CN100442583C - 聚合物电解质燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种聚合物电解质燃料电池，其中阳极侧隔板和阴极侧隔板中的至少一个是由具有向气体扩散层突起的凸状的主界面、以及围绕该主界面的外周边缘部制成的。主界面的平均厚度制成比外周边缘部的平均厚度厚。主界面最厚部分与外周边缘部的平均厚度之间的差值Δt为5-30μm。结果，通过充分地压缩垫圈能够显示密封效果而不发生气体泄漏，气体扩散层与隔板之间的电阻(接触电阻)的增加能够得到抑制，并且能够避免由于气体扩散层堵塞气流通道而引起的压力损失增加和对聚合物电解质膜的损害。

Description

聚合物电解质燃料电池
技术领域
本发明涉及一种用于便携式电源、电动车辆、家庭热电联合系统等的聚合物电解质燃料电池。
背景技术
在聚合物电解质燃料电池中，含氢的燃料气体与空气之类的含氧的氧化剂气体发生电化学反应而同时产生电能和热能。图11是显示传统的聚合物电解质燃料电池基本结构的剖面示意图。
单元电池(unit cell)101是传统聚合物电解质燃料电池300中的基本结构，主要包括可选择性地转移阳离子(氢离子)的聚合物电解质膜111、以及置于聚合物电解质膜111两侧的一对电极(阳极和阴极)112、113。阳极112和阴极113由催化剂层和气体扩散层组成，所述催化剂层包括携带电极催化剂(例如铂)的碳粉和氢离子传导性聚合物电解质的混合物，所述气体扩散层包括例如防水处理的复写纸，气体扩散层在催化剂层的外侧形成，同时具有透气性和电导性。
然后在阳极112和阴极113的外周放置如垫圈之类的气体密封件114，将聚合物电解质膜111夹在中间，以避免燃料气体和氧化剂气体的泄漏，以及燃料气体与氧化剂气体混合在一起。密封件114与阳极112、阴极113和聚合物电解质膜111结合在一起形成膜电极组件(以后称为MEA)。在MEA外，放置具有电导性的阳极侧隔板116和阴极侧隔板117以机械地固定MEA，并以串联的方式与邻近的MEA相互电连接。
在与MEA接触的阳极侧隔板116和阴极侧隔板117的部分，形成气流通道118、120以便分别向阳极112和阴极113供给反应气体(燃料气体和氧化剂气体)，并去除产生的气体和过量的气体。尽管气流通道118、120可单独由阳极侧隔板116和阴极侧隔板117提供，但一般是在阳极侧隔板116和阴极侧隔板117的表面形成凹槽作为气流通道，如图12中所示。
这些MEA、阳极侧隔板116、和阴极侧隔板117形成了单元电池101。尽管单元电池101在某些情况下单独使用，但为了获得足够的电池输出，MEA可交替地与阳极侧隔板116和阴极侧隔板117堆叠在一起，中间插入冷却部件(未显示)以形成层积体(即，10-200个单元电池101堆叠在一起)。通常层积体被端板夹在中间，集电器板和绝缘板插入中间，用紧固螺栓和其两侧的螺母固定在一起，因此制成了聚合物电解质燃料电池300。
在这个传统的聚合物电解质燃料电池300中，阳极侧隔板116和阴极侧隔板117是由碳平板形成的，在接触阳极112和阴极113的侧面，分别形成供给燃料气体或氧化剂气体的气流通道118、120，而在另一侧，形成冷却水循环的冷却水流通道119、121。通常来说，位于阳极侧隔板116和阴极侧隔板117中央部位、形成气流通道的主界面，与位于与包夹聚合物电解质膜111的垫圈一侧接触的围绕部分的外周边缘部形成相同的平面，而没有任何高度差。
