Mea部件和高分子電解質(zhì)型燃料電池的制作方法

文檔序號：6886991閱讀：225來源：國知局

專利名稱：Mea部件和高分子電解質(zhì)型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接合有MEA的MEA部件以及使用該MEA部件的高分子電解質(zhì)型燃料電池(以下簡稱為PEFC)。
背景技術(shù)：
PEFC的發(fā)電原理是由催化作用將陽極氣體以及陰極氣體的成分進行離子化，通過越過高分子電解膜而在陽極氣體以及陰極氣體之間進行離子交換，發(fā)生所謂的電池反應(yīng)。因此，PEFC具有高分子電解質(zhì) 膜被暴露于陽極氣體以及陰極氣體中的構(gòu)造。具體而言，PEFC的單電池(cell)是以如下方式構(gòu)成的接合有在高分子電解質(zhì)的中央部兩個面上形成有電極的高分子電解質(zhì)膜-電極組件(MEA : Membrane-Electrode-Assembly)的MEA部件被夾持于將陰極氣體流路溝槽形成于內(nèi)面的陰極隔板與將陽極氣體流路溝槽形成于內(nèi)面的陰極隔板(以下把兩隔板匯總而總稱為隔板)之間。而且，由該層疊該單電池而得到的電池堆構(gòu)成PEFC主體。
使用于該電池反應(yīng)的上述高分子電解質(zhì)膜目前一般是使用氟類的高分子膜?？墒牵?一般來說，該氟類的高分子膜雖然在濕潤的狀態(tài)下具有提供給電池反應(yīng)的氫離子的傳導性較高的特征，但是在干燥的狀態(tài)下氫離子的傳導性下降得非常厲害。因此，在PEFC中要求總是使高分子電解質(zhì)膜處于適當?shù)暮疇顟B(tài)。通常被實用化的是通過將被加濕的陽極氣體以及陰極氣體暴露于高分子電解質(zhì)膜中從而防止高分子電解質(zhì)膜的干燥的構(gòu)成。
為了加濕陽極氣體以及陰極氣體，在使用PEFC的現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)中，將加濕裝置構(gòu)成于這些氣體的供給系統(tǒng)中。另一方面，近年來，提出了將加濕機構(gòu)內(nèi)藏于PEFC的單電池(cell)內(nèi)或者利用單電池的構(gòu)成部件而將加濕機構(gòu)內(nèi)藏于PEFC主體中的技術(shù)(參照專利文獻1 至專利文獻9)。通過使PEFC主體內(nèi)藏加濕機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)恰當?shù)募?濕，同時可以不需要陽極氣體以及陰極氣體的供給系統(tǒng)的重整裝置，從而能夠期待使燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成小型化。
在這些文獻中，在專利文獻1至3中，電池反應(yīng)后的剩余的陰極氣體中的以及陽極氣體中的水分被使用于對陽極氣體以及陰極氣體的加濕。即，在這些文獻中，公開了把透水性膜作為隔膜而使電池反應(yīng) 前的陽極氣體以及陰極氣體和電池反應(yīng)后的陰極氣體進行流通的構(gòu) 成。因為電池反應(yīng)后的陰極氣體含有在電池反應(yīng)中所生成的水分，所以在電池反應(yīng)前的各個陽極氣體以及陰極氣體與電池反應(yīng)后的陰極氣體之間進行熱交換以及水分的交換，從而分別加濕電池反應(yīng)前的陽極氣體以及陰極氣體。該透水性膜具有透水性以及傳熱性，但需要氣體不透過的性質(zhì)，優(yōu)選氟類的高分子電解質(zhì)膜。
另外，在專利文獻4至8中，向PEFC主體供給的冷卻水等被使用于陽極氣體以及陰極氣體的加濕。即，在專利文獻4中，公開了把
透水膜作為隔膜而使電池反應(yīng)前的陰極氣體或者陰極氣體和補給水進行流通的構(gòu)成。利用這樣的構(gòu)成，在電池反應(yīng)前的陰極氣體或者陰極氣體的各個和補給水之間進行熱交換以及水分的交換，從而分別加濕
電池反應(yīng)前的陽極氣體以及陰極氣體。另外，在專利文獻5至8中，
公開了如下構(gòu)成由透過水分的多孔體構(gòu)成隔板，并利用從隔板的外
面浸入到隔板內(nèi)部的水分，以加濕陽極氣體流路溝槽內(nèi)以及陰極氣體流路溝槽內(nèi)的陽極氣體以及陰極氣體。
在專利文獻9中，公開了將加濕室設(shè)置于鄰接的單電池之間的構(gòu)
造的燃料電池。
專利文獻1:日本特開2002-25584號公報專利文獻2:日本特開2004-288583號公報專利文獻3:日本特開2005-267958號公報專利文獻4:日本特開平6-68896號公報專利文獻5:日本特開平6-68884號公報專利文獻6:日本特開平8-250130號公報專利文獻7:日本特開平6-231793號公報專利文獻8:日本特開平6-275284號公報專利文獻9:日本特開2001-185169號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，在專利文獻1至4所公開的加濕方法中還有改善的余地。
即，由發(fā)明者研究知道以高分子電解質(zhì)膜那樣的透水性膜的水蒸汽透過能力，為了加濕至在電池反應(yīng)中所需要的濕度，膜的面積變大，因此構(gòu)成電池堆的部件會大型化，從而就會削弱構(gòu)成小型化的燃料電池系統(tǒng)的效果。特別是在像車載用的燃料電池系統(tǒng)那樣要求燃料電池系統(tǒng)縮減尺寸的用途中，在使PEFC主體更加致密而且小型化方面，即在使其緊湊化的方面，還有改善的余地。
另外，在專利文獻5以及6所公開的加濕方法中也還有改善的余地。即，隔板的材料為多孔的碳或者金屬，并且隔板表面的細微孔不被堵塞對于向隔板體內(nèi)的水分的滲入以及在流路溝槽表面上的蒸發(fā)來說是必要的條件。另外，在像車載用的PEFC主體那樣要求耐振動性以及縮減隔板厚度尺寸的用途中，優(yōu)選通常的金屬制隔板。另外，根據(jù)隔板，有時會進行電鍍貴金屬等的表面處理，從而會堵塞隔板表面的細微孔。因此，在對于任何材質(zhì)的隔板都能夠適用的所謂的通用性的方面還有改善的余地。
專利文獻9由于將加濕室構(gòu)成于鄰接的單電池之間，而使流路構(gòu) 成復雜化，同時使氣體PEFC主體大型化。g卩，與專利文獻1至4同樣，在PEFC主體的緊湊化的方面，還有改善的余地。
本發(fā)明是為了解決上述那樣的課題而做出的，目的在于提供一種能夠吸收、輸送、蒸騰水分而且能夠緊湊地構(gòu)成的MEA部件。另外，目的還在于提供一種使用任何材質(zhì)的隔板都能夠加濕和加熱陽極氣體以及/或者陰極氣體而且能夠緊湊地構(gòu)成PEFC主體的PEFC。
發(fā)明人對于本發(fā)明，鑒于上述情況，研究了除隔板之外的PEFC 的構(gòu)成要素中的對陽極氣體以及陰極氣體的加濕機構(gòu)，結(jié)果，就保持 MEA的框體中的加濕機構(gòu)的構(gòu)成進行了研究。
但是，MEA部件的框體是板狀的，因此，構(gòu)成加濕機構(gòu)的容積受限制。而且，MEA部件的框體為具有密封墊的功能的構(gòu)造。因此，加濕機構(gòu)必須能夠以較小的容積來加以構(gòu)成，并且是即使由于框體的彎曲也不會阻斷或損傷加濕功能的構(gòu)造。
因此，本發(fā)明人悉心研究了能夠以更加小的容積輸送更多的水分而且即使被擠壓也能夠維持加濕功能的加濕機構(gòu)。其結(jié)果是發(fā)現(xiàn)了，通過使用具有可曲性的毛細管構(gòu)造體能夠解決這些問題，從而想到本發(fā)明。
艮口，第1本發(fā)明的MEA部件具有MEA和板狀的框體，該板狀的框體通過保持沿著所述MEA的周緣部延伸的高分子電解質(zhì)膜從而將所述MEA配設(shè)于框內(nèi)，并且在厚度方向上貫通而形成有陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管(manifold) L、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔；在所述框體的冷卻水供給歧管孔的孔壁以及冷卻水排出歧管孔的孔壁中的至少一者上形成有用于吸收水分的吸水部，在所述框體的至少一個主面上形成有用于蒸騰水分的蒸騰部，而且，在所述框體中連接所述吸水部和所述蒸騰部而埋設(shè)有毛細管構(gòu)造體。如此構(gòu)成之后，冷卻水供給歧管孔以及/或者冷卻水排出歧管孔的水分通過毛細管構(gòu)造體的毛細管作用而在框體內(nèi)流通，并且，毛細管構(gòu)造體內(nèi)的水分被MEA的反應(yīng)熱而加熱，所以在至少任意一個主面上能夠使水分蒸騰。因此，本發(fā)明的MEA部件能夠吸收、輸送、蒸騰水分，并且能夠緊湊地進行構(gòu)成。在此，毛細管構(gòu)造體是指能夠起到親水性的毛細管作用并且具有可曲性的部件。
