專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用液體燃料的燃料電池的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，小型燃料電池十分引人注目。特別是使用甲醇作為燃料的直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)(以下，稱為DMFC)，由于可小型化且燃料的操作也較容易，因此，有望引起重視。DMFC具有在陽(yáng)極和陰極之間夾著電介質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)的膜電極接合體(Membrane Electrode Assembly)(以下，稱為MEA)。在這樣的DMFC的陽(yáng)極中，導(dǎo)入的甲醇被氧化分解， 生成質(zhì)子、電子、及二氧化碳。另一方面，在陰極中，空氣中的氧氣、從陽(yáng)極側(cè)移動(dòng)來(lái)的質(zhì)子、 以及從陽(yáng)極通過(guò)外部電路提供的電子發(fā)生反應(yīng)，生成水。另外，由通過(guò)外部電路的電子來(lái)供 H1^ ο在上述DMFC中，為了防止陽(yáng)極和陰極之間的短路，揭示了 MEA的端部沿其層疊方向傾斜的結(jié)構(gòu)(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。另外，為了防止因面壓分布不均勻而引起的性能降低，揭示了在氣體擴(kuò)散層接合體的緣部沿層疊方向形成階差，以填補(bǔ)階差的厚度來(lái)形成在階差上覆蓋保護(hù)膜的結(jié)構(gòu)(例如，參照專利文獻(xiàn)2)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本專利特開2007-213830號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本專利特開2005-149803號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
然而，由DMFC發(fā)電而得到的電壓在無(wú)可逆損耗的電池電壓中為1. 21V，比一般的電池要低。因此，具有這樣的方法，即、DMFC通過(guò)疊加或排列多個(gè)單電池、串聯(lián)各單電池，從而升高電壓的方法。特別是在要求節(jié)省空間的燃料電池的情況下，大多情況下通過(guò)并排地排列多個(gè)單電池，陽(yáng)極和陰極利用金屬導(dǎo)體的電極來(lái)連接，以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接。然而，在并排地排列多個(gè)單電池的情況下，由于從陽(yáng)極催化劑層或陰極催化劑層脫落的催化劑，可能會(huì)導(dǎo)致相鄰的陽(yáng)極之間或陰極之間發(fā)生短路而無(wú)法確保預(yù)定的電壓。本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題點(diǎn)完成的，其目的在于提供一種能夠防止相鄰的陰極間或陽(yáng)極之間的短路的燃料電池。本發(fā)明的實(shí)施方式的燃料電池的特征在于，包括膜電極接合體，該膜電極接合體包括多個(gè)單電池，該單電池包括電介質(zhì)膜；陽(yáng)極，該陽(yáng)極具有在上述電介質(zhì)膜的一個(gè)面上隔開間隔進(jìn)行配置而形成的多個(gè)陽(yáng)極催化劑層、及層疊于上述陽(yáng)極催化劑層的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層；以及陰極，該陰極具有在上述電介質(zhì)膜的另一個(gè)面上以與各上述陽(yáng)極催化劑層分別相對(duì)的方式隔開間隔進(jìn)行配置而形成的多個(gè)陰極催化劑層、及層疊于上述陰極催化劑層上的陰極氣體擴(kuò)散層，在相鄰的兩個(gè)單電池中的一個(gè)單電池的上述陽(yáng)極催化劑層及上述陰極催化劑層之中，至少一方的厚度向著另一個(gè)單電池的方向變薄。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠防止相鄰的陰極間或陽(yáng)極之間的短路的燃料電池。


圖1是簡(jiǎn)要地示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖2是簡(jiǎn)要地示出圖1所示的燃料電池中的MEA的一部分的截面的立體圖。圖3是圖2所示的MEA的俯視圖。圖4是對(duì)圖2所示的A部進(jìn)行放大的剖視圖。圖5是表示陽(yáng)極催化劑層的剝離距離以及陰極催化劑層的剝離距離的圖。圖6是表示通過(guò)在陽(yáng)極催化劑層形成傾斜面而得到的效果的檢驗(yàn)結(jié)果的圖。圖7是表示通過(guò)在陰極催化劑層形成傾斜面而得到的效果的檢驗(yàn)結(jié)果的圖。圖8是簡(jiǎn)要地示出本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的燃料電池的MEA的其他結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖9是簡(jiǎn)要地示出本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的燃料電池的MEA的其他結(jié)構(gòu)的剖視圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明1燃料電池2MEA3燃料提供機(jī)構(gòu)11陽(yáng)極催化劑層12陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層13 陽(yáng)極14陰極催化劑層15陰極氣體擴(kuò)散層16 陰極17電介質(zhì)膜11a、14a 傾斜面C單電池