这里，在如上所述的聚合物电解质燃料电池300中，MEA被阳极侧隔板116和阴极侧隔板117夹在中间，在聚合物电解质膜111，阳极112和阴极113这三者之间保持适当的压力。这是因为，需要将阳极112的气体扩散层与阳极侧隔板116接触，并将阴极113的气体扩散层与阴极侧隔板117接触。
也期望通过阳极侧隔板116和阴极侧隔板117来压缩包夹聚合物电解质膜111外周边缘部的一对垫圈114，以密封MEA的外周边缘部。此时，压缩程度{即，由于压缩减少的垫圈厚度(在压缩前垫圈的厚度与压缩后垫圈的厚度之间的差值)}限定了阳极112的气体扩散层与阳极侧隔板116之间的接触力，以及阴极113的气体扩散层与阴极侧隔板117之间的接触力。
发明内容
本发明要解决的问题
但在阳极侧隔板116和阴极侧隔板117中，当接触阳极112或阴极113的部分(主界面)和接触垫圈114的部分(外周边缘部)在同一个平面上时，象上面那样，在此情况下由于制造公差，主界面会比外周边缘部薄，就不能保证在气体扩散层与阳极侧隔板116或阴极侧隔板117之间充分的接触，因此增加了它们之间的电阻。当气体扩散层由复写纸之类的柔软材料制成时，这种情况经常发生。因此，为了抑制这种电阻增加，必须通过进一步增加垫圈114的压缩程度而使主界面与气体扩散层之间的接触力更强。
另一方面，在阳极侧隔板116或阴极侧隔板117的主界面平均厚度极大地厚于外周边缘部的平均厚度的情况下，当垫圈114被压缩获得合适的密封性时，阳极侧隔板116或阴极侧隔板117的主界面极大地压缩了气体扩散层。在这样的情况下，气体扩散能力被干扰，产生了一些问题：单元电池101的压力损失增加，以及气体扩散层弯曲变形而损害MEA。而且，因为气体扩散层进入在主界面上形成的气流通道118、120，并堵塞气流通道，气流通道118、120压力损失的增加提高了反应气体在气流通道118、120中不均匀分布的可能性。
而且，因为MEA、阳极侧隔板116和阴极侧隔板117被夹紧，阳极侧隔板116和阴极侧隔板117的外周边缘部受夹紧力的作用而弯曲，因此与MEA接触。如上面一样，在阳极侧隔板116和阴极侧隔板117为平面的情况下，这种弯曲将对气体扩散层的外周边缘部施加局部负载，引起如下问题，气体扩散层会在聚合物电解质膜111上产生损害，在聚合物电解质膜111上产生针孔。
本发明是考虑到前述的各种问题而产生的，本发明的一个目的是提供一种聚合物电解质燃料电池，其中通过充分地压缩垫圈能够显示密封效果而不发生气体泄漏，阳极的气体扩散层与阳极侧隔板之间、以及阴极的气体扩散层与阴极侧隔板之间的电阻(接触电阻)的增加能够得到抑制，并且能够避免由于气体扩散层堵塞气流通道而引起的压力损失增加和对聚合物电解质膜的损害。进一步地，本发明的另一个目的是提供一种隔板，其可以很容易和可靠地实现上述的聚合物电解质燃料电池。
解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明提供了一种聚合物电解质燃料电池，包括：具有氢离子传导性聚合物电解质膜、以及将所述的聚合物电解质膜夹在中间的阳极和阴极的膜电极组件；和置于其两侧用于支撑膜电极组件的阳极侧隔板和阴极侧隔板，各个阳极和阴极都具有气体扩散层和与聚合物电解质膜接触的催化剂层；
其中所述的阳极侧隔板和阴极侧隔板中的至少一个包括与气体扩散层接触的主界面和围绕主界面的外周边缘部，且其基本上为平面结构；