第2本發(fā)明的MEA部件可以是，所述吸水部以及所述蒸騰部通過使所述毛細管構(gòu)造體露出于外部而被構(gòu)成。如此構(gòu)成之后，能夠形成更加簡單的構(gòu)造。
第3本發(fā)明的MEA部件可以是，所述蒸騰部被形成于比所述冷卻水供給歧管孔以及所述冷卻水排出歧管孔更接近于所述MEA的位置。如此構(gòu)成之后，就能夠蒸騰更加多的水分。
第4本發(fā)明的MEA部件可以是，具備中心部件、框形的陽極側(cè)部件以及框形的陰極側(cè)部件；所述中心部件具有平行的一對框形的薄膜；MEA，通過使所述高分子電解質(zhì)膜的周緣部夾持于所述一對薄膜中而被配設(shè)于所述薄膜的框內(nèi)；所述毛細管構(gòu)造體，夾持于所述一對薄膜中而被配設(shè)；以及密封體，分別將所述高分子電解質(zhì)膜的周緣部以及所述毛細管構(gòu)造體的周圍分隔開，并且以將所述高分子電解質(zhì)膜的周緣部、所述毛細管構(gòu)造體以及所述一對薄膜進行一體化的方式而配設(shè)于所述一對薄膜之間；所述框形的陽極側(cè)部件層疊于所述中心部件的一個主面的薄膜上而被配設(shè)；所述框形的陰極側(cè)部件層疊于所述中心部件的另一個主面的薄膜上而被配設(shè)。如此構(gòu)成之后，陽極側(cè)部件以及陰極側(cè)部件分別容易進行批量生產(chǎn)，而且，中心部件可以在準備了指定的形狀的一對薄膜之后，通過將MEA的周緣部的高分子電解質(zhì)膜、密封材以及毛細管構(gòu)造體配置于任一薄膜上，把另一薄膜覆蓋于它們上面，并進行熱處理，來進行制造。即，可以使MEA部件的批量生產(chǎn)變得容易。
另外，通過對密封部件的固化，從而能夠在一道工序中使密封部件、薄膜、MEA的周緣部的高分子電解質(zhì)膜以及毛細管構(gòu)造體進行一體化。也就是說，能夠使中心部件的制造工序合理化。
第5本發(fā)明的MEA部件可以是，所述中心部件、所述陽極側(cè)部件以及所述陰極側(cè)部件分別是不同的部件，在高分子電解質(zhì)型燃料電池構(gòu)成狀態(tài)下，它們通過層疊而被構(gòu)成。如此構(gòu)成之后，因為能夠省略中心部件、陽極側(cè)部件以及陰極側(cè)部件的一體化工序，所以能夠進一步提高MEA部件的批量生產(chǎn)性。
第6本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池將1個以上的具有權(quán)利要
求1所述的MEA部件、夾持所述MEA部件的陽極隔板以及陰極隔板
的單電池層疊而成；所述陽極隔板在對應(yīng)于所述MEA的陽極氣體供給
歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧
管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔的位置上，分別具
有陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、
陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔，并且在其內(nèi)面上具有連接所述陽極氣體供給歧管孔和所述陽極氣體排
出歧管孔的陽極氣體流路溝槽；所述陰極隔板在對應(yīng)于所述MEA的陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔的位置上，分別具有陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔，并且在其內(nèi)面上具有連接所述陰極氣體供給歧管孔和所述陰極氣體排出歧管孔的陰極氣體流路溝槽；所述陽極氣體流路溝槽以
8及所述陰極氣體流路溝槽中的至少一者是以接觸于所述MEA的所述蒸騰部的方式形成的。如此構(gòu)成之后，高分子電解質(zhì)型燃料電池不管使用怎樣的材質(zhì)的隔板都能夠加濕以及加熱陽極氣體以及/或者陰極氣體，并且能夠使高分子電解質(zhì)型燃料電池主體緊湊地構(gòu)成。
第7本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池可以是，所述陽極隔板以及所述陰極隔板是金屬制的。如此構(gòu)成之后，可以使高分子電解質(zhì)型燃料電池更加緊湊地構(gòu)成。
如上所述，本發(fā)明的MEA部件起到了能夠吸收、輸送、蒸騰水分
并且能夠緊湊地進行構(gòu)成的效果。
另外，本發(fā)明的PEFC起到了不管使用什么樣的材質(zhì)的隔板都能夠加濕以及加熱陽極氣體以及/或者陰極氣體并且能夠使高分子電解質(zhì) 型燃料電池主體緊湊地構(gòu)成的效果。

圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的PEFC主體的單電池以及電池堆的層疊構(gòu)造的部分分解斜視圖。
圖2是表示圖1的電池堆的單電池之間的層疊構(gòu)造的分解斜視圖。
圖3是圖1的MEA部件的陰極隔板側(cè)平面圖。
圖4是圖1的MEA部件的陽極隔板側(cè)平面圖。
圖5是在圖3的A-A線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。
圖6是在圖3的B-B線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。
圖7是在圖3的C-C線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。
圖8是在圖4的D-D線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。
圖9是表示圖1的MEA部件的層疊構(gòu)造的分解斜視圖。
圖10是圖9的MEA部件的陽極側(cè)薄膜的平面圖。
圖11是表示將密封材涂布于圖10的陽極側(cè)薄膜上的狀態(tài)的平面圖。
圖12是表示將密封材、MEA以及毛細管構(gòu)造體配設(shè)于圖11的陽極側(cè)薄膜上的狀態(tài)的平面圖。
圖13是表示圖9的MEA部件的中心部件的陰極隔板側(cè)的平面圖。圖14是變形例1的MEA部件中的在圖3的A-A線上的單電池組裝狀態(tài)吋的截面圖。
圖15是第4實施方式的中心部件的陽極隔板側(cè)平面圖。圖16是圖15的中心部件的陰極隔板側(cè)平面圖。
圖17是表示第4實施方式的陽極隔板的內(nèi)面的平面圖。圖18是表示第4實施方式的陰極隔板的內(nèi)面的平面圖。符號說明
1.高分子電解質(zhì)膜
2A.陽極側(cè)催化劑層 2C.陰極側(cè)催化劑層 4A.陽極側(cè)氣體擴散層 4C.陰極側(cè)氣體擴散層
5. 膜-電極組件(MEA)
6. 框體
6A.陽極側(cè)部件 6B.中心部件
7. MEA部件 7A、 7C.蒸騰部
10.單電池
121、 221、 321.陽極氣體供給歧管孔 12E、 22E、 32E.陽極氣體排出歧管孔 131、 231、 331.陰極氣體供給歧管孔 13E、 23E、 33E.陰極氣體排出歧管孔 141、 241、 341.冷卻水供給歧管孔 14E、 24E、 34E.冷卻水排出歧管孔 15、 25、 35.螺栓孔
20、 30. MEA接觸區(qū)域
21. 陽極氣體流路溝槽 26、 36.冷卻水流路溝槽31.陰極氣體流路溝槽
45A、 45C.孑L 51.毛細管構(gòu)造體 52A、 52C.薄膜 53.密封材
61. MEA周緣部配設(shè)區(qū)域
62. 毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域 921.陽極氣體供給歧管 92E.陽極氣體排出歧管 931.陰極氣體供給歧管 93E.陰極氣體排出歧管 941.冷卻水供給歧管 94E.冷卻水排出歧管
99.電池堆
具體實施例方式
以下參照附圖就用于實施本發(fā)明的最佳實施方式加以說明。
(第1實施方式)
首先，說明本實施方式的PEFC主體的構(gòu)成。
圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的PEFC主體的單電池以及電池堆的層疊構(gòu)造的部分分解斜視圖。