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池。燃料電池1主要包括構(gòu)成起電部的MEA2、以及向MEA2提供燃料的燃料提供機(jī)構(gòu) 3。S卩，在燃料電池1中，MEA2包括陽(yáng)極(或稱為燃料極)13，該陽(yáng)極13包括陽(yáng)極催化劑層11及配置于陽(yáng)極催化劑層11之上的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12 ；陰極(或稱為空氣極、氧化劑極)16，該陰極16包括陰極催化劑層14及層疊于陰極催化劑層14的陰極氣體擴(kuò)散層 15 ；以及質(zhì)子(氫離子)傳導(dǎo)性的電介質(zhì)膜17，該質(zhì)子傳導(dǎo)性的電介質(zhì)膜17被陽(yáng)極催化劑層11和陰極催化劑層14夾住。
作為陽(yáng)極催化劑層11或陰極催化劑層14中所含有的催化劑，可列舉出例如鉬 (Pt)、釕(Ru)、銠(Rh)、銥(Ir)、鋨(Os)、鈀(Pd)等鉬族元素的單質(zhì)、或包含鉬族元素的合金等。優(yōu)選為，在陽(yáng)極催化劑層11使用對(duì)甲醇或一氧化碳具有強(qiáng)耐受性的Pt-Ru或Pt-Mo 等。優(yōu)選為，在陰極催化劑層14使用Pt或Pt-Ni等。然而，催化劑并不限于此，能夠使用具有催化劑活性的各種物質(zhì)。另外，催化劑也能夠是使用有炭素材料那樣的導(dǎo)電性載體的載體催化劑或無(wú)載體催化劑。陽(yáng)極催化劑層11及陰極催化劑層14也可包含例如具有磺酸基的例如全氟磺酸聚合物等氟樹脂(Nafion (商品名、杜邦公司制)、Flemi0n(商品名、旭硝子株式會(huì)社制)等)、 具有磺酸基的烴類樹脂、鎢酸或磷鎢酸、硝酸鋰等無(wú)機(jī)物等的質(zhì)子導(dǎo)電劑。作為構(gòu)成電介質(zhì)膜17的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料，可以列舉出例如具有磺酸基的例如全氟磺酸聚合物那樣的氟樹脂(Nafion (商品名、杜邦公司制)>Flemion (商品名、旭硝子株式會(huì)社制)等)、具有磺酸基的烴類樹脂等有機(jī)材料、或鎢酸或磷鎢酸等無(wú)機(jī)材料。然而，質(zhì)子傳導(dǎo)性的電介質(zhì)膜17并不限于此。層疊于陽(yáng)極催化劑層11的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12起到向陽(yáng)極催化劑層11均勻地提供燃料的作用，并具有陽(yáng)極催化劑層11的集電功能。層疊于陰極催化劑層14的陰極氣體擴(kuò)散層15起到向陰極催化劑層14均勻地提供氧化劑(例如，空氣中所包含的氧氣)的作用，并具有陰極催化劑層14的集電功能。陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12及陰極氣體擴(kuò)散層15是由例如碳紙等具有導(dǎo)電性的多孔質(zhì)基材構(gòu)成的。MEA2被分別配置在電介質(zhì)膜17的陽(yáng)極13側(cè)及陰極16側(cè)的膠質(zhì)的0形環(huán)等密封構(gòu)件19所密封，由此，能夠防止來(lái)自MEA2的燃料泄漏或氧化劑泄漏。在MEA2的陰極16側(cè)配置有由絕緣材料形成的板狀體20。該板狀體20主要作為保濕層起作用。即，該板狀體20浸漬于由陰極催化劑層14生成的水的一部分中，從而抑制水的蒸發(fā)，并且調(diào)整陰極催化劑層14對(duì)空氣的獲取量并促進(jìn)空氣的均勻擴(kuò)散。該板狀體20 由例如多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件構(gòu)成，作為具體的構(gòu)成結(jié)構(gòu)料，可以舉出聚乙烯或聚丙烯這樣的多孔質(zhì)體等。上述的MEA2配置在燃料提供機(jī)構(gòu)3和蓋板21之間。蓋板21的外觀大致為矩形， 由例如不銹鋼(SUS)構(gòu)成。另外，蓋板21具有用于獲取作為氧化劑的空氣的多個(gè)開口部 21A。燃料提供機(jī)構(gòu)3采用對(duì)MEA2的陽(yáng)極13提供燃料的結(jié)構(gòu)，特別是并不限于特定的結(jié)構(gòu)。以下，對(duì)燃料提供機(jī)構(gòu)3的一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。燃料提供機(jī)構(gòu)3包括例如形成為箱狀的容器30。該燃料提供機(jī)構(gòu)3通過(guò)流路5與收納液體燃料的燃料收納部4相連接。容器30具有燃料導(dǎo)入口 30A，該燃料導(dǎo)入口 30A與流路5相連接。該容器30由例如樹脂制容器構(gòu)成。作為形成容器30的材料，選擇對(duì)液體燃料具有耐受性的材料。燃料提供機(jī)構(gòu)3包括燃料提供部31，該燃料提供部31使燃料向MEA2的陽(yáng)極13的面方分散并擴(kuò)散，以進(jìn)行供應(yīng)。此處，特別對(duì)燃料提供部31具有燃料分配板31A的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，但是燃料提供部31也可以采用其他結(jié)構(gòu)。即，燃料分配板31A采用以下結(jié)構(gòu)即，包括一個(gè)燃料注入口 32和多個(gè)燃料排出口 33，通過(guò)細(xì)管34那樣的燃料通路與燃料注入口 32和燃料排出口 33相連接。