主界面具有朝气体扩散层一侧突起的凸状，并具有为所述的阳极或所述的阴极提供反应气体的气流通道；并且
主界面部分的平均厚度较外周边缘部部分的平均厚度厚，而主界面部分的最厚部分的厚度与外周边缘部部分的平均厚度之间的差值Δt为5-30μm。
在此，本发明中的隔板“主界面”是指与阳极或阴极接触的隔板的部分。更具体地，隔板“主界面”是指在隔板中央的部分，当膜电极组件沿法线的方向投影时(以相同的放大倍率)，其包括至少对应于与显示阳极或阴极的图形(投影的结果是显示“阳极侧或阴极侧开口”的图形)的尺寸和形状相同的区域的部分。因此，上面的“主界面”具有与上述区域相同的面积，或其面积大于上述区域。
围绕上述隔板“主界面”的“外周边缘部”是主界面的外周边缘区域和具有突起的凸形区域之外的区域，与上述“主界面”构成一个整体。尽管上述“主界面”具有朝气体扩散层一侧突起的凸状，但根据本发明形成的具有“主界面”和“外周边缘部”的隔板被构造为在整体上基本为平面。因此，上述的“外周边缘部”可以是平面或弯曲的。
另外，主界面的“平均厚度”是通过在具有突出的凸起区域内测量不少于5个不同的测量点而测量到的厚度的算术平均值。但在5个不同的测量点中的一个点必须是具有突出的凸起区域内的几何中心(重心)。该几何中心(重心)可对应于主界面的最厚部分。
进一步地，外周边缘部的“平均厚度”是如上所规定通过外周边缘部中不少于8个不同的测量点测量到的厚度的算术平均值。
在本发明的聚合物电解质燃料电池中，通过在阳极侧隔板和阴极侧隔板中的至少一个中(优选两者中)形成如上所述的结构，下面的聚合物电解质燃料电池可很容易和可靠地实现：即使对垫圈进行足够的压缩以体现密封效果而不发生气体泄漏，阳极的气体扩散层与阳极侧隔板之间、以及阴极的气体扩散层与阴极侧隔板之间的电阻(接触电阻)的增加能够得到抑制，并且能够避免由于气体扩散层堵塞气流通道而引起的压力损失增加和对聚合物电解质膜的损害。
进一步地，本发明提供了一种聚合物电解质燃料电池，包括：两个或更多个膜电极组件，该膜电极组件具有氢离子传导性聚合物电解质膜，和将聚合物电解质膜夹在中间的阳极和阴极；以及两个或更多个隔板，与膜电极组件交替堆叠在一起，每个阳极和阴极都具有气体扩散层和与所述的聚合物电解质膜接触的催化剂层；
其中至少一个隔板是复合隔板，包括阳极侧隔板和阴极侧隔板的组合；
每个阳极侧隔板和阴极侧隔板都包括与阳极和阴极接触的主界面，以及围绕主界面的外周边缘部，且其基本上为平面结构；
主界面具有分别朝阳极和阴极突起的凸状，并具有分别为阳极和阴极提供燃料气体和氧化剂气体的气流通道；并且
主界面部分的平均厚度较外周边缘部部分的平均厚度厚，而主界面部分的最厚部分的厚度与外周边缘部部分的平均厚度之间的差值Δt是5-30μm。
在此，如上所述本发明的聚合物电解质燃料电池中的“复合隔板”是包括阳极侧隔板和阴极侧隔板组合的复合隔板，其中阳极侧隔板和阴极侧隔板形成一个整体。
在如上所述的本发明的聚合物电解质燃料电池中，通过在至少一个堆叠的隔板中形成如上所述的结构，下面的聚合物电解质燃料电池可很容易和可靠地实现：阳极的气体扩散层与阳极侧隔板之间、以及阴极的气体扩散层与阴极侧隔板之间的电阻(接触电阻)的增加能够得到抑制，同时通过充分地压缩垫圈能够显示密封效果而不发生气体泄漏，并且能够避免由于气体扩散层堵塞气流通道而引起的压力损失增加和对聚合物电解质膜的损害。
本发明的效果