如圖1所示，在PEFC主體中，層疊多個矩形平板狀的單電池(cdl) 10而得到的電池堆(電池堆)99形成長方體狀而構(gòu)成。電池堆99被用于家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)、電動兩輪車、電動汽車、混合動力電動汽車、家電產(chǎn)品、便攜式計算機裝置、手機、便攜式音響設(shè)備以及便攜式信息終端等的便攜式電氣裝置等的燃料電池系統(tǒng)中。
還有，雖未圖示，但是在電池堆99的兩端的最外層安裝有集電板、絕緣板以及終端板，電池堆99通過從兩端由插入螺栓孔15,25,35的緊固螺栓(未圖示)和螺母進行緊固連接而構(gòu)成。
單電池10通過以一對平板狀的陽極隔板9A以及陰極隔板9C (把二者總稱為隔板)夾持MEA部件7而構(gòu)成。
在平面視圖中，在隔板9A,9C以及MEA部件7的周緣部上，貫通各個主面而穿通有螺栓孔15,25,35、陽極氣體供給歧管孔121,221,321、陽極氣體排出歧管孔12E,22E,32E、陰極氣體供給歧管孔131,231,331、陰極氣體排出歧管孔13E，23E，33E、冷卻水供給歧管孔141,241,341以及冷卻水排出歧管孔14E,24E，34E。陽極氣體供給歧管孔121,221,321以及陽極氣體排出歧管孔12E,22E,32E分別在電池堆99中連通，從而形成陽極氣體供給歧管92I以及陽極氣體排出歧管92E。另外，同樣，陰極氣體供給歧管孔131,231,331以及陰極氣體排出歧管孔13E，23E,33E分別在電池堆99中連通，從而形成陰極氣體供給歧管931以及陰極氣體排出歧管93E。再有，同樣，冷卻水供給歧管孔141,241,341以及冷卻水排出歧管孔14E，24E，34E分別在電池堆99中連通，從而形成冷卻水供給歧管941以及冷卻水排出歧管94E。
隔板9A，9C是由導電性材料構(gòu)成的。在單電池10組裝狀態(tài)時，陽極隔板9A的內(nèi)面的MEA接觸區(qū)域20接觸于MEA5的陽極側(cè)氣體擴散層4A，陰極隔板9C的內(nèi)面的MEA接觸區(qū)域30接觸于MEA5的陰極側(cè)氣體擴散層4C。因此，因為隔板9A，9C是由導電性材料構(gòu)成的，所以能夠經(jīng)由隔板9A,9C把在MEA5中所產(chǎn)生的電能取出至外部。
另外，在陽極隔板9A的內(nèi)面上，連結(jié)陽極氣體供給歧管孔22I和陽極氣體排出歧管孔22E之間而形成有陽極氣體流路溝槽21 。陽極氣體流路溝槽21在MEA接觸區(qū)域20的大致整個面上形成為蜿蜒 (serpentine)狀。同樣，在陰極隔板9C的內(nèi)面上，以連結(jié)陰極氣體供給歧管孔331和陰極氣體排出歧管孔33E之間的方式形成有陰極氣體流路溝槽31。陰極氣體流路溝槽31在MEA接觸區(qū)域30的大致整個面上形成為蜿蜒狀。由此，在單電池IO組裝狀態(tài)的時候，在MEA部件7和陽極隔板9A之間構(gòu)成了連結(jié)陽極氣體供給歧管孔221和陽極氣體排出歧管孔22E而延伸的陽極氣體流路。另外，在MEA部件7和陰極隔板9C之間構(gòu)成了連結(jié)陰極氣體供給歧管孔331和陰極氣體排出歧管孔33E而延伸的陰極氣體流路。再有，在陽極氣體流路溝槽21中流通的陽極氣體能夠較寬廣地擴散并流入到陽極側(cè)氣體擴散層4A中，在陰極氣體流路溝槽31中流通的陰極氣體能夠較寬廣地擴散并流入到陰極側(cè)氣體擴散層4C中。
另外，圖2是表示圖1的電池堆的單電池之間的層疊構(gòu)造的分解斜視圖。如圖2所示，在陽極隔板9A的外表面上，以連結(jié)冷卻水供給歧管孔241和冷卻水排出歧管孔24E之間的方式形成有冷卻水流路溝槽26。冷卻水流路溝槽26在MEA接觸區(qū)域20的背部的整個面上成蜿蜒狀形成。同樣，在陰極隔板9C的外表面上，以連結(jié)冷卻水供給歧管孔341和冷卻水排出歧管孔34E之間的方式形成有冷卻水流路溝槽 36。冷卻水流路溝槽36在MEA接觸區(qū)域30的背部的整個面上成蜿蜒狀地形成。另外，在電池堆99中，形成為冷卻水流路溝槽26和冷卻水流路溝槽36相接合。即，在單電池10層疊狀態(tài)的時候，冷卻水流路溝槽26,36被一體化，并在被層疊的單電池10彼此的層疊面之間構(gòu) 成連結(jié)冷卻水供給歧管孔241,341和冷卻水排出歧管孔24E,34E而延伸的冷卻水流路。
以下說明MEA部件7。
圖3是圖1的MEA部件的陰極隔板側(cè)平面圖，圖4是圖1的MEA 部件的陽極隔板側(cè)平面圖。
如圖3以及圖4所示，MEA部件7在平面視圖中具有中心部的 MEA5和周緣部的框體6被構(gòu)成，螺栓孔以及歧管孔貫通框體6而形成。
在此，框體6至少在表面上具有彈性體。因此，在配設(shè)于陽極隔板9A以及陰極隔板9C之間的MEA部件7中，框體6發(fā)揮密封墊的功能。
在MEA部件7的陰極隔板側(cè)的面上，在陰極氣體供給歧管孔131 和MEA5之間的區(qū)域內(nèi)形成有蒸騰部7C，而使毛細管構(gòu)造體51露出于外部。由此，陰極隔板9C的陰極氣體流路溝槽31從陰極氣體供給歧管孔331向MEA接觸區(qū)域30延伸，所以在單電池10組裝狀態(tài)的時候，這個區(qū)間的陰極氣體流路溝槽31與陰極側(cè)蒸騰部7C相接觸。
同樣，如圖4所示，在MEA部件7的陽極隔板側(cè)的面上，在陽極氣體供給歧管孔121和MEA5之間的區(qū)域內(nèi)形成有蒸騰部7A，而使毛細管構(gòu)造體51露出于外部。由此，因為陽極隔板9A的陽極氣體流路溝槽21從陽極氣體供給歧管孔221向MEA接觸區(qū)域20延伸，所以在單電池10組裝狀態(tài)的時候，這個區(qū)間的陽極氣體流路溝槽21與陽極側(cè)蒸騰部7A相接觸。
圖5是在圖3的A-A線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。圖6是在圖3的B-B線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。圖7是在圖3的C-C 線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。圖8是在圖4的D-D線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。
如圖5至圖8所示，MEA5具有高分子電解質(zhì)膜1和層疊于其兩個面上而構(gòu)成的一對電極而構(gòu)成。具體為，MEA5是通過具有由被認為選擇性地透過氫離子的離子交換膜構(gòu)成的高分子電解質(zhì)膜1以及在高分子電解質(zhì)膜1的周緣部的內(nèi)側(cè)的部分的兩面上形成的一對電極層而構(gòu)成的。電極層是通過具備以擔載有鉑族金屬催化劑的碳粉末為主成分的一對陽極側(cè)催化劑層2A以及陰極側(cè)催化劑層2C以及配設(shè)于該一對催化劑層2A，2C的外表面的一對陽極側(cè)氣體擴散層4A以及陰極側(cè) 氣體擴散層4C而構(gòu)成的。在此，氣體擴散層4A，4C具有多孔構(gòu)造以使其同時具備通氣性和電子傳導性。即，陰極側(cè)催化劑層2C以及陰極側(cè) 氣體擴散層4C構(gòu)成陰極電極，陽極側(cè)催化劑層2A以及陽極側(cè)氣體擴散層4A構(gòu)成陽極電極。
在此，對于高分子電解質(zhì)膜l，優(yōu)選是由全氟磺酸構(gòu)成的膜。例如例示有DuPont公司制的Nafion (注冊商標)膜。并且，通常，MEA5 是通過利用依次涂布、轉(zhuǎn)印等的方法在高分子電解質(zhì)膜上形成催化劑層2A，2C以及氣體擴散層4A，4C而制造。或者，也可以利用如此制造的MEA5的市售品。
以下說明本發(fā)明的主要部分MEA部件7的框體6的構(gòu)造。
如圖5至圖8所示，在框體6中埋設(shè)了毛細管構(gòu)造體51。具體為，毛細管構(gòu)造體51在MEA部件7的平面方向(平行于主面的方向)上由密封材(密封體)53隔開，并且在MEA部件7的厚度方向上，被板狀的陰極側(cè)部件6C和陰極側(cè)薄膜52C以及陽極側(cè)部件6A以及陽極側(cè)薄膜52A覆蓋。
毛細管構(gòu)造體51是指能夠起到親水性的毛細管作用并且具有可曲性的部件。一般來說是具有植物纖維、金屬纖維、碳纖維或者合成纖維的部件，以細繩或者無紡布的形態(tài)構(gòu)成的。另外，毛細管構(gòu)造體51具有與高分子電解質(zhì)膜1相同程度的厚度。在毛細管構(gòu)造體中使用幾個pm程度的極其細的纖維。由此，能夠?qū)⒚毠軜?gòu)造體51的厚度加工得較薄至與高分子電解質(zhì)膜1相同程度即直至幾十lim程度為止。