燃料注入口 32與容器30的燃料導(dǎo)入口 30A相連通。由此，燃料分配板31A的燃料注入口 32通過(guò)流路5與燃料收納部4相連接。燃料排出口 33例如有1 處，排出液體燃料或其氣化成分。從燃料注入口 32注入的液體燃料通過(guò)分岔為多個(gè)的細(xì)管34，被分別導(dǎo)入多個(gè)燃料排出口 33。通過(guò)使用這樣的燃料分配板31A，由此能夠使從燃料注入口 32注入的液體燃料在與方向、位置無(wú)關(guān)的情況下，被均勻地分配到多個(gè)燃料排出口 33。從而，能夠進(jìn)一步提高M(jìn)EA2的面內(nèi)的發(fā)電反應(yīng)的均勻性。而且，通過(guò)利用細(xì)管34使燃料注入口 32和多個(gè)燃料排出口 33相連接，由此能夠?qū)崿F(xiàn)利用燃料電池1的確定部位來(lái)提供更多的燃料的設(shè)計(jì)。這有助于提高M(jìn)EA2的發(fā)電程度的均勻性。MEA2的陽(yáng)極13以與上述燃料分配板31A的燃料排出口 33相對(duì)的方式進(jìn)行配置。 蓋板21是在與燃料提供機(jī)構(gòu)3之間保持有MEA2的狀態(tài)下、利用鉚接或螺紋旋緊等方法以相對(duì)容器30被固定的。由此，構(gòu)成燃料電池(DMFC)I的發(fā)電單元。燃料提供部31優(yōu)選采用以下結(jié)構(gòu)即，在燃料分配板31A和MEA2之間形成有作為燃料擴(kuò)散室31B起作用的空間。該燃料擴(kuò)散室31B具有以下功能即，即使從燃料排出口 33 有液體燃料排出也能促進(jìn)其氣化，并能促進(jìn)其向面方向的擴(kuò)散。優(yōu)選為，在MEA2和燃料提供部31之間配置有從陽(yáng)極13側(cè)對(duì)MEA2進(jìn)行支承的支撐構(gòu)件。另外，優(yōu)選為，在MEA2和燃料提供部31之間配置有至少一個(gè)多孔體。燃料收納部4中收納有與MEA2對(duì)應(yīng)的液體燃料。作為液體燃料，可以列舉出各種濃度的甲醇水溶液或純甲醇等甲醇燃料。此外，液體燃料并不限于甲醇燃料。液體燃料可以是例如甲醇水溶液或純甲醇等甲醇燃料、丁醇水溶液或純丁醇等丁醇燃料、乙二醇水溶液或純乙二醇等乙二醇燃料、二甲醚、甲酸、或其他液體燃料?？傊?，燃料收納部4中收納有與MEA2對(duì)應(yīng)的液體燃料。而且，流路5中也可以設(shè)置有泵6。泵6不是使燃料循環(huán)的循環(huán)泵，而是將液體燃料從燃料收納部4輸送到燃料提供部31的燃料提供泵。從由燃料提供部31提供給MEA2 的燃料應(yīng)用于發(fā)電反應(yīng)，之后進(jìn)行循環(huán)而不再返回燃料收納部4。本實(shí)施方式的燃料電池1因不進(jìn)行燃料循環(huán)，因而不同于現(xiàn)有的主動(dòng)方式的燃料電池，不會(huì)損害裝置的小型化。另外，在液體燃料的提供中使用泵6，這也不同于現(xiàn)有的內(nèi)部氣化型的純被動(dòng)方式的燃料電池。圖1所示的燃料電池1是適用于例如被稱為半被動(dòng)型方式的燃料電池。在本實(shí)施方式的燃料電池1中，使用泵6來(lái)間歇地將液體燃料從燃料收納部4輸送到燃料提供部31。由泵6輸送的液體燃料經(jīng)由燃料提供部31被均勻地提供給MEA2的整個(gè)陽(yáng)極13。S卩，對(duì)多個(gè)單電池C的各陽(yáng)極13的平面方向均勻地提供燃料，由此產(chǎn)生發(fā)電反應(yīng)。 優(yōu)選為，基于燃料電池1的輸出、溫度信息、供電對(duì)象即電子設(shè)備的運(yùn)行信息等來(lái)對(duì)燃料提供用的泵6的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行控制。如上所述，從燃料提供部31釋放出的燃料被提供給MEA2的陽(yáng)極13。在MEA2中， 燃料擴(kuò)散經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12，被提供給陽(yáng)極催化劑層11。在使用甲醇燃料作為液體燃料的情況下，在陽(yáng)極催化劑層11中發(fā)生下式(1)所示的甲醇的內(nèi)部重整反應(yīng)。此外，在使用純甲醇作為甲醇燃料的情況下，使在陰極催化劑層14生成的水或電介質(zhì)膜17中的水與甲醇發(fā)生反應(yīng)，從而引起式(1)中的內(nèi)部重整反應(yīng)?；蛘?，利用不需要水的其他反應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部重整反應(yīng)。CH30H+H20 — C02+6H++6e"(l)由該反應(yīng)所生成的電子(e_)經(jīng)由集電體被引導(dǎo)出到外部，在作為所謂的電力使便攜式電子設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作后，經(jīng)由集電體被引導(dǎo)向陰極16。由式(1)的內(nèi)部重整反應(yīng)生成的質(zhì)子(H+)經(jīng)由電介質(zhì)膜17被引導(dǎo)向陰極16。