根据本发明，下面的聚合物电解质燃料电池可很容易和可靠地实现：即使通过充分地压缩垫圈以体现密封效果而不发生气体泄漏，阳极的气体扩散层与阳极侧隔板之间、以及阴极的气体扩散层与阴极侧隔板之间的电阻(接触电阻)的增加能够得到抑制，并且能够避免由于气体扩散层堵塞气流通道而引起的压力损失增加和对聚合物电解质膜的损害。
附图说明
图1是对本发明的实施方式1中聚合物电解质燃料电池基本结构进行说明的剖面示意图。
图2是图1中所示的实施方式中聚合物电解质燃料电池100的阴极侧隔板30的主要部分的放大正视图(从气流通道38一侧观察的正视图)。
图3是对图2中所示的阴极侧隔板30进行说明的剖面示意图(横截面的方向与主界面36垂直)。
图4是图2中所示的阴极侧隔板30的主要部分的放大后视图(从冷却水流通道35一侧观察的正视图)。
图5是图1中所示的实施方式中聚合物电解质燃料电池100中的阳极侧隔板40的主要部分的放大正视图(从冷却水流通道45一侧观察的正视图)。
图6是图5中所示的阳极侧隔板40的主要部分的放大后视图(从气流通道48一侧观察的正视图)。
图7是图1中P所示部分的放大视图。
图8是对本发明实施方式2中聚合物电解质燃料电池的基本结构进行说明的剖面示意图。
图9是图8中所示的实施方式中聚合物电解质燃料电池200中复合隔板50的主要部分的放大正视图。
图10是图9和图11中所示的复合隔板50的剖面示意图(横截面的方向与主界面36c、36a垂直)。
图11是图9中所示的复合隔板50的主要部分的放大后视图(从气流通道48一侧观察的正视图)。
图12是对常规的聚合物电解质燃料电池的第一个实施方式的基本结构进行说明的剖面示意图。
具体实施方式
此后，实现本发明的优选实施方式将根据附图来说明。在下面的描述中，对于相同或相应的部分使用相同的参考数字，并省略重复的描述。
[实施方式1]
图1是对本发明的实施方式1中聚合物电解质燃料电池的基本结构进行说明的剖面示意图。如图1所示，单元电池1，即本实施方式中聚合物电解质燃料电池100的基本结构，主要包括可选择性地转移阳离子(氢离子)的聚合物电解质膜21、和置于聚合物电解质膜21两侧的一对电极(阳极和阴极)22、23。阴极22和阳极23由催化剂层和气体扩散层组成，催化剂层包括携带电极催化剂(例如铂)的碳粉和氢离子传导性聚合物电解质的混合物，气体扩散层包括例如防水处理的复写纸，其在催化剂层的外侧形成，同时具有透气性和导电性。
然后，在阴极22和阳极23的外周放置如垫圈25a和25c的气体密封件以将聚合物电解质膜21夹在中间，从而避免燃料气体和氧化剂气体向外面泄漏以及燃料气体与氧化剂气体混合在一起。这些垫圈25a和25c与阴极22、阳极23以及聚合物电解质膜21集成在一起形成膜电极组件(MEA)。在MEA外面，放置具有导电性的阴极侧隔板30和阳极侧隔板40，以机械地固定MEA，并以串联的方式与邻近的MEA相互电连接。
MEA、阴极侧隔板22和阳极侧隔板23形成单元电池1。单元电池1与阴极侧隔板22和阳极侧隔板23堆叠在一起，中间插入包括阴极侧隔板22的冷却水流通道35和阳极侧隔板23的冷却水流通道45的冷却部件，形成包括本实施方式的层积体的聚合物电解质燃料电池100。尽管未显示，但上述的层积体是被端板夹在中间，集电器板和绝缘板插入其中，并用紧固螺栓和其两侧的螺母固定在一起，因此形成了聚合物电解质燃料电池100。
如上所述，由于阴极侧隔板和阳极侧隔板的平板形状，传统的聚合物电解质燃料电池有很多问题。但在本实施方式中的聚合物电解质燃料电池100中，使用具有特征性结构的阴极侧隔板和阳极侧隔板以解决这些问题。这些隔板在下面进行详述。