于是，如圖5所示，在形成于陰極側(cè)部件6C以及陰極側(cè)薄膜52C 上的孔45C的底部露出毛細管構(gòu)造體51，從而構(gòu)成蒸騰部7C。并且，陰極隔板9C的陰極氣體流路溝槽31與MEA部件7的蒸騰部7C相接觸。
如圖6以及圖7所示，毛細管構(gòu)造體51在冷卻水供給歧管孔141 的孔壁(吸水部)以及冷卻水排出歧管孔14E的孔壁(吸水部)上露出于外部。即，在冷卻水供給歧管孔141以及冷卻水排出歧管孔14E 中形成有吸水部。
如圖8所示，在形成于陽極側(cè)部件6A以及陽極側(cè)薄膜52A的孔 45A的底部，露出毛細管構(gòu)造體51從而構(gòu)成蒸騰部7A。并且，陽極隔板9A的陽極氣體流路溝槽21與蒸騰部7A相接觸。
因此，埋設(shè)在密封墊6內(nèi)的毛細管構(gòu)造體51能夠由毛細管作用把從吸水部(冷卻水供給歧管孔141以及冷卻水排出歧管孔14E)吸收的水分輸送至蒸騰部7A，7C，并能夠由MEA5的反應(yīng)熱在蒸騰部7A，7C 中使水分蒸騰至陽極氣體流路溝槽21以及陰極氣體流路溝槽31內(nèi)。
以下將對本實施方式的MEA部件7的框體6的構(gòu)造作詳細說明。
圖9是表示圖1的MEA部件的層疊構(gòu)造的分解斜視圖。
如圖9所示，框體6是通過具有密封材53、毛細管構(gòu)造體51、薄膜52A，52C、陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C而構(gòu)成的。
以下將MEA部件7的框體6的構(gòu)造分成陽極側(cè)部件6A、中心部件6B以及陰極側(cè)部件6C這樣3個部件來加以說明。
首先，說明中心部件6B的構(gòu)造。為了便于說明，分成圖10至圖 13的4個分解圖來加以說明。
圖10是圖9的MEA部件的陽極側(cè)薄膜的平面圖。
如圖10所示，陽極側(cè)薄膜52A為框形，具有矩形的外形，并在中央處形成有開口部6W。
開口部6W形成為這樣的框形能夠露出MEA5，并且在配置 MEA5的時候，沿著MEA5的周緣部延伸的高分子電解質(zhì)膜1在開口部6W的周緣整周上與薄膜52A重疊。還有，后述的陰極側(cè)薄膜52C、陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C也被形成為具有開口部6W的框形。
另外，在開口部6W的周圍，在厚度方向上貫通而形成有螺栓孔 15，25，35以及各種歧管孔121，12E，13I，13E，14I，14E。并且，在陽極氣體供給歧管孔121和開口部6W之間的區(qū)域中形成了陽極側(cè)的孔45A。
在此，對于薄膜52A，優(yōu)選為具有防水性、具有單電池10的發(fā)熱溫度以上的耐熱性并且相對于水、陽極氣體以及陰極氣體物性穩(wěn)定的材質(zhì)。例如優(yōu)選為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)以及聚醚酰亞胺(PEI)等所謂的工程用塑料薄膜。薄膜52A 具有與催化劑層2A相同程度的厚度(參照圖5至圖8)。
圖11是表示將密封材涂布于圖10的陽極側(cè)薄膜上的狀態(tài)的平面圖。
如圖11所示，密封材53通過絲網(wǎng)印刷而在薄膜52A上被涂布成與高分子電解質(zhì)膜1基本同等的厚度(參照圖5至圖8)。
除了 MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61以及毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62以外，密封材53被配設(shè)于薄膜52A的整個面上。g卩，密封材53分別隔開高分子電解質(zhì)膜1的周緣部以及毛細管構(gòu)造體51的周圍，并且以使高分子電解質(zhì)膜l的周緣部、毛細管構(gòu)造體51以及一對薄膜52A,52C 一體化的方式被配設(shè)于一對薄膜52A,52C之間。再有，在此被配設(shè)成填埋一對薄膜52A,52C之間的空間。gP，是包圍螺栓孔15和陽極氣體供給歧管孔121、陽極氣體排出歧管孔12E、陰極氣體供給歧管孔131 以及陰極氣體排出歧管孔的周圍而進行配設(shè)的。在沒有配設(shè)密封材53 的凹部形成了MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61以及毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62。
在此，密封材53是通過被涂布于薄膜52A上而進行配設(shè)的。
MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61在平面視圖中在開口部6W的周圍，形成為能夠容納沿著MEA5周緣部延伸的高分子電解質(zhì)膜1。另外，高分子電解質(zhì)膜1配設(shè)成隔開中心部件6B的兩面，所以MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61沿著開口部6W的外周形成為環(huán)狀。因此，MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61是根據(jù)沿著MEA5周圍延伸的高分子電解質(zhì)膜1的形狀以及開口部6W的形狀來決定的。
接著，毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62是由密封材53隔開與MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61之間而被形成的。在此，沿著MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61 的外周將密封材53涂布成為環(huán)狀。并且，沿著該環(huán)狀的密封材的外周將毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62形成為環(huán)狀。由此，能夠防止毛細管構(gòu)造體51的水分漏到MEA5內(nèi)部。
另外，毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62是通過分別包圍冷卻水供給歧管孔141以及冷卻水排出歧管孔14E 二者而形成的。由此，可以在冷卻水供給歧管孔141以及冷卻水排出歧管孔14E的孔壁上形成吸水部。
另外，吸水部可以被形成于冷卻水供給歧管孔141以及冷卻水排出歧管孔14E中的至少一者上。因此，毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62可以面向冷卻水供給歧管孔141以及冷卻水排出歧管孔14E中的至少一者而形成。
而且，毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62是通過把薄膜52A的孔45A包含于區(qū)域內(nèi)而形成的。由此，可以在孔45A的位置上露出毛細管構(gòu)造體51而形成蒸騰部7A。
對于密封材53，優(yōu)選為具有防水性、具有單電池IO的發(fā)熱溫度以上的耐熱性且對于水、陽極氣體以及陰極氣體化學穩(wěn)定的材質(zhì)。例如優(yōu)選乙烯-丙烯-二烯橡膠(EPDM)等的彈性體。
圖12是表示將密封材、MEA以及毛細管構(gòu)造體配設(shè)于圖11的陽極側(cè)薄膜上的狀態(tài)的平面圖。
如圖12所示，在薄膜52A上的MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61以及毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62上分別配設(shè)有MEA5以及毛細管構(gòu)造體51。
MEA5是使電極層4A，4C位于開口部6W中并使高分子電解質(zhì)膜1 的周緣部容納于MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61中來進行配置的。
毛細管構(gòu)造體51是通過被容納于毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62中而進行配設(shè)的。在此，在薄膜52A的陽極側(cè)的孔45A中露出毛細管構(gòu)造體51。
