層被形成在催化劑層的每一者上，使得所述導(dǎo)電層中 的至少一者被設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層上并與其接觸或者不接觸。在根據(jù)本 發(fā)明的此制造燃料電池的方法中，燃料電池用導(dǎo)電多孔體被層疊到膜電極 組件上，在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的 每一側(cè)上，且氣體擴(kuò)散層被形成在催化劑層的每一者上，使得所述導(dǎo)電層 中的至少一者被設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層上并與其接觸或者不接觸。在此情 況下，在燃料電池用導(dǎo)電多孔體和氣體擴(kuò)散層之間獲得了足夠的接觸表面 積，而不用向?qū)щ姸嗫左w施加壓力。結(jié)果，接觸電阻減小，而不會(huì)改變導(dǎo) 電多孔體的內(nèi)部狀態(tài)。此外，燃料電池的發(fā)電效率提高。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述導(dǎo)電層可以相對(duì)于所述氣體擴(kuò)散層具有親水性。 在此情況下，氣體擴(kuò)散層抑制了隨著發(fā)電排放的水到膜電極組件的逆流。 結(jié)果，抑制了膜電極組件處發(fā)電產(chǎn)生的水的滯留。此外，抑制了燃料電池 發(fā)電效率的降低。
根據(jù)本發(fā)明，可以減小與膜電極組件的接觸電阻，而不會(huì)引起內(nèi)部狀 態(tài)的變化。


參考附圖，根據(jù)以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，本發(fā)明的上述和/或者其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，在附圖中，相似標(biāo)號(hào)用于表示相似元件， 并且其中-
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料電池的示意性剖視圖2A到圖2G是用于描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料電池的制造
方法的制造流程圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池的示意性剖視圖4A到圖4E是用于描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池的制造
方法的制造流程圖5是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃料電池的示意性剖視圖6A和圖6B是用于描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃料電池的制造
方法的制造流程圖；以及
圖7是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的燃料電池的示意性剖視圖。
具體實(shí)施例方式
在下面的描述中，將以示例性實(shí)施例更詳細(xì)描述本發(fā)明。 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料電池100的示意性剖視圖。如 圖1所示，燃料電池100包括膜電極組件(MEA) 10，疏水層20， 30，多 孔體層40， 50以及分離器60， 70。 MEA 10由電解質(zhì)層11和催化劑層 12， 13形成。電解質(zhì)層11例如由具有質(zhì)子導(dǎo)電性的固體聚合物制成。催 化劑層12， 13例如由擔(dān)載鉑的碳制成。催化劑層12， 13中包含的鉑被用 作催化劑，用于將氫轉(zhuǎn)換為質(zhì)子并且用于使得質(zhì)子與氧反應(yīng)。催化劑層 12， 13形成在電解質(zhì)層11的每一側(cè)上。