图2是图1中所示的本实施方式中聚合物电解质燃料电池100的阴极侧隔板30的主要部分的放大正视图(从气流通道38一侧观察的正视图)。图3是对图2中所示的阴极侧隔板30进行说明的剖面示意图(横截面与主界面36的方向垂直)(因此，省略了气流通道38和冷却水流通道35)。另外，图4是图2中所示的阴极侧隔板30的主要部分的放大后视图(从冷却水流通道35一侧观察的正视图)。
进一步地，图5是图1中所示的本实施方式中聚合物电解质燃料电池100中阳极侧隔板40的主要部分的放大正视图(从冷却水流通道45一侧观察的正视图)，图6是图5中所示的阳极侧隔板40的主要部分的放大后视图(从气流通道48一侧观察的正视图)。
如图2所示，阴极侧隔板30由与阴极22接触的主界面36(与虚线围绕的区域相对应的部分)、和与主界面36整合在一起的围绕主界面36的外周边缘部37形成。外周边缘部37装配了氧化剂气体集管孔32、燃料气体集管孔33、以及冷却水集管孔34。主界面36具有为阴极22提供氧化剂气体的气流通道38，并且气流通道38被构造为与氧化剂气体集管孔32连接。
如图3所示，主界面36具有朝外侧突起的凸状(即，朝向阴极22一侧)，因此，主界面36部分的平均厚度比外周边缘部37部分的平均厚度厚。另外，尽管在阴极侧隔板30中的主界面36与外周边缘部37之间的连接部分具有高度差，但阴极侧隔板30的后侧有冷却水流通道35，而被构造为没有高度差的单一平面。
另一方面，如图6所示，阳极侧隔板40由与阳极23接触的主界面46(与虚线围绕的区域相对应的部分)、与主界面46整合在一起的围绕主界面46的外周边缘部47形成。外周边缘部47装配了氧化剂气体集管孔42、燃料气体集管孔43、以及冷却水集管孔44。主界面46具有为阳极23提供燃料气体的气流通道48，且气流通道48被构造为与燃料气体集管孔43连接。
尽管没有显示，主界面46也具有朝外侧突起的凸状(即，朝向阳极23一侧)，类似于图3中所示的阴极侧隔板30的主界面36，尽管在阳极侧隔板40中的主界面46与外周边缘部47之间的连接部分具有高度差，但阳极侧隔板40的后侧具有冷却水流通道45，而被构造为没有高度差的单一平面。
优选主界面36、46部分的平均厚度比外周边缘部37、47部分的平均厚度厚，主界面36、46最厚部分的厚度与外周边缘部37、47部分的平均厚度之间的差值Δt(参考图3)为5-30μm。这是因为当厚度小于5μm，主界面36、46部分与气体扩散层之间的接触电阻增加，并且当厚度超过30μm时，气体扩散层被过度压缩而压力损失增加。特别是，从可靠地获得本发明的效果的角度考虑，优选差值Δt为5-10μm。
此外，当使用满足上述差值Δt的本实施方式的阴极侧隔板30和阳极侧隔板40时，优选气体扩散层的厚度为150-200μm。这是因为当厚度为150μm或更大时，压力损失能够抑制到更小的程度，而当厚度为200μm或更小时，支流{仅通过气体扩散层，不通过气流通道的反应气体流(支流的增加将产生没有被催化剂层利用的部分，因此降低了电极的利用率)}被抑制，反应气体能够被提供至整个阴极22和阳极23。
当满足上述关于Δt和气体扩散层厚度的条件时，气流通道38、48的横截面积可以在所有主界面36、46中基本上是相同的，此时MEA被阴极侧隔板30和阳极侧隔板40夹紧，因此是优选的。