圖13是表示圖9的MEA部件的中心部件的陰極隔板側(cè)的平面圖。如圖13所示，陰極側(cè)薄膜52C覆蓋密封材53、 MEA5的周緣部以及毛細管構(gòu)造體51而被配置于中心部件6B中。并且，配置有陰極側(cè)薄膜52C的中心部件6B經(jīng)熱處理而使內(nèi)部的密封材53固化。通過熱處理，密封材53在分別與薄膜52A,52C、 MEA5的周緣部的高分子
17電解質(zhì)膜l以及毛細管構(gòu)造體51相接合的同時被固化，所以中心部件
6B被一體化。
在此，陰極側(cè)薄膜52C為框形，且具有矩形的外形，在中央處形成有開口部6W。另外，在開口部6W的周緣部，在厚度方向貫通而形成有螺栓孔15，25，35以及各種歧管孔121,12E，13I，13E,14I,14E。
另外，在薄膜52C上，在與毛細管構(gòu)造體51相接觸的位置上形成有陰極側(cè)的孔45C。由此，在孔45C的位置上，可以露出毛細管構(gòu)造體51從而形成蒸騰部7C。具體是，在陰極氣體供給歧管孔131和開口部6W之間的區(qū)域中形成陰極側(cè)的孔45C。
在此，適合于陰極側(cè)薄膜52C的薄膜與適合于陽極側(cè)薄膜52的薄膜相同。另外，薄膜52C具有與催化劑層2C相同程度的厚度。
如上所述，中心部件6B具有平行的一對框形的薄膜52A，52C。并且，將高分子電解質(zhì)膜1的周緣部夾持于一對薄膜52A，52C中從而把 MEA5配設(shè)于薄膜52A,52C的框內(nèi)。另外，在一對薄膜52A，52C中夾持著毛細管構(gòu)造體51。而且，密封材53以分別隔開高分子電解質(zhì)膜1 的周緣部以及毛細管構(gòu)造體51的周圍并且使高分子電解質(zhì)膜1的周緣部、毛細管構(gòu)造體51以及一對薄膜52A,52C—體化的方式，配設(shè)于一對薄膜52A,52C之間。
接著，對于陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C，優(yōu)選分別是平板狀的彈性體，并且是具有單電池10的發(fā)熱溫度以上的耐熱性的材質(zhì)。由此，能夠在PEFC主體的緊固負荷下確保良好的密封性。
還有，對于陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C而言，優(yōu)選是對于水以及陽極氣體化學穩(wěn)定的材質(zhì)。具體而言，氟橡膠以及熱塑性彈性物質(zhì)作為陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C的材質(zhì)是合適的。作為熱
塑性彈性物質(zhì)，可以例示聚烯烴類熱塑性彈性物質(zhì)寸y卜7。i/:/
8101-55(Advanced Elasotomer System公司制)。
陽極側(cè)部件6A具有與陽極側(cè)薄膜52A相同的平面形狀。即，如圖10所示，在中央處形成有開口部6W，在開口部6W的周圍，在厚度方向上貫通而形成有螺栓孔15,25,35以及各種歧管孔 121,12E,13I,13E，14I，14E。并且，在與薄膜52A的孔45A相連通的位置上，在陽極側(cè)部件6A上也形成有孔45A。同樣，陰極側(cè)部件6C具有與陰極側(cè)薄膜52C相同的平面形狀。即，
如圖13所示，在中央處形成有幵口部6W，在開口部6W的周圍，在厚度方向上貫通而形成有螺栓孔15,25,35以及各種歧管孔 121,12E,13I，13E，14I，14E。并且，在與薄膜52C的孔45C相連通的位置上，在陰極側(cè)部件6C上也形成有孔45C。
根據(jù)這樣的構(gòu)成，蒸騰部7A是通過在連通陽極側(cè)部件6A以及陽極側(cè)薄膜52A而形成的陽極側(cè)的孔45A的底部使毛細管構(gòu)造體51露出于外部而構(gòu)成的。同樣，蒸騰部7C是通過在連通陰極側(cè)部件6C以及陰極側(cè)薄膜52C而形成的陰極側(cè)的孔45C的底部使毛細管構(gòu)造體51 露出于外部而構(gòu)成的。
在此，蒸騰部7A,7C是比冷卻水供給歧管孔141以及卻水排出歧管孔14E更加接近于MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61而形成的。根據(jù)這樣的構(gòu)造，蒸騰部7A，7C的水分被MEA5的反應(yīng)熱進一步加熱，所以能夠使更多的水分蒸騰。在此，蒸騰部7A，7C被形成于陽極氣體供給歧管孔121和開口部6W之間的區(qū)域以及陰極氣體供給歧管孔13I和開口部 6W之間的區(qū)域中。
還有，陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C的外部面構(gòu)成為，能夠分別與陽極隔板9A以及陰極隔板9C的內(nèi)面緊密結(jié)合。即，在此，陽極隔板9A以及陰極隔板9C的內(nèi)面是平面狀的，所以陽極側(cè)部件6A 以及陰極側(cè)部件6C的外表面形成為分別位于與MEA5的氣體擴散層 4A,4C相同的平面上。具體為，陽極側(cè)部件6A構(gòu)成為與陽極側(cè)氣體擴散層4A同等的厚度，陰極側(cè)部件6C構(gòu)成為與陰極側(cè)氣體擴散層4C 同等的厚度。或者，在將隔板9A,9C的MEA接觸區(qū)域20，30形成得高出于隔板9A,9C的內(nèi)面一級的情況下，陽極側(cè)部件6A也可以構(gòu)成為比陽極側(cè)氣體擴散層4A厚MEA接觸區(qū)域20的階梯差部分，陰極側(cè)部件6C也可以構(gòu)成為比陰極側(cè)氣體擴散層4C厚MEA接觸區(qū)域30的階梯差部分。由此，在單電池10組裝狀態(tài)的時候，氣體擴散層4A，4C與陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C均等地與隔板9A，9C相接觸而被擠壓，所以能夠抑制陽極氣體、陰極氣體或者冷卻水向外部或者向流路外的泄漏。
根據(jù)這樣的MEA部件7的構(gòu)造，陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C分別能夠批量生產(chǎn)，而且，中心部件6B可以通過如下方法制造
在準備了指定的形狀的一對薄膜52A,52C之后，將MEA5的周緣部的高分子電解質(zhì)膜1、密封材53以及毛細管構(gòu)造體51配置于任意的一個薄膜52A，52C上，再在它們之上覆蓋另一薄膜52A，52C，進行熱處理。即，能夠容易地對MEA部件7進行批量生產(chǎn)。
另夕卜，中心部件6B可以按照圖10至圖13的工序進行制作。因此，通過使密封材固化，可以以一道工序使中心部件6B的構(gòu)成要素一體化，所以能夠?qū)⒅行牟考?B的制造工序進行合理化。
而且，MEA部件7是分別將陽極側(cè)部件6A、中心部件6B以及陰極側(cè)部件6C的3個部件作為不同的部件來構(gòu)成的。即，在單電池10 組裝的時候，層疊這些部件并且使之緊密結(jié)合從而作為MEA部件7被一體化。具體是，在單電池10組裝的時候，陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C分別層疊于中心部件6B的薄膜52A，52C上而被配設(shè)。因此，通過分別使這些部件6B,6A,6C為不同的部件，能夠省略中心部件6B、陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C的一體化工序，所以能夠進一步提高MEA部件的批量生產(chǎn)性。
以下參照圖1就如上所述構(gòu)成的電池堆99的運轉(zhuǎn)工作加以說明。
首先，分別向陽極氣體供給歧管92I供給陽極氣體，向陰極氣體供給歧管93I供給陰極氣體。
陽極氣體從各個陽極氣體供給歧管孔221分別向陽極流路溝槽21 進行分支而流通。同樣，陰極氣體從各個陰極氣體供給歧管孔33I分別向陰極流路溝槽31進行分支而流通。各個氣體在各個供給歧管921,931 中由PEFC的電池反應(yīng)熱而被預(yù)熱。
另外，冷卻水從各個冷卻水供給歧管孔241,341分別向冷卻水流路溝槽26進行分支而流通。
另外，冷卻水的一部分在冷卻水供給歧管孔141或者冷卻水排出歧管孔14E的孔壁上浸入到毛細管構(gòu)造體51中。于是，在毛細管構(gòu)造體 51中進行傳遞從而到達蒸騰部7A，7C。