疏水層20， 30由諸如PTFE (聚四氟乙烯)、碳等的材料制成，并具 有疏水性、導(dǎo)電性和透氣性。為了提高疏水層20， 30的疏水性、導(dǎo)電性 和透氣性，優(yōu)選的是，碳納米管被用于疏水層20， 30。在此情況下，提供 疏水性表示具有90°或更大的接觸角。疏水層20， 30的膜厚度例如為約 50/mi。疏水層20， 30被分別形成在催化劑層12， 13上。疏水層20， 30 在MEA 10側(cè)的表面的平面度大于多孔體層40， 50的平面度。疏水層 20， 30在MEA10側(cè)的表面的平面度例如都為10/mi或更小。多孔體層40, 50由發(fā)泡燒結(jié)金屬體等的導(dǎo)電體制成。多孔體層40， 50充當(dāng)用于氣體流動(dòng)的氣體流動(dòng)通道，并且充當(dāng)用于向催化劑層供應(yīng)氣體 的氣體擴(kuò)散層。在本實(shí)施例中，鈦發(fā)泡燒結(jié)金屬體被用作多孔體層40， 50。例如，多孔體層40， 50的膜厚度為約0.5 /mi，多孔體層40， 50的平 均孔徑為約0.05 mm至lj 1 mm，粒子之間的平均孔徑為約0.1 ;mi到40 ^m，并且孔隙比為約40%到99%。多孔體層40， 50可以通過(guò)刮粉刀方法 等來(lái)制造。多孔體層40， 50分別被形成在疏水層20， 30上。
多孔體層40的下表面?zhèn)鹊囊徊糠直话窈凸潭ǖ绞杷畬?0中。優(yōu)選 地，多孔體層40的下表面?zhèn)鹊囊徊糠直宦袢胧杷畬?0中，達(dá)到在多孔體 層40的下表面和疏水層20的上表面之間不存在間隙的程度。多孔體層50 的上表面?zhèn)鹊囊徊糠直话窈凸潭ǖ绞杷畬?0中。優(yōu)選地，多孔體層50 的上表面?zhèn)鹊囊徊糠直宦袢胧杷畬?0中，達(dá)到在多孔體層50的上表面和 疏水層30的下表面之間不存在間隙的程度。
分離器60， 70由諸如不銹鋼等的導(dǎo)電材料制成。分離器60， 70被分 別形成在多孔體層40， 50上。分離器60， 70的膜厚度例如為約0.3 mm。 雖然為了簡(jiǎn)化描述，在圖1示出了一個(gè)單電池，但是在實(shí)際的燃料電池 中，多個(gè)這樣的單電池被層疊。
下面將描述燃料電池100的操作。首先，包含氫的燃料氣體被供應(yīng)到 多孔體層50。燃料氣體流經(jīng)多孔體層50的內(nèi)部，透過(guò)疏水層30，并且到 達(dá)催化劑層13。到達(dá)催化劑層13的燃料氣體中所包含的氫被分成質(zhì)子和 電子。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)層ll傳導(dǎo)，到達(dá)催化劑層12。
包含氧的氧化劑氣體被供應(yīng)到多孔體層40。氧化劑氣體流經(jīng)多孔體層 40的內(nèi)部，透過(guò)疏水層20，并且到達(dá)催化劑層12。由到達(dá)催化劑層12的 氧化劑氣體中所包含的氧和質(zhì)子產(chǎn)生水并發(fā)電。所產(chǎn)生的電力由分離器 60， 70回收。通過(guò)這樣的操作，燃料電池100發(fā)電。
伴隨發(fā)電所產(chǎn)生的發(fā)電產(chǎn)物水透過(guò)疏水層20，并到達(dá)多孔體層40。 因?yàn)槭杷畬?0具有疏水性，所以發(fā)電水以高的效率被排放到多孔體層40 側(cè)。結(jié)果，發(fā)電產(chǎn)物水在催化劑層12處的滯留被抑制。同樣，在疏水層 30側(cè)的水以高的效率被排放。結(jié)果，可以抑制燃料電池IOO發(fā)電效率的降低。由于氧化劑氣體的流動(dòng)壓力，所以已經(jīng)到達(dá)多孔體層40的發(fā)電產(chǎn)物 水沿氧化劑氣體的流動(dòng)方向流動(dòng)。通過(guò)上述措施，在燃料電池100中，發(fā) 電產(chǎn)物水被高效地排放。
在根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池100中，因?yàn)槭杷畬?0， 30在MEA 10側(cè) 的表面的平面度較高，所以疏水層20， 30和MEA10之間的接觸表面積增 大。因此，疏水層20， 30和MEA10之間的接觸電阻減小。結(jié)果，燃料電 池IOO的發(fā)電效率被提高。并且，因?yàn)槭杷畬?0， 30和MEA10之間的表 面壓力是基本均一的，所以防止了 MEA IO上的壓力局部集中。結(jié)果，防 止對(duì)MEA10的損傷，并且提高了MEA10的耐久性。