在陰極16，提供空氣作為氧化劑。到達(dá)陰極 16的電子(e_)和質(zhì)子(H+)在陰極催化劑層14與空氣中的氧氣根據(jù)下式( 發(fā)生反應(yīng)，伴隨該反應(yīng)的發(fā)生而生成水。6e>6H++ (3/2) O2 — 3H20 (2)在上述燃料電池1的發(fā)電反應(yīng)中，為了使發(fā)電功率增大，則使催化劑反應(yīng)順利地進(jìn)行，并向MEA2的所有電極均勻地提供燃料，有助于更有效地對(duì)所有電極進(jìn)行發(fā)電。然而，在本實(shí)施方式中，如圖2及圖3所示，MEA2包括多個(gè)陽(yáng)極13和多個(gè)陰極16， 該多個(gè)陽(yáng)極13在單一電介質(zhì)膜17的一側(cè)的面上隔開間隔進(jìn)行配置，該多個(gè)陰極16在電介質(zhì)膜17的另一側(cè)的面上以與各個(gè)陽(yáng)極13相對(duì)的方式隔開間隔進(jìn)行配置。此處，示出了分別設(shè)置有4個(gè)陽(yáng)極13和4個(gè)陰極16的情況。這些陽(yáng)極13和陰極16的各個(gè)組合分別夾住電介質(zhì)膜17，形成單電池C(C1、C2、 C3、C4)。此處，各個(gè)單電池C(C1、C2、C3、C4)在同一水平面上，在與其長(zhǎng)邊方向正交的方向 D上隔開間隔并排地進(jìn)行配置。此外，MEA2的結(jié)構(gòu)也不限于上述的例子，也可以是其他結(jié)構(gòu)。在具有圖2及圖3所示的多個(gè)單電池(((1丄2丄3丄4)的MEA2中，各單電池C(Cl、 C2、C3、C4)利用集電體18被串聯(lián)地電連接起來(lái)。S卩，如圖1所示，該集電體18包括陽(yáng)極集電體18A及陰極集電體18C。為了與圖2 等所示的MEA2相對(duì)應(yīng)，集電體18包括4個(gè)陽(yáng)極集電體18A及4個(gè)陰極集電體18C。各陽(yáng)極集電體18A分別在各單電池C(C1、C2、C3、C4)層疊有陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12。 另外，各陰極集電體18C分別在各單電池C(C1、C2、C3、C4)層疊有陰極氣體擴(kuò)散層15。作為陽(yáng)極集電體18A及陰極集電體18C，能夠分別使用例如包括金(Au)、鎳(Ni)等金屬材料的多孔質(zhì)膜(例如網(wǎng)狀)或箔體、或在不銹鋼(SUQ等導(dǎo)電性金屬材料上覆蓋金等導(dǎo)電性優(yōu)異的金屬后形成的復(fù)合材料等。在本實(shí)施方式中，陽(yáng)極催化劑層11及陰極催化劑層14中的至少一方的厚度越向外側(cè)越薄。如圖2所示，形成單電池C的各陽(yáng)極催化劑層11及陰極催化劑層14，使其具有端部的厚度逐漸變薄的梯形的截面。換言之，形成陽(yáng)極催化劑層11及陰極催化劑層14，使得成為上表面的面積比與電介質(zhì)膜17相接的底面要小的錐形形狀。更詳細(xì)而言，如圖4所示，陽(yáng)極催化劑層11的與電介質(zhì)膜17相接的底面IlBl的面積、大于陽(yáng)極催化劑層11的與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12相接的上表面11B2的面積。陽(yáng)極催化劑層11具有連接底面IlBl和上表面11B2的側(cè)面Ila0相鄰的陽(yáng)極催化劑層11的相互相對(duì)的側(cè)面Ila是傾斜面。
另外，優(yōu)選為，層疊于陽(yáng)極催化劑層11的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12的與陽(yáng)極催化劑層11 相接的底面12B1的面積、大于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12的與陽(yáng)極催化劑層11相接的面相反的一側(cè)的上表面12B2的面積。陽(yáng)極催化劑層12具有連接底面12B1和上表面12B2的側(cè)面12a。 側(cè)面1 是與陽(yáng)極催化劑層11的側(cè)面Ila相連接的傾斜面。陽(yáng)極催化劑層11的底面IlBl和側(cè)面Ila之間的傾斜角度θ 1、與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層 12的底面12Β和側(cè)面1 之間的傾斜角度θ 2相同，都是銳角。陰極催化劑層14的與電介質(zhì)膜17相接的底面14Β1的面積、大于陰極催化劑層14 的與陰極氣體擴(kuò)散層15相接的上表面14Β2的面積。陰極催化劑層14具有連接底面14Β1 和上表面14Β2的側(cè)面14a。相鄰的陰極催化劑層14的相互相對(duì)的側(cè)面Ha是傾斜面。另外，優(yōu)選為，層疊于陰極催化劑層14的陰極氣體擴(kuò)散層15的與陰極催化劑層14 相接的底面15B1的面積、大于陰極氣體擴(kuò)散層15的與陰極催化劑層14相接的面相反的一側(cè)的上表面15B2的面積。陰極催化劑層15具有連接底面15B1和上表面15B2的側(cè)面15a。 側(cè)面1 是與陰極催化劑層14的側(cè)面Ha相連接的傾斜面。陰極催化劑層14的底面14B1和側(cè)面1 之間的傾斜角度θ 3、與陰極氣體擴(kuò)散層 15的底面15Β1和側(cè)面1 之間的傾斜角度θ 4同，都是銳角。如圖3及圖4所示，若關(guān)注相鄰的單電池C2及單電池C3，一方的單電池C2的陽(yáng)極催化劑層11的厚度朝著另一方的單電池C3的方向變薄。