在此，“气流通道的横截面积在所有主界面中基本上相同的状态”使用图1和图7进行描述。图7是图1中P所示部分在夹紧本实施方式中的聚合物电解质燃料电池100时的放大视图。如图7中所示，阳极23的气体扩散层部分在夹紧的时候进入气流通道48。但在本实施方式中，阳极侧隔板40是根据预测(领会)这种进入的程度来预先设计的。因此，在夹紧的时候，在与图垂直的平面上，在主界面的中央一侧形成气流通道48的凹槽的横截面积，与在外周边缘部一侧形成气流通道48的凹槽横截面积变为基本上相同。因此，它是指反应气体实际上通过的凹槽的横截面积在所有阳极侧隔板40上是相同的状态。在阴极侧也一样。
特别是当夹紧压力为5-30kgf/cm2时，能够可靠地获得上述的效果。
如图3中所示，也优选与主界面36、46垂直方向的横截面从主界面36、46的中央部位朝外周边缘部37、47形成平滑的曲线，进一步地，该曲线具有拐点X。据此，其具有的优势是在所有气体扩散层中夹紧压力可以相同。
优选阴极侧隔板30和阳极侧隔板40从包括传导性碳粉和粘合剂的模压制品而制成。进一步地，优选使用的隔板通过将捏练材料挤压成型制备生片(green sheet)，然后将生片压缩成型而获得，所述捏练材料包括例如70-80重量份的传导性碳粉，如膨胀石墨粉，以及例如20-30重量份的粘合剂，如酚醛树脂。当酚醛树脂用作粘合剂时，合适的压缩成型温度为160℃，合适的制模表面压力为350-500kgf/cm2。
当上述的生片被压缩成型时，优选生片被压缩为成型前体积的60-75％。当在具有类似上述形状的隔板的成型过程中平均差值Δt为5-30μm时，通过使用上述的压缩比例，获得的隔板的密度总体上几乎是相同的，并且可塑性优异。优选在成型后，隔板的密度为1.5-2.0g/cm3。
在本实施方式中，阴极侧隔板30和阳极侧隔板40最厚部分的(即，主界面36、48的最厚部分)的合适厚度大约为3mm。垫圈25c、25a的合适厚度为0.3-1.0mm。
在阴极侧隔板30中装配的一对氧化剂气体集管孔32与阳极侧隔板40中装配的一对氧化剂集管孔42相连接，而阴极侧隔板30中装配的一对燃料气体集管孔33与阳极侧隔板40中装配的一对燃料气体集管孔43相连接。在阴极侧隔板30中装配的一对冷却水集管孔34也与阳极侧隔板40中装配的一对冷却水集管孔44相连接。
因此，一对氧化剂气体集管孔32中的一个是入口，而另一个是出口。类似地，在一对氧化剂气体集管孔42、一对燃料气体集管孔33、一对燃料气体集管孔43、一对冷却水集管孔34、和一对冷却水集管孔44中，一个是入口，而另一个是出口。
在本实施方式中，分别围绕氧化剂气体集管孔32和燃料气体集管孔33的凹槽31c和凹槽31a、以及围绕冷却水集管孔34和冷却水流通道35的凹槽31w，进一步完全在阴极侧隔板30的后侧(冷却水流通道35一侧)形成。同样，分别围绕氧化剂气体集管孔42和燃料气体集管孔43的凹槽41c和凹槽41a、以及围绕冷却水集管孔44和冷却水流通道45的凹槽41w，进一步完全在阳极侧隔板40的后侧(冷却水流通道45一侧)形成。
进一步地，在本实施方式中的聚合物电解质燃料电池100中，如图1所示，阴极侧隔板30的后侧(冷却水流通道35一侧)和阳极侧隔板40的后侧(冷却水流通道45一侧)连接在一起，这样它们的表面相对，插在MEA中间。以这种结构为基础，O-环(未显示)分别插入凹槽31c与凹槽41c、凹槽31a与41a、以及凹槽31w与凹槽41w中间，因此可以防止反应气体或冷却水从阴极侧隔板30与阳极侧隔板40之间泄漏。