在多孔體層40， 50中，通常存在由多孔體層40， 50的制造方法導(dǎo)致 的表面不平坦性。因?yàn)槎嗫左w層40被埋入疏水層20中，可以在多孔體層 40和疏水層20之間獲得足夠的接觸表面積，而不用向多孔體層40施加壓 力。特別地，如果在多孔體層40和疏水層20之間不存在間隙，則接觸表 面積被進(jìn)一步增大。結(jié)果，多孔體層40和疏水層20之間的接觸電阻被減 小。結(jié)果，燃料電池100的發(fā)電效率被提高。
如果在多孔體層40和疏水層20之間獲得了足夠的表面接觸面積，伴 隨發(fā)電產(chǎn)生的熱變得容易到達(dá)多孔體層40。這對(duì)于多孔體層50和疏水層 30之間同樣適用。因此，可以以高的效率冷卻燃料電池100。此外，因?yàn)?多孔體層40被預(yù)先埋入疏水層20中，所以防止了燃料氣體中或氧化劑氣 體中所包含的飛塵等附著到多孔體層40和疏水層20之間的接觸點(diǎn)。結(jié) 果，在多孔體層40和疏水層20之間維持了低的接觸電阻。這對(duì)于多孔體 層50和疏水層30之間同樣適用。
因?yàn)椴槐叵蚓哂胁黄教剐缘谋砻娴亩嗫左w層40， 50施加壓力，所以 防止了對(duì)MEA 10施加局部集中的壓力。結(jié)果，防止了對(duì)MEA 10的損 傷，并且提高了MEA10的耐久性。并且，因?yàn)椴槐叵蚨嗫左w層40， 50施 加壓力，所以可以抑制多孔體層40， 50的變形。結(jié)果，可以抑制多孔體 層40， 50透氣性和排水性的下降。
在此情況下，通常制造具有高平面度的多孔體層的成本極高，并且難 以控制品質(zhì)。這是因?yàn)闉榱颂岣叨嗫左w層的平面度，必須進(jìn)行對(duì)多孔體層的二次加工，諸如拋光或研磨。并且，當(dāng)進(jìn)行二次加工時(shí)，存在多孔體層 的表面或內(nèi)部形狀發(fā)生變化的可能性。然而，根據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，即使
不使用具有高平面度的多孔體層，在多孔體層和MEA之間也可以獲得足
夠的接觸表面積，并且多孔體層的內(nèi)部狀態(tài)不會(huì)變化。結(jié)果，生產(chǎn)成本被 減小，并且便于進(jìn)行品質(zhì)控制。
下面將描述制造燃料電池100的方法。圖2A到圖2G是用于描述制造 燃料電池100的方法的制造流程圖。首先，如圖2A所示，漿料形式的疏 水劑201被施加到模具202上。漿料狀的PTFE或碳等可以被用作疏水劑 201。優(yōu)選使用具有良好脫模性和約10/mi的平面度的模具202。例如，可 以使用PTFE。
接著，如圖2B所示，使用篩片(screening)等來(lái)調(diào)節(jié)疏水劑201的 膜厚。此外，在使用具有低的揮發(fā)性的材料作為疏水劑201的情況下，可 以用一段時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)疏水劑的膜厚。因此，即使沒(méi)有通過(guò)篩片等調(diào)節(jié)膜 厚，也可以通過(guò)將預(yù)定量的疏水劑倒入具有預(yù)定體積的模具中來(lái)調(diào)節(jié)疏水 劑的膜厚。
接著，如圖2C所示，多孔體層40被布置在疏水劑201上，使得多孔 體層40的下表面?zhèn)鹊囊徊糠纸胧杷畡?01中。在此情況下，優(yōu)選地， 將多孔體層40朝向疏水劑201推擠，使得多孔體層40的下表面和疏水劑 201的上表面之間不存在間隙。此外，因?yàn)槎嗫左w層40由金屬制成，所以 其較之漿料狀的疏水劑201更難以變形。因此，即使在將多孔體層40朝 向疏水劑201推擠的情況下，不必進(jìn)行使得漿料狀的疏水劑201的粘度變 低的調(diào)節(jié)。
接著，如圖2D所示，疏水劑201被干燥，并且疏水劑201的多余部 分被切掉。經(jīng)干燥的疏水劑201對(duì)應(yīng)于圖1中的疏水層20。接著，如圖 2E所示，從模具取下疏水劑201和多孔體層40。疏水層30和多孔體層50 可以通過(guò)與圖2A到圖2E所示的相同方法制造。
接著，如圖2F所示，將疏水層20， 30分別布置在MEA IO的兩側(cè)， 并且將多孔體層40， 50分別布置在疏水層20， 30上。接著，如圖2G所 示，將分離器60， 70分別布置在多孔體層40， 50上。上述工藝步驟完成了燃料電池100。