在此，在單電池IO發(fā)電運轉(zhuǎn)的時候，在MEA5中的電池反應(yīng)的反應(yīng)熱經(jīng)由高分子電解質(zhì)膜1、密封材53、薄膜52A,52C、陽極側(cè)部件 6A以及陰極側(cè)部件6C中的至少一個部件而傳遞到毛細管構(gòu)造體51，所以浸入到毛細管構(gòu)造體51的水分被加熱。而且，蒸騰部7A,7C被構(gòu) 成在比冷卻水供給歧管孔141和冷卻水排出歧管孔14E更加接近于 MEA5的位置上，所以在蒸騰部7A,7C上能夠蒸騰更多的水分。
并且，陽極氣體流路溝槽21內(nèi)的陽極氣體在從陽極氣體供給歧管孔221到MEA接觸區(qū)域20為止的區(qū)間的陽極氣體流路溝槽21中，由從蒸騰部7A蒸騰出來的水分加濕以及加熱。同樣，陰極氣體流路溝槽 31內(nèi)的陽極氣體也是在從陰極氣體供給歧管孔331到MEA接觸區(qū)域 30為止的區(qū)間的陰極氣體流路溝槽31中，由從蒸騰部7C蒸騰出來的水分加濕以及加熱。
陽極氣體到達了 MEA接觸區(qū)域20的陽極流路溝槽21后，陽極側(cè) 氣體擴散層4A被暴露于陽極氣體中。陽極氣體在擴散至陽極側(cè)氣體擴散層4A內(nèi)的同時透過陽極側(cè)氣體擴散層4A，從而到達陽極側(cè)催化劑層2A(參照圖8)。同樣，陰極氣體到達了 MEA接觸區(qū)域30的陰極流路溝槽31后，陰極側(cè)氣體擴散層4C被暴露于陰極氣體中。陰極氣體在擴散至陰極側(cè)氣體擴散層4C內(nèi)的同時透過陰極側(cè)氣體擴散層4C，從而到達陰極側(cè)催化劑層2C (參照圖5)。
在此，經(jīng)由陽極隔板9A、陰極隔板9C、集電板(未圖示)以及外部的電氣回路(未圖示)而構(gòu)成陽極側(cè)催化劑層2A和陰極側(cè)催化劑層2C的電連接回路之后，進行陽極氣體和陰極氣體的電化學反應(yīng)，從而在陰極側(cè)電極以及陰極氣體流路溝槽31中生成水，同時產(chǎn)生熱和電。
并且，剩余的陽極氣體被排出到連接于陽極流路溝槽21的陽極氣體排出歧管孔22E中，并從陽極氣體排出歧管92E向外部排出。同樣，剩余的陰極氣體被排出到連接于各個陰極流路溝槽31的陰極氣體排出歧管孔33E，并從陰極氣體排出歧管93E向外部排出。再有，冷卻水被排出至連接于冷卻水流路溝槽26,36的冷卻水排出歧管孔24E,34E，并從冷卻水排出歧管94E向外部排出。
(第2實施方式)
第2實施方式的MEA部件除了省略了陰極側(cè)薄膜52C以及陰極側(cè)部件6C的孔45C這一點之外，其余的構(gòu)造與第1實施方式的MEA 部件7相同(參照圖9)。艮l]，在第2實施方式的MEA部件中，不形成陰極隔板9C側(cè)的蒸騰部7C，而形成陽極隔板9A側(cè)的蒸騰部7A。因此，在單電池10中形成冷卻水不用于陰極氣體的加濕以及加熱的構(gòu)造，而形成由陽極隔板9A側(cè)的蒸騰部7A用于陽極氣體流路溝槽21的陽極氣體的加濕以及加熱的構(gòu)造。
(第3實施方式)
第3實施方式的MEA部件除了省略了陽極側(cè)薄膜52A以及陽極側(cè)部件6A的孔45A這一點之外，其余的構(gòu)造與第1實施方式的MEA 部件7相同(參照圖9)。
艮口，在第3實施方式的MEA部件中，不形成陽極隔板9A側(cè)的蒸騰部7A，而形成陰極隔板9C側(cè)的蒸騰部7C。因此，在單電池10中形成冷卻水不被使用于陽極氣體的加濕以及加熱的構(gòu)造，而形成由陰極隔板9C側(cè)的蒸騰部7C用于陰極氣體流路溝槽31的陰極氣體的加濕
以及加熱的構(gòu)造。
在此，本發(fā)明的MEA部件可以是，在冷卻水供給歧管孔141的孔壁以及冷卻水排出歧管孔14E的孔壁中的至少一者上形成吸水部，在 MEA部件的至少一個主面上形成蒸騰部，并且以連接吸水部以及蒸騰部的方式而埋設(shè)毛細管構(gòu)造體51。例如，本實施方式的MEA部件7 可以形成下述的變形例1那樣的構(gòu)造。
圖14是在變形例1的MEA部件中的在圖3的A-A線上的單電池組裝狀態(tài)時的截面圖。
變形例1是將MEA部件7的框體6的構(gòu)造進行了變形。也就是說，是省略了中心部件6B的密封材53以及薄膜52A,52C并由陽極側(cè)部件 6A以及陰極側(cè)部件6C夾持毛細管構(gòu)造體51的構(gòu)造。
在此，陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C是夾持沿著MEA5的周緣部延伸的高分子電解質(zhì)膜1并且陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C 彼此也接合而構(gòu)成的。因此，MEA部件7成為了一體構(gòu)造。
在陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C中使用寸y卜7° 1/ y 8101 -55(Advanced Elasotomer System公司制)那樣的熱塑性彈性物質(zhì)。
如圖14所示，陽極側(cè)部件6A的內(nèi)面?zhèn)鹊钠矫嫘螤钍峭ㄟ^使毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62和MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61分別凹陷其厚度的程度或者其一半的程度來形成的。
陰極側(cè)部件6C的內(nèi)面?zhèn)鹊钠矫嫘螤畋粯?gòu)成為，夾持容納于毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62內(nèi)的毛細管構(gòu)造體51和配設(shè)于MEA周緣部配設(shè)區(qū) 域61中的高分子電解質(zhì)膜1的周緣部，并與陽極側(cè)部件6A相接合。
變形例1的MEA部件可以由如下的方法制造。
在第1工序中，通過使用上下分割的模具(未圖示)的注塑成形，從而制作陽極側(cè)部件6A。在上側(cè)的模具中，毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62 和MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61成為凸部而形成。由此，如圖14所示，陽極側(cè)部件6A的內(nèi)面?zhèn)鹊钠矫嫘螤钔ㄟ^使毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62和 MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61分別凹陷其厚度的程度或者凹陷其一半的程度來形成。
然后，在第2工序中，拆卸上側(cè)的模具，將高分子電解質(zhì)膜1的周緣部配設(shè)于陽極側(cè)部件6A的MEA周緣部配設(shè)區(qū)域61上，并將毛細管構(gòu)造體51配設(shè)于陽極側(cè)部件6A的毛細管構(gòu)造體配設(shè)區(qū)域62上。
然后，在第3工序中，形成陰極側(cè)部件6C的形狀的模具(未圖示) 被接合于陽極側(cè)部件6A的上側(cè)，從而通過注塑成形來制作陰極側(cè)部件 6C。此時，利用注塑成形時的熱和壓力，陰極側(cè)部件6C與陽極側(cè)部件 6A、毛細管構(gòu)造體51以及高分子電解質(zhì)膜1進行熱壓合。即，MEA 部件7被一體化制作。
另外，優(yōu)選除了蒸騰部7A,7C而在毛細管構(gòu)造體51的兩個主面上接合薄膜。即，因為可以防止在陽極側(cè)部件6A或者陰極側(cè)部件6C注塑成形時熱塑性彈性物質(zhì)向毛細管構(gòu)造體51內(nèi)的浸入，所以可以防止由于向毛細管構(gòu)造體51內(nèi)部分浸入熱塑性彈性物質(zhì)而引起的毛細管構(gòu) 造體51的吸水能力的下降。
這一系列的工序可以通過使用滑塊模具或者旋轉(zhuǎn)模具而在一個成形機內(nèi)連續(xù)進行第1工序至第3工序。由此，可以進一步簡化工序，可以進一步提高MEA1的批量生產(chǎn)性。
最后，將催化劑層2A，2C以及氣體擴散層4A，4C形成于開口部6W內(nèi)的高分子電解質(zhì)膜l上，從而制作MEA5。
(第4實施方式)
第4實施方式是僅第1實施方式的MEA部件7的平面形狀不同的實施方式。因此，由于其它的構(gòu)成與第1實施方式相同，所以只對在 MEA部件7的平面形狀中與第1實施方式不同的點加以說明。