S卩，單電池C2的陽(yáng)極催化劑層 11中的、沿著朝向單電池C3的陽(yáng)極催化劑層11的邊L2形成的側(cè)面Ila為傾斜面。同樣， 單電池C3的陽(yáng)極催化劑層11中的、沿著朝向單電池C2的陽(yáng)極催化劑層11的邊L3形成的側(cè)面Ila也為傾斜面。在各單電池C中，相互相對(duì)的陽(yáng)極催化劑層11的側(cè)面Ila都是傾斜另外，一方的單電池C2的陽(yáng)極催化劑層14的厚度向著另一方的單電池C3的方向變薄。即，單電池C2的陰極催化劑層14中的、沿著朝向單電池C3的陰極催化劑層14的邊 L2形成的側(cè)面1 為傾斜面。同樣，單電池C3的陰極催化劑層14中的、沿著朝向單電池 C2的陰極催化劑層14的邊L3形成的側(cè)面1 也為傾斜面。在各單電池C中，相互相對(duì)的陰極催化劑層14的側(cè)面1 都是傾斜面。此外，在各單電池C中，非相互相對(duì)的陽(yáng)極催化劑層11的側(cè)面Ila及陰極催化劑層14的側(cè)面14a也可以不是傾斜面。例如，在圖3中，單電池C2的沿著不與單電池Cl及單電池C3相鄰的邊S2的側(cè)面也可以不是傾斜面。另外，單電池Cl及單電池C4的向著外側(cè)的側(cè)面也可以不是傾斜面。由此，由于陽(yáng)極催化劑層11的側(cè)面Ila及陰極催化劑層14的側(cè)面14a為傾斜度較小的傾斜面，因而能夠防止催化劑從陽(yáng)極催化劑層11及陰極催化劑層14脫落。另外，由于相互相鄰的陽(yáng)極催化劑層11的相互相對(duì)的側(cè)面Ila是傾斜面，因而，能夠防止催化劑脫落到陽(yáng)極催化劑層11間。另外，由于相互相鄰的陰極催化劑層14的相互相對(duì)的側(cè)面1 是傾斜面，因而，能夠防止催化劑脫落到陰極催化劑層14間。此外，在僅需要防止陽(yáng)極催化劑層11中的催化劑脫落的情況下，可以采用以下結(jié)構(gòu)即，使相鄰的兩個(gè)單電池中的一個(gè)單電池的陽(yáng)極催化劑層11的厚度向著另一個(gè)單電池而逐漸變薄。此外，在僅需要防止陰極催化劑層14中的催化劑脫落的情況下，可以采用以下結(jié)構(gòu)即，使相鄰的兩個(gè)單電池中的一個(gè)單電池的陰極催化劑層14的厚度向著另一個(gè)單電池而逐漸變薄。由此，能夠防止從陽(yáng)極催化劑層11脫落的催化劑與相鄰的陽(yáng)極催化劑層11相接觸。另外，能夠防止從陰極催化劑層14脫落的催化劑與相鄰的陰極催化劑層14相接觸。因而，在燃料電池1的運(yùn)行中，能夠防止相鄰單電池C的陽(yáng)極13之間及陰極16之間的短路。陽(yáng)極催化劑層11的傾斜角度θ 1和陰極催化劑層14的傾斜角度Θ3有最佳角度。 在本實(shí)施方式中，陽(yáng)極催化劑層11的傾斜角度θ 1及陰極催化劑層14的傾斜角度Θ 3的最佳角度為30°以上80°以下。接下來(lái)，驗(yàn)證燃料電池1的陽(yáng)極催化劑層11的傾斜角度θ 1和陰極催化劑層14 的傾斜角度θ 3的最佳角度。首先，準(zhǔn)備用于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12的碳紙(東麗(株式會(huì)社)制造TGP-H-030 120)。然后，利用平板沖壓機(jī)將碳紙壓縮成其沿厚度方向的厚度為原來(lái)的1/2。使用阿基米德法測(cè)定此時(shí)的碳紙的壓縮前的氣孔率為75%。另外，使用外形尺寸和重量測(cè)定對(duì)碳紙的壓縮后壓的氣孔率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為40. 5%。接著，相對(duì)于承載催化劑即鉬釕合金微粒子的碳粒子的10重量份，添加Nafion溶液DE2020(杜邦公司制)的固體成分為1重量份，還添加溶劑，以均漿機(jī)進(jìn)行混合，制作固體成分約為15%的漿料。利用模涂機(jī)噴涂法將漿料涂布在上述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12上，并進(jìn)行干燥，以形成陽(yáng)極催化劑層11。由此，獲得陽(yáng)極13。另外，準(zhǔn)備用于陰極氣體擴(kuò)散層15的碳紙(東麗(株式會(huì)社)制造TGP-H-60)。 此時(shí)的碳紙的氣孔率為75%。 接著，相對(duì)于承載催化劑即鉬釕合金微粒子的碳粒子和Nafion溶液DE2020 (杜邦公司制)和溶劑，以均漿機(jī)進(jìn)行混合，制作固體成分約為15%的漿料。利用模涂機(jī)噴涂法將漿料涂布在上述陰極氣體擴(kuò)散層15上，并進(jìn)行干燥，以形成陰極催化劑層14。由此，獲得陰極16。然后，利用切割刀分別將陽(yáng)極13及陰極16切割為預(yù)定的尺寸。此時(shí)，使用具有各種角度的刀刃的切割刀，以改變剖面的角度，從而切割陽(yáng)極13及陰極16。然后，準(zhǔn)備六個(gè)陽(yáng)極13的樣品Α1(θ 1 = 30° )、樣品Α2 ( θ 1 = 45 ° )、樣品 Α3(Θ1 = 60° )、樣品 Α4( θ 1 = 75° )、樣品 Α5 ( θ 1 = 80° )、以及樣品 A6 ( θ 1 = 90° )。另外，準(zhǔn)備六個(gè)陰極16的樣品Β1(θ =30° )、樣品Β2 ( θ 2 = 45° )、樣品Β3(Θ3 =60° )、樣品 Β4(Θ3 = 75° )、樣品 Β5(Θ3 = 80° )、以及樣品 Β6 ( θ 3 = 90° )。