根據(jù)圖2A到圖2G所示的制造方法，因?yàn)槎嗫左w層40被浸入疏水劑 201中，所以在多孔體層40和經(jīng)干燥的疏水層20之間獲得了足夠的接觸 表面積，而不用向多孔體層40施加壓力。特別地，如果在多孔體層40和 疏水劑201之間不存在間隙，則可以獲得進(jìn)一步增大的接觸表面積。因 此，保持了多孔體層40和疏水層20之間的低的接觸電阻。同樣，保持了 多孔體層50和疏水層30之間的低的接觸電阻。
因?yàn)樵诙嗫左w層40和疏水層20之間獲得了足夠的接觸表面積，所以 不需要為了減小接觸電阻而向多孔體層40施加壓力。這同樣適用于多孔 體層50。結(jié)果止了將局部集中的壓力施加到MEA 10。此外，防止了 對(duì)MEA IO的損傷，并提高了 MEA IO的耐久性。另外，可以抑制多孔體 層40， 50的變形。通過(guò)抑制多孔體層40， 50的變形，可以抑制多孔體層 40， 50的透氣性和排水性能的下降。還可以在不使用具有高的平面度的多 孔體層的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的效果。結(jié)果，可以降低生產(chǎn)成本，并且便于 進(jìn)行品質(zhì)控制。
如果疏水層20， 30在MEA IO側(cè)的平面度提高，則疏水層20， 30和 MEA IO之間的接觸電阻降低。疏水層20， 30和MEA IO之間的表面壓力 基本均一。結(jié)果，防止了向MEA IO施加局部集中的壓力。此外，防止了 對(duì)MEA10的損傷，并提高了MEA10的耐久性。
雖然上述實(shí)施例使用鈦發(fā)泡燒結(jié)金屬體作為多孔體層40， 50，但是對(duì) 此并沒(méi)有限制。例如，可以使用具有良好的耐腐蝕性的諸如不銹鋼或鎳等 的金屬燒結(jié)體。還可以使用金屬碳化物被均勻地分散在其中的金屬發(fā)泡 體。例如，可以使用其中Cr碳化物或FeCr碳化物等被均勻分散在不銹鋼 中的金屬發(fā)泡體。
在本實(shí)施例中，多孔體層40， 50對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電多孔體層和多孔金屬 體，疏水層20， 30對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電層，多孔體層40和疏水層20或者多孔體層 50和疏水層30對(duì)應(yīng)于燃料電池用導(dǎo)電多孔體，疏水劑201對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電漿 料，并且模具202對(duì)應(yīng)于平板。 '
下面將描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池100a。圖3是燃池100a的示意性剖視圖。如圖3所示，燃料電池100a與第一實(shí)施例的燃 料電池100的不同之處在于，親水層80被形成在多孔體層40的分離器60 側(cè)，以及親水層90被形成在多孔體層50的分離器70側(cè)。燃料電池100a 的其它構(gòu)造元件與燃料電池100的相同。與第一實(shí)施例中的相同的地方用 相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)記，并且在此不對(duì)其進(jìn)行描述。
親水層80， 90由其中氧化硅或氧化鈦等與PTFE混合的親水材料制 成，并具有導(dǎo)電性和氣體擴(kuò)散性。在此情況下，具有疏水性表示具有小于 90°的接觸角。親水層80， 90的膜厚度例如為約50 /mi。親水層80在分 離器60側(cè)的表面和親水層90在分離器70側(cè)的表面被形成為其平面度為 10 /mi或更小。多孔體層40的上表面?zhèn)鹊囊徊糠直话窈凸潭ㄔ谟H水層 80中，并且優(yōu)選地，多孔體層40的上表面?zhèn)鹊囊徊糠直宦袢牒凸潭ㄔ谟H 水層80中，使得在多孔體層40的上表面和親水層80之間不存在間隙。同 樣地，多孔體層50的下表面?zhèn)鹊囊徊糠直宦袢胗H水層90中。