圖15是第4實施方式的中心部件的陽極隔板側(cè)平面圖。圖16是圖15的中心部件的陰極隔板側(cè)平面圖。圖17是表示第4實施方式的陽極隔板的內(nèi)面的平面圖。圖18是表示第4實施方式的陰極隔板的內(nèi) 面的平面圖。在圖15至圖18中，與圖1至圖9相同或者相當?shù)臉?gòu)造上標注相同的符號。
如圖15至圖18所示，陽極氣體供給歧管孔121,221,321、陽極氣體排出歧管孔12E，22E，32E、陰極氣體供給歧管孔13I，23I，33I、陰極氣體排出歧管孔13E,23E，33E、冷卻水供給歧管孔141,241,341以及冷卻水排出歧管孔14E，24E,34E被配設(shè)于開口部6W的側(cè)方的兩旁邊。在此，構(gòu) 成為陽極氣體和陰極氣體以MEA5為隔膜相對流動。也就是說，構(gòu)成為陽極氣體供給歧管孔12I，22I，32I和陰極氣體排出歧管孔 13E，23E，33E位于開口部6W的一個側(cè)方，而陽極氣體排出歧管孔 12E,22E,32E和陰極氣體供給歧管孔131,231,331位于開口部6W的另一個側(cè)方。
如圖15以及圖16所示，在MEA部件7的中心部件6B中，毛細管構(gòu)造體51被配設(shè)于這些歧管孔和開口部6W之間。并且，如圖15 以及圖17所示，陽極側(cè)的蒸騰部7A在陽極氣體供給歧管孔121和 MEA5之間，被形成于與陽極氣體隔板9A的陽極氣體流路溝槽21相接觸的區(qū)域中。同樣，如圖16以及圖18所示，陰極側(cè)的蒸騰部7C在陰極氣體供給歧管孔131和MEA5之間，被形成于與陰極氣體隔板9C 的陰極氣體流路溝槽31相接觸的區(qū)域中。
并且，如圖17以及圖18所示，在陽極隔板9A以及陰極隔板9C 上，陽極氣體流路溝槽21以及陰極氣體流路溝槽31分別在從陽極氣體供給歧管孔221以及陰極氣體供給歧管孔331直至MEA接觸區(qū)域 20,30為止的區(qū)間中形成格子狀的流路溝槽，并且，該區(qū)間在平面視圖中形成為朝著MEA接觸區(qū)域20,30的側(cè)端展寬的扇形的形狀。在MEA 接觸區(qū)域20，30中，以連結(jié)MEA接觸區(qū)域20，30的側(cè)端彼此的方式平行地形成了多條流路溝槽。在從MEA接觸區(qū)域20,30直至陽極氣體排出歧管22E以及陰極氣體排出歧管33E為止的區(qū)間中，成格子狀地形成流路溝槽，并且，該區(qū)間在平面視圖中形成為朝著陽極氣體排出歧管22E以及陰極氣體排出歧管33E縮小的扇形的形狀。
由此，在單電池IO組裝狀態(tài)的時候，蒸騰部7A，7C分別與從陽極氣體供給歧管221以及陰極氣體供給歧管331直至MEA接觸區(qū)域20,30 為止的區(qū)間的陽極氣體流路溝槽21以及陰極氣體流路溝槽31相接觸。于是，與第1實施方式同樣，可以進行對陽極氣體以及陰極氣體的加濕以及加熱。
以上，如第1至第4實施方式中所示的那樣，本發(fā)明的MEA部件 7在框體6的冷卻水供給歧管孔141的孔壁以及冷卻水排出歧管孔14E 的孔壁中的至少一者上形成吸收水分的吸水部，并且，在框體6的陰極隔板9C側(cè)的面以及陽極隔板9A側(cè)的面中的至少一者上形成蒸騰水分的蒸騰部7A，7C，而且，在框體6的體內(nèi)埋設(shè)連結(jié)吸水部141,14E和蒸騰部7A，7C的毛細管構(gòu)造體51。根據(jù)如此的構(gòu)成，冷卻水供給歧管孔141以及/或者冷卻水排出歧管孔14E的水分通過毛細管構(gòu)造體51的毛細管作用而在框體6內(nèi)流通，并且，毛細管構(gòu)造體51內(nèi)的水分由 MEA5的反應(yīng)熱而被加熱，所以在陽極隔板9A側(cè)的面以及/或者陰極隔板9C側(cè)的面上蒸騰水分。因此，MEA部件7可以吸收、輸送、蒸騰水分。
另外，蒸騰部7A，7C不需要現(xiàn)有的MEA部件的框體面部的擴大就可以得以確保，所以可以使MEA部件7緊湊地構(gòu)成。
再有，MEA部件7不限于相對于金屬制等的隔板材質(zhì)而可以相對于廣泛的各種各樣的材質(zhì)的隔板都適用。因此，本發(fā)明的PEFC無論使用怎樣的材質(zhì)的隔板都可以加濕以及加熱陽極氣體以及/或者陰極氣體，并且可以使PEFC主體緊湊地構(gòu)成。
特別地，金屬制的隔板與其它材質(zhì)的隔板相比較，可以使厚度變薄，所以通過使隔板9A，9C為金屬制的，從而可以更緊湊地構(gòu)成PEFC 主體。還有，作為本發(fā)明來說，上述的實施方式是一個例子，在不損害本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)可以有各種各樣的變更，本發(fā)明并不限于上述的實施方式。例如，在第l實施方式中，根據(jù)陽極氣體流路溝槽21以
及陰極氣體流路溝槽31決定MEA部件7的蒸騰部21，31的位置，但是也可以在決定了蒸騰部21,31的位置之后，根據(jù)蒸騰部21，31的位置而以使其經(jīng)由與蒸騰部7A,7C相接觸的區(qū)域的方式來形成陽極氣體流路溝槽21以及陰極氣體流路溝槽31。
另外，MEA部件7的吸水部或者蒸騰部也可以不使毛細管構(gòu)造體 51露出而構(gòu)成。例如，也可以在蒸騰部7A,7C、冷卻水供給歧管孔141 的孔壁或者冷卻水排出歧管孔14E的孔壁上，由透水性物質(zhì)、例如多孔物質(zhì)覆蓋毛細管構(gòu)造體51的表面來構(gòu)成。或者也可以將透水性物質(zhì) 嵌入到構(gòu)成蒸騰部7A,7C的孔45A，45C中來構(gòu)成。
實施例
在此，說明使用了采用第1至第3實施方式的MEA部件而構(gòu)成的電池堆99的本發(fā)明的PEFC的實施例和采用現(xiàn)有的MEA部件而構(gòu)成的比較例。
如下制作第1實施方式的MEA部件7。
對于MEA5，使用了 Japan Gore-Tex Inc.制的"PRIMEA (注冊商標)5561"。由催化劑層2A,2C以及氣體擴散層4A,4C構(gòu)成的電極的平面面積分別為500cm2。
在陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C中使用了氟橡膠的片材。并且，通過沖切加工形成了孔45A,45C、開口部6W以及各種歧管孔 421，42E,43I,43E,44I，44E 。
對于薄膜52A，52C來說，使用了厚度為10nm的PEN制薄膜(帝人DuPont公司制Teonex (注冊商標)Q51)。
對于密封材53來說，采用了粘度經(jīng)過適當調(diào)整并經(jīng)過溶劑稀釋的 EPDM。在15(TC下熱處理MEA部件7而固化EPDM。
毛細管構(gòu)造體51是按指定的形狀切斷由直徑為3pm的聚丙烯腈
26(PAN)纖維構(gòu)成的厚度為30pm的無紡布(日本Vilene株式會社制試制品)而制得的。
使用該MEA部件7、隔板9A，9C而組裝電池堆99，從而進行發(fā)電運轉(zhuǎn)。
隔板9A,9C是通過沖壓加工PEFC用耐蝕高導電不銹鋼板(住友金屬株式會社制試制品)來制得的。
在電池堆99中層疊400級的單電池10。
不加以預(yù)熱而分別在大氣溫度下，以l，OOO升/分的流量向電池堆 99供給干燥了的氫氣作為陽極氣體，以5,000升/分的流量向電池堆99 供給干燥空氣作為陰極氣體。另外，在7(TC的溫度下以189升/分的流量供給冷卻水。然后，以每個單電池的電壓為0.65V、電流密度為 0.8A/cm2進行發(fā)電運轉(zhuǎn)。即，將電池堆 99 以 (0.65x400)x(0.8x500)=104，000W的電輸出進行發(fā)電運轉(zhuǎn)。其結(jié)果，從電池堆99排出的冷卻水的溫度為73.2°C。另外，經(jīng)過5000小時連續(xù)發(fā)電運轉(zhuǎn)之后，電池堆99的輸出電壓的下降率為每1000小時1.5mV。沒有看到被認為由于加濕不足而引起的發(fā)電能力的劣化。
制作除了不形成陰極側(cè)的蒸騰部7C這一點之外其余都與實施例1 相同的構(gòu)造的MEA部件、即第2實施方式的MEA部件。于是，采用該MEA部件并使用與實施例1相同的隔板9A，9C而組裝電池堆，從而進行與實施例1同樣的發(fā)電運轉(zhuǎn)。但是，在實施例2的MEA部件中沒有給陰極氣體加濕以及加熱的功能，所以把陰極氣體的空氣加濕以及加熱到露點72'C來供給。
其結(jié)果，從電池堆99排出的冷卻水的溫度為7S.9'C。