此外，通過(guò)以10倍到100倍的方式來(lái)觀察剖面，進(jìn)行剖面分析，從而能夠測(cè)定陽(yáng)極催化劑層11的傾斜角度θ 1及陰極催化劑層14的傾斜角度Θ 3。然后，使用固定電介質(zhì)膜Nafi0nll2(杜邦公司制)作為電介質(zhì)膜17，從最初開始重疊該電介質(zhì)膜17和陰極16，使得陰極催化劑層14朝向電介質(zhì)膜17側(cè)。接著，在電介質(zhì)膜17的與重疊有陰極16的面相反一側(cè)的面上重疊有陽(yáng)極13，以使得陽(yáng)極催化劑層11朝向電介質(zhì)膜17側(cè)。之后，在溫度為150°C、壓力為30kgf/cm2的條件下進(jìn)行沖壓，以形成MEA2。此外，將陽(yáng)極13及陰極16的電極面積都設(shè)為IcmXScm的8cm2。然后，陽(yáng)極13及陰極16分別隔開1. 2mm的間隔并排地配置為4列。這里，對(duì)樣品Al至樣品A6、樣品Bl至樣品B6的陽(yáng)極13之間及陰極16之間進(jìn)行觀察。
接著，利用作為集電體18起作用的金箔夾住MEA2，形成陽(yáng)極集電體18A及陰極集電體18C，上述集電體18具有用于獲取空氣及氣化后的甲醇的多個(gè)開孔。然后，利用樹脂制的兩個(gè)框架夾住層疊有MEA2、陽(yáng)極集電體18A、及陰極集電體 18C的層疊體。此外，在MEA2的陰極16側(cè)和一側(cè)的框架之間、在MEA2的陽(yáng)極13側(cè)和另一側(cè)的框架之間，分別夾有作為密封構(gòu)件19起作用的膠質(zhì)的0形環(huán)，并實(shí)施密封。另外，陽(yáng)極13側(cè)的框架隔著氣液分離膜利用螺紋旋緊的方式被固定于燃料提供機(jī)構(gòu)3。氣液分離膜使用厚度為0.1mm的硅鋼片。一方面，在陰極16側(cè)的框架上配置有氣孔率為30%的作為保濕層起作用的板狀體20。在該板狀體20上配置了形成有用于獲取空氣的開口部21A的厚度為2mm的不銹鋼板，以作為蓋板21，并利用螺紋旋緊的方式來(lái)固定。 開口部21A的口徑為4mm。開口部21A的個(gè)數(shù)為64個(gè)。由此，組裝完成了燃料電池1。向上述這樣的燃料電池1的燃料收納室注入純甲醇。然后，在溫度為25°C、相對(duì)濕度為50%的環(huán)境中，使燃料電池1運(yùn)轉(zhuǎn)500小時(shí)。取出運(yùn)轉(zhuǎn)了 500小時(shí)后的MEA2進(jìn)行觀察，并測(cè)定包括樣品Al至A5及A6的的燃料電池1的陽(yáng)極催化劑層11的剝離距離L、包括樣品Bl至B6的燃料電池1的陰極催化劑層14的剝離距離L。如圖5所示，所謂的陽(yáng)極催化劑層11的剝離距離L是指陽(yáng)極催化劑層11的底面的端部與脫落到離陽(yáng)極催化劑層11最遠(yuǎn)的位置的催化劑之間的距離。所謂的陰極催化劑層14的剝離距離L是指陰極催化劑層14的底面的端部與脫落到離陰極催化劑層14最遠(yuǎn)的位置的催化劑之間的距離。圖6及圖7示出了該測(cè)定結(jié)果。以下示出了 MEA2形成時(shí)(初期)的陽(yáng)極13側(cè)的狀態(tài)。在樣品Al中，確認(rèn)有催化劑從陽(yáng)極催化劑層11脫落，且確認(rèn)陽(yáng)極催化劑層11發(fā)生了剝離。在樣品A2至樣品A5中， 陽(yáng)極催化劑層11沒(méi)有發(fā)生剝離，也沒(méi)有催化劑從陽(yáng)極催化劑層11脫落。在樣品A6中，確認(rèn)有催化劑從陽(yáng)極催化劑層11脫落，且確認(rèn)陽(yáng)極催化劑層11發(fā)生了剝離。此處，所謂陽(yáng)極催化劑層11的剝離是指陽(yáng)極催化劑層11的一部分從電介質(zhì)膜17或陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12剝落。以下示出了 MEA2形成時(shí)(初期)的陰極16側(cè)的狀態(tài)。在樣品B6中，確認(rèn)有催化劑從陰極催化劑層14脫落，且確認(rèn)陰極催化劑層14發(fā)生了剝離。在樣品B2至樣品B5中， 陰極催化劑層14沒(méi)有發(fā)生剝離，也沒(méi)有催化劑從陰極催化劑層14脫落。在樣品B6中，確認(rèn)有催化劑從陰極催化劑層14脫落，且確認(rèn)陰極催化劑層14發(fā)生了剝離。此處，所謂陰極催化劑層14的剝離是指陰極催化劑層14的一部分從電介質(zhì)膜17或陰極氣體擴(kuò)散層15剝落。接著，以下示出了燃料電池1運(yùn)轉(zhuǎn)了 500小時(shí)后的陽(yáng)極13側(cè)的狀態(tài)。在樣品Al 中，從陽(yáng)極催化劑層11脫落的催化劑比初期時(shí)有所增加。在樣品A2中，陽(yáng)極催化劑層11 稍微有所剝離，也稍微有些催化劑從陽(yáng)極催化劑層11脫落。在樣品A3至樣品A5中，沒(méi)有發(fā)生陽(yáng)極催化劑層11的剝離，也沒(méi)有催化劑從陽(yáng)極催化劑層11脫落。在樣品A6中，從陽(yáng)極催化劑層11脫落的催化劑比初期時(shí)有所增加。以下示出了燃料電池1運(yùn)轉(zhuǎn)了 500小時(shí)后的陰極16側(cè)的狀態(tài)。在樣品Bl中，從陰極催化劑層14脫落的催化劑比初期時(shí)有所增加。在樣品B2中，陰極催化劑層14稍微有所剝離，也稍微有些催化劑從陰極催化劑層14脫落。在樣品B3及樣品B4中，陰極催化劑層14沒(méi)有發(fā)生剝離，也沒(méi)有催化劑從陰極催化劑層14脫落。在樣品B5中，陰極催化劑層14稍微有所剝離，也稍微有些催化劑從陰極催化劑層14脫落。