在根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池100a中，在親水層80和分離器60之間以 及在親水層90和分離器70之間獲得了大的接觸表面積。結(jié)果，在燃料電 池100a中實(shí)現(xiàn)了高的發(fā)電效率。接觸表面積越大，伴隨MEA10處的發(fā)電 反應(yīng)產(chǎn)生的熱越容易傳遞到分離器60， 70。結(jié)果，可以更高效地冷卻燃料 電池100a。
在本實(shí)施例中，因?yàn)槎嗫左w層40被預(yù)先埋入親水層80中，所以防止 了燃料氣體中和氧化劑氣體中所包含的飛塵等附著到多孔體層40和親水 層80之間的接觸點(diǎn)。因此，在多孔體層40和親水層80之間維持了低的接 觸電阻。這對(duì)于多孔體層50和親水層90之間同樣適用。并且，因?yàn)橛H水 層80的親水性，所以已經(jīng)透過(guò)疏水層20的發(fā)電產(chǎn)物水可以以高的效率被 排放到分離器60偵ij。同樣，疏水層30側(cè)的水以高的效率被親水層90排 放。
圖4A到圖4E是用于描述制造燃料電池100a的方法的制造流程圖。 首先，如圖4A所示，在模具204上制備被調(diào)節(jié)到預(yù)定厚度的漿料狀的親 水物質(zhì)203，并且制備如圖2E中所制造的疏水層20和多孔體層40。模具 204的平面度優(yōu)選與圖2的模具202的平面度相同。可以使用包含槳料狀的氧化硅或氧化鈦等的PTFE、 SBR (丁苯橡膠)或碳等作為親水物質(zhì) 203。
接著，如圖4B所示，多孔體層40被布置在親水物質(zhì)203上，使得多 孔體層40的與疏水層20相反的一側(cè)上的一部分浸入親水物質(zhì)203中。在 此情況下，優(yōu)選地，將多孔體層40朝向親水物質(zhì)203推擠，使得多孔體 層40和親水物質(zhì)203之間不存在間隙。接著，如圖4C所示，親水物質(zhì) 203被干燥，并且親水物質(zhì)的多余部分被切掉。經(jīng)干燥的親水物質(zhì)203對(duì) 應(yīng)于圖3中的親水層80。親水層90和多孔體層50可以通過(guò)與圖4A到圖 4C所示的相同方法制造。
接著，如圖4D所示，將疏水層20， 30分別布置在MEA IO的兩側(cè)， 將多孔體層40， 50分別布置在疏水層20， 30上，并且將親水層80， 90分 別布置多孔體層40， 50上。接著，如圖4E所示，將分離器60， 70分別 布置在親水層80， 90上。上述工藝步驟完成了燃料電池100a。
根據(jù)圖4A到圖4E所示的制造方法，因?yàn)槎嗫左w層40被浸入親水物 質(zhì)203中，所以在多孔體層40和經(jīng)干燥的親水層80之間獲得了足夠的接 觸表面積，而不用向多孔體層40施加壓力。特別地，如果在多孔體層40 和親水層80之間不存在間隙，則可以進(jìn)一步增大接觸表面積。因此，多 孔體層40和親水層80之間的接觸電阻被減小。同樣，多孔體層50和親水 層980之間的接觸電阻被減小。
在本實(shí)施例中，多孔體層40，疏水層20和親水層80，或者多孔體層 50，疏水層30和親水層90對(duì)應(yīng)于燃料電池用導(dǎo)電多孔體，親水層80， 90 對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電層，親水物質(zhì)203對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電漿料，并且模具204對(duì)應(yīng)于平 板。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃料電池100b。圖5是燃料電 池100b的示意性剖視圖。如圖5所示，燃料電池100b與第一實(shí)施例的燃 料電池IOO的不同之處在于，設(shè)置MEA 10b來(lái)代替MEA 10，設(shè)置親水層 21來(lái)代替疏水層20，設(shè)置親水層31來(lái)代替疏水層30。 MEA 10b與MEA 10的不同之處在于，氣體擴(kuò)散層14， 15分別被設(shè)置在催化劑層12， 13 上。燃料電池100b的其它構(gòu)造元件與燃料電池100的相同。與第一實(shí)施例中的相同的地方用相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)記，并且在此不對(duì)其進(jìn)行描述。