制作除了不形成陽極側(cè)的蒸騰部7A這一點之外其余都與實施例1 相同的構(gòu)造的MEA部件、即第3實施方式的MEA部件。然后，采用該MEA部件并使用與實施例1相同的隔板9A，9C而組裝電池堆，從而進行與實施例1同樣的發(fā)電運轉(zhuǎn)。但是，在實施例3的MEA部件中沒有給陽極氣體加濕以及加熱的功能，所以把陽極氣體的氫氣加濕以及
加熱到露點72。C來供給。
其結(jié)果，從電池堆99排出的冷卻水的溫度為74.2°C。
制作除了不形成陽極側(cè)部件6A以及陰極側(cè)部件6C的蒸騰部 7A,7C這一點、以及不埋設(shè)紗布條(wick) 51而僅僅將密封材53配設(shè) 于薄膜52A，52C之間這一點之外與實施例1相同的構(gòu)造的MEA部件、即與現(xiàn)有相同的構(gòu)成的MEA部件。然后，采用該MEA部件并使用與實施例1相同的隔板9A，9C而組裝電池堆，從而進行與實施例1同樣的發(fā)電運轉(zhuǎn)。但是，在比較例的MEA部件中沒有給陽極氣體以及陰極氣體加濕以及加熱的功能，所以分別把陽極氣體的氫氣以及把陰極氣體的空氣加濕以及加熱到露點72"C來供給。
其結(jié)果，從電池堆排出的冷卻水的溫度為80°C。從實施例2以及比較例的結(jié)果可以驗證陽極氣體的加濕狀況。艮口，實施例2的排出冷卻水溫度和比較例的排出冷卻水溫度的溫度差 ATf80-78.94.rC是由于被使用于陽極氣體的加濕的水的汽化熱所產(chǎn) 生的。也就是說，水的潛熱是2,257kJ/kg，所以在陽極氣體中氣化的水分的量為4.19Jxl89kg/min.xl.rc/2,257i.386kg/min.。該水分量的水蒸汽的大氣壓下的體積為386gx22.4xlO—3/18g=0.480m3。因此，由于陽極氣體流量是lmVmin.，所以在陽極氣體中的水蒸汽分壓為 1.013xl05x0.48 0/(0.4 8 0+l)=3.29xl04Pa。通過將該水蒸汽分壓與公知的
水蒸汽分壓表相對照，推斷陽極氣體的露點為大約7rc。由此可知，
依據(jù)本發(fā)明的第2實施方式，可以達到對陽極氣體大致理想的加濕能力。
另外，同樣，根據(jù)實施例3以及比較例的結(jié)果，可以驗證陰極氣體的加濕狀況。即，由實施例3的排出冷卻水溫度與比較例的排出冷卻水溫度的溫度差A(yù)T3=80-74.2=5.8°C，在陰極氣體中氣化的水分的量成為4.19Jxl89kg/min.x5.8/2,257=2.04kg/min.。該水分量的水蒸汽的大氣壓下的體積為2,040gx22.4xl0—3/18g=2.54m3。因此，由于陰極氣體流量是5mVmin.，所以陰極氣體中的水蒸汽分壓為 1.013xl05x2.54/(2.54+5)=3.41xl04Pa。通過將該水蒸汽分壓與公知的水蒸汽分壓表相對照，推斷陽極氣體的露點為大約72°C。由此可知，依據(jù)本發(fā)明的第3實施方式可以達到對陰極氣體的大致理想的加濕能力。再有，實施例1的排出冷卻水溫度與比較例的排出冷卻水溫度的溫度差為ATf80-73.2二6.8。C，于是成為了 AT, — AT2+AT3的關(guān)系。艮口，大致可以推測達到了實施例2以及實施例3的加濕能力。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的MEA部件作為可以吸收、輸送、蒸騰水分而且可以緊湊地構(gòu)成的MEA部件是有用的。
另外，本發(fā)明的PEFC作為無論使用怎樣的材質(zhì)的隔板都可以加濕及加熱陽極氣體以及/或者陰極氣體而且可以緊湊地構(gòu)成高分子電解質(zhì)型燃料電池主體的PEFC是有用的。
權(quán)利要求
1. 一種MEA部件，其特征在于具有MEA和板狀的框體，所述板狀的框體通過保持沿著所述MEA的周緣部延伸的高分子電解質(zhì)膜從而將所述MEA配設(shè)于框內(nèi)，并且在厚度方向上貫通而形成有陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔；在所述框體的冷卻水供給歧管孔的孔壁以及冷卻水排出歧管孔的孔壁中的至少一者上形成有用于吸收水分的吸水部，在所述框體的至少一個主面上形成有用于蒸騰水分的蒸騰部，而且，在所述框體中連接所述吸水部和所述蒸騰部而埋設(shè)有毛細管構(gòu)造體。
2. 如權(quán)利要求1所述的MEA部件，其特征在于所述吸水部以及所述蒸騰部通過使所述毛細管構(gòu)造體露出于外部而被構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求1所述的MEA部件，其特征在于所述蒸騰部被形成于比所述冷卻水供給歧管孔以及所述冷卻水排出歧管孔更接近于所述MEA的位置。
4. 如權(quán)利要求2所述的MEA部件，其特征在于具備中心部件，該中心部件具有平行的一對框形的薄膜；MEA，通過使所述高分子電解質(zhì)膜的周緣部夾持于所述一對薄膜中而被配設(shè)于所述薄膜的框內(nèi)；所述毛細管構(gòu)造體，夾持于所述一對薄膜中而被配設(shè)；以及密封體，分別將所述高分子電解質(zhì)膜的周緣部以及所述毛細管構(gòu)造體的周圍分隔開，并且以將所述高分子電解質(zhì)膜的周緣部、所述毛細管構(gòu)造體以及所述一對薄膜進行一體化的方式而配設(shè)于所述一對薄膜之間；框形的陽極側(cè)部件，層疊于所述中心部件的一個主面的薄膜上而被配設(shè)；以及框形的陰極側(cè)部件，層疊于所述中心部件的另一個主面的薄膜上，豐皮酉己i發(fā)。
5. 如權(quán)利要求3所述的MEA部件，其特征在于所述中心部件、所述陽極側(cè)部件以及所述陰極側(cè)部件分別是不同的部件，在高分子電解質(zhì)型燃料電池構(gòu)成狀態(tài)下，它們通過層疊而被構(gòu)成。
6. —種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于將1個以上的具有權(quán)利要求1所述的MEA部件、夾持所述MEA 部件的陽極隔板以及陰極隔板的單電池層疊而成；所述陽極隔板在對應(yīng)于所述MEA的陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔的位置上，分別具有陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔，并且在其內(nèi)面上具有連接所述陽極氣體供給歧管孔和所述陽極氣體排出歧管孔的陽極氣體流路溝槽；所述陰極隔板在對應(yīng)于所述MEA的陽極氣體供給歧管？L、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔的位置上，分別具有陽極氣體供給歧管孔、陰極氣體供給歧管孔、冷卻水供給歧管孔、陽極氣體排出歧管孔、陰極氣體排出歧管孔以及冷卻水排出歧管孔，并且在其內(nèi)面上具有連接所述陰極氣體供給歧管孔和所述陰極氣體排出歧管孔的陰極氣體流路溝槽；所述陽極氣體流路溝槽以及所述陰極氣體流路溝槽中的至少一者是以接觸于所述MEA的所述蒸騰部的方式形成的。
7. 如權(quán)利要求5所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于所述陽極隔板以及所述陰極隔板是金屬制的。
全文摘要
本發(fā)明提供MEA部件和高分子電解質(zhì)型燃料電池。在本發(fā)明的MEA部件(7)中具有MEA(5)；以及板狀的框體(6)，在厚度方向上貫通而形成有陽極氣體供給歧管孔(12I)、陰極氣體供給歧管孔(13I)、冷卻水供給歧管孔(14I)、陽極氣體排出歧管孔(12E)、陰極氣體排出歧管孔(13E)以及冷卻水排出歧管孔(14E)；在框體(6)的冷卻水供給歧管孔(14I)的孔壁以及冷卻水排出歧管孔(14E)的孔壁中的至少一者上形成有用于吸收水分的吸水部(14I，14E)，在框體(6)的至少一個主面上形成有用于蒸騰水分的蒸騰部(7A，7C)，而且，在框體(6)中連接吸水部(14I，14E)和蒸騰部(7A，7C)而埋設(shè)有毛細管構(gòu)造體(51)。
文檔編號H01M8/10GK101432917SQ200780014858
公開日2009年5月13日申請日期2007年4月11日優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者小林晉, 波多野進申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社

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