在樣品B6中，從陰極催化劑層14脫落的催化劑比初期時(shí)有所增加。相鄰的陽(yáng)極13及陰極16之間的間隔分別為1. 2mm，在催化劑的剝離距離L小于 0. 2mm的情況下，相鄰的陽(yáng)極13之間及陰極16之間不會(huì)發(fā)生短路，而且，即使繼續(xù)運(yùn)行燃料電池1，發(fā)生短路的可能性也極低。在圖6及圖7中，將剝離距離L小于0. Imm的情況的評(píng)價(jià)設(shè)為“〇”，將剝離距離L為0. Imm以上且小于0. 2mm的情況的評(píng)價(jià)設(shè)為“〇-”。在剝離距離L為0. 2mm以上且小于0. 4mm的情況下，相鄰的陽(yáng)極13之間及陰極16 之間發(fā)生短路的可能性較低。在圖6及圖7中，將剝離距離L為0. 2mm以上且小于0. 3mm的情況的評(píng)價(jià)設(shè)為“Δ”，將剝離距離L為0. 3mm以上且小于0. 4mm的情況的評(píng)價(jià)設(shè)為“Δ -”。在剝離距離L為0. 6mm以上的情況下，相鄰的陽(yáng)極13之間及陰極16之間會(huì)發(fā)生短路。另外，在在剝離距離L為0. 4mm以上且小于0. 6mm的情況下，雖然相鄰的陽(yáng)極13之間及陰極16之間發(fā)生短路的可能性較低，但是若繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)燃料電池1，則可能發(fā)生短路。在圖6及圖7中，將剝離距離L為0. 4mm以上的情況的評(píng)價(jià)設(shè)為“ X ”。如圖6所示，在樣品A6中，在運(yùn)轉(zhuǎn)了 500小時(shí)后的催化劑的剝離距離L為0. 5mm, 其評(píng)價(jià)為“X”。與此相對(duì)，在樣品Al中，剝離距離L為0. 25mm，其評(píng)價(jià)為“Δ”。在樣品Α2中，剝離距離L為0. Imm,其評(píng)價(jià)為“〇-”。在樣品A3中，剝離距離L為0. 05mm以下，其評(píng)價(jià)為 “〇”。在樣品A4中，剝離距離L為0.05mm以下，其評(píng)價(jià)為“〇”。在樣品A5中，剝離距離L 為0. 2mm，其評(píng)價(jià)為“Δ”?；谶@些結(jié)果，能夠確認(rèn)即，由于陽(yáng)極催化劑層11的側(cè)面Ila具有傾斜面，因而陽(yáng)極催化劑層11的剝離距離L變小。即，優(yōu)選為，陽(yáng)極催化劑層11的傾斜角度Θ1為30° 以上且為80°以下，最好為45°以上且為75°以下。另一方面，如圖7所示，在樣品B6中，在運(yùn)轉(zhuǎn)了 500小時(shí)后的催化劑的剝離距離L 為0. 6mm，其評(píng)價(jià)為“ X ”。與此相對(duì)，在樣品Bl中，剝離距離L為0. 3mm，其評(píng)價(jià)為“Δ -，，。在樣品Β2中，剝離距離L為0. 15mm，其評(píng)價(jià)為“〇-”。在樣品B3中，剝離距離L為0. 05mm以下，其評(píng)價(jià)為 “〇”。在樣品B4中，剝離距離L為0.1讓，其評(píng)價(jià)為“〇-”。在樣品B5中，剝離距離L為 0. 25_，其評(píng)價(jià)為“Δ，，。基于這些結(jié)果，能夠確認(rèn)S卩，由于陰極催化劑層14的側(cè)面1 具有傾斜面，因而陰極催化劑層14的剝離距離L變小。即，優(yōu)選為，陰極催化劑層14的傾斜角度Θ3為30° 以上且為80°以下，最好為45°以上且為75°以下。如上述說(shuō)明的那樣，根據(jù)本實(shí)施方式，提供一種能夠防止相鄰的陽(yáng)極13之間及陰極16之間的短路的燃料電池1。在上述本實(shí)施方式中，對(duì)于陽(yáng)極催化劑層11的側(cè)面Ila的傾斜角度θ 1和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12的側(cè)面1 的傾斜角度θ 2相等(θ 1 = θ 2)、陰極催化劑層14的側(cè)面1 的傾斜角度θ 3和陰極氣體擴(kuò)散層15的側(cè)面15a的傾斜角度θ 4相等(θ 3 = θ 4)的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但是如圖8所示，也可僅使陽(yáng)極催化劑層11及陰極催化劑層14的側(cè)面11a、 14a 為傾斜面(θ 2 = 90°、θ 4 = 90° )。另外，如圖9所示，陽(yáng)極催化劑層11的側(cè)面Ila的傾斜角度θ 1也可以與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層12的側(cè)面12a的傾斜角度Θ 2不相等(θ 1興θ 2)。另外，如圖9所示，陰極催化劑層14的側(cè)面1 的傾斜角度θ 3也可以與陰極氣體擴(kuò)散層15的側(cè)面15a的傾斜角度 θ 4不相等(θ 3乒θ 4)。上述本實(shí)施方式的燃料電池1在使用各種液體燃料的情況下發(fā)揮效果，但并不限定液體燃料的種類或濃度。然而，一邊提供燃料一邊使其向面方向分散的燃料提供部31在燃料濃度較高的情況下特別有效。因此，各實(shí)施方式的燃料電池1在使用濃度為80wt%以上的甲醇作為液體燃料的情況下，特別能夠發(fā)揮其性能及效果。因而，優(yōu)選為，各實(shí)施方式使用甲醇濃度為80wt%以上的甲醇水溶液或純甲醇作為液體燃料的燃料電池1。