氣體擴(kuò)散層14， 15由例如包含碳纖維或PTFE的碳紙或碳布制成，并 具有疏水性、導(dǎo)電性和透氣性。氣體擴(kuò)散層14， 15的膜厚度例如為約150 /mi。親水層21， 31由其中氧化硅或氧化鈦等與PTFE混合的親水材料制 成，并具有導(dǎo)電性和氣體擴(kuò)散性。親水層21， 31的膜厚度例如為約50
多孔體層40的下表面?zhèn)鹊囊徊糠直话窈凸潭ǖ接H水層21中。優(yōu)選 地，多孔體層40的下表面?zhèn)鹊囊徊糠直宦袢胗H水層21中，達(dá)到在多孔體 層40的下表面和親水層21的上表面之間不存在間隙的程度。多孔體層50 的上表面?zhèn)鹊囊徊糠直话窈凸潭ǖ接H水層31中。優(yōu)選地，多孔體層50 的上表面?zhèn)鹊囊徊糠直宦袢胗H水層31中，達(dá)到在多孔體層50的上表面和 親水層31的下表面之間不存在間隙的程度。親水層21， 31可以由與圖2 所示的親水層20， 30相同的形成方法來(lái)制造。
在本實(shí)施例中，因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層14具有疏水性并且親水層21具有親 水性，所以發(fā)電產(chǎn)物水以高的效率被排放到親水層21側(cè)。結(jié)果，發(fā)電產(chǎn) 物水在催化劑層12中的滯留被抑制。同樣，在氣體擴(kuò)散層15側(cè)的水以高 的效率被抽吸到親水層31。結(jié)果，可以抑制燃料電池IOO發(fā)電效率的降 低。
圖6A到圖6B是用于描述制造燃料電池100b的方法的制造流程圖。 如圖6A所示，布置親水層21和多孔體層40，親水層31和多孔體層50， 以及MEA10b，使得親水層21， 31分別被形成在MEA 10b兩側(cè)。接著， 如圖6B所示，分離器60， 70分別被布置在多孔體層40， 50上。上述工 藝步驟完成了燃料電池100b。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的燃料電池100c。圖7是燃料電 池100c的示意性剖視圖。燃料電池100c與圖5中的根據(jù)第三實(shí)施例的燃 料電池100b的不同之處在于，親水層80c被形成在多孔體層40的分離器 60側(cè)，以及親水層90c被形成在多孔體層50的分離器70側(cè)。燃料電池 100c的其它構(gòu)造元件與燃料電池100b的相同。與第三實(shí)施例中的相同的 地方用相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)記，并且在此不對(duì)其進(jìn)行描述。親水層80c， 90c由其中氧化硅或氧化鈦等與SBR混合的親水材料制 成，并具有導(dǎo)電性和氣體擴(kuò)散性。親水層80c的親水性被設(shè)成大于親水層 21的親水性，并且親水層90c的親水性被設(shè)成大于親水層31的親水性。
在本實(shí)施例中，因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層14具有疏水性并且親水層21具有親 水性，所以發(fā)電產(chǎn)物水以高的效率被排放到親水層21側(cè)。此外，因?yàn)橛H 水層80c的親水性大于親水層21的親水性，所以來(lái)自親水層21的水被吸 引到親水層80c中。結(jié)果，發(fā)電產(chǎn)物水在MEA 10b中的滯留被抑制。并 且，可以抑制燃料電池100c發(fā)電效率的降低。同樣，在氣體擴(kuò)散層15 側(cè)，水以高的效率被親水層31和親水層90c排放。
多孔體層40，親水層21和親水層80c，或者多孔體層50，親水層31 和親水層90c都對(duì)應(yīng)于燃料電池用導(dǎo)電多孔體，
雖然參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā) 明不限于這些示例性實(shí)施例或結(jié)構(gòu)。相反，本發(fā)明意在覆蓋各種修改和等 同布置。此外，雖然以作為示例的各種組合和構(gòu)造示出了示例性實(shí)施例的 各種元件，但是包括更多、更少或僅僅一個(gè)元件在內(nèi)的其它組合和構(gòu)造也 落入本發(fā)明的精神和范圍中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用導(dǎo)電多孔體，其特征在于包括多孔金屬體；以及導(dǎo)電層，其布置在所述多孔金屬體的一個(gè)表面?zhèn)壬喜⑶揖哂型笟庑?，其中所述多孔金屬體的所述一個(gè)表面的至少一部分埋入所述導(dǎo)電層的一個(gè)表面?zhèn)戎?，以及所述?dǎo)電層的所述多孔金屬體沒(méi)有埋入其中的另一表面?zhèn)鹊钠矫娑雀哂谒龆嗫捉饘袤w的所述一個(gè)表面?zhèn)鹊钠矫娑取?br> 2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用導(dǎo)電多孔體，其中 所述多孔金屬體被埋入所述導(dǎo)電層中，達(dá)到與所述導(dǎo)電層不存在間隙的程度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池用導(dǎo)電多孔體，其中 所述導(dǎo)電層的所述一個(gè)表面?zhèn)鹊钠矫娑葹?0/mi或更小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的燃料電池用導(dǎo)電多孔體，其中 所述多孔金屬體是發(fā)泡燒結(jié)金屬體。
5. —種燃料電池，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池用導(dǎo)電多孔體，以及膜 電極組件，在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面 上，并且所述催化劑層中的至少一者與所述燃料電池用導(dǎo)電多孔體的一個(gè) 表面被布置成相對(duì)。
6. —種燃料電池，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池用導(dǎo)電多孔體，以及膜 電極組件，在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在電解質(zhì)膜的每一側(cè) 上，并且所述導(dǎo)電多孔體被設(shè)置在所述催化劑層中的至少一者上并與其接 觸或者不接觸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的燃料電池，其中 所述導(dǎo)電層具有疏水性。
8. —種燃料電池，其特征在于包括-根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池用導(dǎo)電多孔體；以及 膜電極組件，其中，催化劑層和氣體擴(kuò)散層被依次形成在電解質(zhì)膜的兩側(cè)上，并且其中，所述氣體擴(kuò)散層中的至少一者與所述燃料電池用導(dǎo)電多孔體的一個(gè)表面?zhèn)缺徊贾贸上鄬?duì)。
9. 一種燃料電池，其特征在于包括-根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池用導(dǎo)電多孔體；以及 膜電極組件，其中，催化劑層被形成在電解質(zhì)膜的每一側(cè)上，氣體擴(kuò)散層被形成在每一個(gè)所述的催化劑層上，并且所述導(dǎo)電多孔體被設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層中的至少一者上并與其接觸或者不接觸。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的燃料電池，其中 所述導(dǎo)電層具有親水性。
11. 一種制造燃料電池用導(dǎo)電多孔體的方法，其特征在于包括 將導(dǎo)電漿料布置在平板上到預(yù)定厚度；將導(dǎo)電多孔體層疊到所述導(dǎo)電漿料上； 干燥所述導(dǎo)電漿料，并且形成具有透氣性的導(dǎo)電層；以及 將所述導(dǎo)電層與所述平板分離。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造燃料電池用導(dǎo)電多孔體的方法，其中 所述平板的上表面的平面度為10/mi或更小。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的制造燃料電池用導(dǎo)電多孔體的方 法，其中所述導(dǎo)電多孔體是多孔金屬體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的制造燃料電池用導(dǎo)電多孔 體的方法，其中所述多孔金屬體是發(fā)泡燒結(jié)金屬體。