而且，在上述各實(shí)施方式中，對(duì)將本發(fā)明應(yīng)用到半被動(dòng)型的燃料電池1的情況下進(jìn)行了說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于此，也可應(yīng)用到內(nèi)部氣化型的純被動(dòng)型的燃料電池。此外，本發(fā)明能夠應(yīng)用到使用液體燃料的各種燃料電池。另外，對(duì)燃料電池的具體結(jié)構(gòu)及燃料的提供狀態(tài)等也沒(méi)有特別限定，能夠?qū)⒈景l(fā)明應(yīng)用到提供給MEA的燃料全部為液體燃料的蒸汽、全部為液體燃料、或一部分是以液體狀態(tài)提供的液體燃料的蒸汽等各種形態(tài)。在實(shí)施階段中，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)能夠?qū)?gòu)成要素進(jìn)行變形以使其具體化。而且，能夠適當(dāng)?shù)亟M合上式實(shí)施方式所示的多個(gè)構(gòu)成要素，或從實(shí)施方式所示的所有構(gòu)成要素中刪除幾個(gè)構(gòu)成要素等，能夠進(jìn)行各種變形。本發(fā)明的實(shí)施方式能夠在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展或改變，該擴(kuò)展、改變后的實(shí)施方式仍包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其特征在于，包括膜電極接合體，該膜電極接合體包括多個(gè)單電池，該單電池包括電介質(zhì)膜；陽(yáng)極，該陽(yáng)極具有在所述電介質(zhì)膜的一個(gè)面上隔開間隔進(jìn)行配置而形成的多個(gè)陽(yáng)極催化劑層、及層疊于所述陽(yáng)極催化劑層的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層；以及陰極，該陰極具有在所述電介質(zhì)膜的另一個(gè)面上以與各所述陽(yáng)極催化劑層分別相對(duì)的方式隔開間隔進(jìn)行配置而形成的多個(gè)陰極催化劑層、及層疊于所述陰極催化劑層上的陰極氣體擴(kuò)散層，在相鄰的兩個(gè)單電池中的一個(gè)單電池的所述陽(yáng)極催化劑層及所述陰極催化劑層之中， 至少一方的厚度向著另一個(gè)單電池的方向變薄。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極催化劑層的與所述電介質(zhì)膜相接的底面的面積大于所述陽(yáng)極催化劑層的與所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層相接的上表面的面積。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極催化劑層具有與所述底面和所述上表面相連接的側(cè)面，相鄰的所述陽(yáng)極催化劑層的相互相對(duì)的所述側(cè)面分別是傾斜面。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極催化劑層的所述底面和所述側(cè)面之間的傾斜角度為30°以上且80°以下。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述陰極催化劑層的與所述電介質(zhì)膜相接的底面的面積大于所述陰極催化劑層的與所述陰極氣體擴(kuò)散層相接的上表面的面積。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池，其特征在于，所述陰極催化劑層具有與所述底面和所述上表面相連接的側(cè)面，相鄰的所述陰極催化劑層的相互相對(duì)的所述側(cè)面分別是傾斜面。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于，所述陰極催化劑層的所述底面和所述側(cè)面之間的傾斜角度為30°以上且80°以下。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池。該燃料電池包括膜電極接合體(2)，該膜電極接合體(2)包括多個(gè)單電池(C)，該單電池(C)包括電介質(zhì)膜(17)；陽(yáng)極(13)，該陽(yáng)極(13)具有在電介質(zhì)膜(17)的一個(gè)面上隔開間隔進(jìn)行配置而形成的多個(gè)陽(yáng)極催化劑層(11)、及層疊于陽(yáng)極催化劑層(11)的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(12)；陰極(16)，該陰極(16)具有在電介質(zhì)膜(17)的另一個(gè)面上以與各陽(yáng)極催化劑層(11)分別相對(duì)的方式隔開間隔進(jìn)行配置而形成的多個(gè)陰極催化劑層(14)、及層疊于陰極催化劑層(14)上的陰極氣體擴(kuò)散層(15)，在相鄰的兩個(gè)單電池(C)中，其中一個(gè)單電池(C)的陽(yáng)極催化劑層(11)及陰極催化劑層(14)這兩者中至少一者的厚度向著另一個(gè)單電池(C)的方向變薄。
文檔編號(hào)H01M4/86GK102265444SQ20098015291
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者上林信一, 千草尚, 小野寺真一, 市川勝美, 甲田仁, 若松宏晃, 藤澤晶子, 高澤直之 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