15. —種制造燃料電池的方法，其特征在于包括用根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的制造方法制造燃料電池用導(dǎo) 電多孔體；以及將所述導(dǎo)電多孔體層疊到膜電極組件上，在所述膜電極組件中，催化劑層被形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面上，所述導(dǎo)電層與所述催化 劑層中的至少一者相對(duì)。
16. —種制造燃料電池的方法，其特征在于包括用根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的制造方法制造燃料電池用導(dǎo) 電多孔體；以及將所述導(dǎo)電多孔體層疊到膜電極組件上，在所述膜電極組件中，催化 劑層被形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的每一側(cè)上，使得所述導(dǎo)電層被設(shè)置在 所述催化劑層中的至少一者上并與其接觸或者不接觸。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的制造燃料電池的方法，其中所述導(dǎo)電層具有疏水性。
18. —種制造燃料電池的方法，其特征在于包括用根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的制造方法制造燃料電池用導(dǎo) 電多孔體；將所述導(dǎo)電多孔體層疊到膜電極組件上，在所述膜電極組件中，催化 劑層和氣體擴(kuò)散層被依次形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的兩側(cè)上，使得所述 導(dǎo)電層中的至少一者與所述氣體擴(kuò)散層相對(duì)。
19. 一種制造燃料電池的方法，其特征在于包括用根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的制造方法制造燃料電池用導(dǎo) 電多孔體；將所述導(dǎo)電多孔體層疊到膜電極組件上，在所述膜電極組件中，催化 劑層被形成在質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜的每一側(cè)上，并且氣體擴(kuò)散層被形成在 每一個(gè)所述的催化劑層上，使得所述導(dǎo)電層中的至少一者被設(shè)置在所述氣 體擴(kuò)散層上并與其接觸或者不接觸。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的制造燃料電池的方法，其中 所述導(dǎo)電層具有親水性。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池用導(dǎo)電多孔體，其具有多孔金屬體(40，50)；以及導(dǎo)電層(20，30)，其布置在所述多孔金屬體(40，50)的一個(gè)表面?zhèn)壬喜⑶揖哂型笟庑?，其中所述多孔金屬體(40，50)的所述一個(gè)表面的至少一部分埋入所述導(dǎo)電層(20，30)的一個(gè)表面?zhèn)戎?，以及所述?dǎo)電層(20，30)的所述多孔金屬體(40，50)沒(méi)有埋入其中的另一表面?zhèn)鹊钠矫娑雀哂谒龆嗫捉饘袤w(40，50)的所述一個(gè)表面?zhèn)鹊钠矫娑?。在多孔金屬體(40，50)和膜電極組件(10)之間獲得足夠的接觸表面積，而不用向(40，50)施加壓力。因此，可以實(shí)現(xiàn)與膜電極組件(10)低的接觸電阻，而不會(huì)改變多孔金屬體(40，50)的內(nèi)部狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101317292SQ200680044174
公開(kāi)日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者大竹康貴 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社