如上所述，在本实施方式的聚合物电解质燃料电池100中，通过在阴极侧隔板30和阳极侧隔板40中装配分别具有朝向阴极22和阳极23突起的凸状的主界面，下面的聚合物电解质燃料电池能够容易和可靠地实现：通过充分地压缩垫圈能够显示密封效果而不发生气体泄漏，阴极22的气体扩散层与阴极侧隔板30之间、以及阳极23的气体扩散层与阳极侧隔板40之间的电阻(接触电阻)的增加能够得到抑制，并且能够避免由于气体扩散层堵塞气流通道而引起的压力损失增加和对聚合物电解质膜的损害。
尽管当本实施方式中描述的阴极侧隔板30和阳极侧隔板40均具有有突起的凸状的主界面时，具有突起的主界面可在阴极侧隔板30和阳极侧隔板40中的任何一个中装配。进一步地，尽管在本实施方式中，在阴极测隔板30和阳极侧隔板40中都装配了形成冷却部件的冷却水流通道35、45，但冷却水流通道可在阴极侧隔板30和阳极侧隔板40中的任何一个中装配。
进一步地，尽管在本实施方式中，冷却水流通道在阴极侧隔板30及其邻近的阳极侧隔板40之间装配，但冷却水流通道可在，例如任何两个单元电池之间而不是每一个电池中装配。在这样的情况下，用作阳极侧隔板和阴极侧隔板(例如，后面描述的实施方式2的复合隔板)的、在一侧有燃料气流通道而另一侧有氧化剂气流通道的单个隔板，可以一起使用。
[实施方式2]
下面描述本发明的实施方式2中的聚合物电解质燃料电池。如图8所示，在实施方式2中的聚合物电解质燃料电池中，图1中实施方式1所示的聚合物电解质燃料电池100中阳极侧隔板30和阴极侧隔板40的组合被替换为单个复合隔板50，而复合隔板50之外的构造与实施方式1中的聚合物电解质燃料电池100相同。图8是对本发明实施方式2中聚合物电解质燃料电池基本结构进行说明的剖面示意图。
下面，描述在实施方式2中聚合物电解质燃料电池200中装配的复合隔板50(本发明实施方式2中的隔板)。图9是图8中所示的本实施方式中聚合物电解质燃料电池200的复合隔板50的主要部分的放大正视图(从气流通道38一侧观察的正视图)。图11是图9中所示的复合隔板50的主要部分的放大后视图(从气流通道48一侧观察的正视图)。图10是图9和11中所示的复合隔板50的剖面示意图(横截面的方向与主界面36c、36a垂直)(气流通道38、48被省略)。
本实施方式的复合隔板50是包括阴极侧隔板和阳极侧隔板的组合的单个隔板。因此，复合隔板50能够仅通过单一组件而实现上面实施方式1中阴极侧隔板30和阳极侧隔板40的功能。尽管优选复合隔板50通过制模而制备，但复合隔板50可通过将上面实施方式1的阴极侧隔板和阳极侧隔板集成(连接)而制备。
复合隔板50在一侧具有接触阴极22的主界面36c，在另一侧具有接触阳极23的主界面36a。为阴极22供应氧化剂气体的气流通道38在主界面36c上形成，为阳极供应氧化剂气体的气流通道48在主界面36a上形成。
每个主界面36c和36a都分别与围绕主界面的外周边缘部37c和37a单片集成。复合隔板50整体上基本形成一个平板，但每个主界面36c和36a都具有朝外侧突起的凸状(即，朝向阴极22侧或阳极23侧)。因此，主界面36c和36a部分的平均厚度较外周边缘部37c和37a部分的平均厚度厚。
在接触复合隔板50的MEA中，将聚合物电解质膜21夹在中间的阴极22和阳极23的一部分被复合隔板50的主界面16c和另一个邻近的复合隔板50的主界面16a压缩。同样，将聚合物电解质膜21的外周边缘部夹在中间的垫圈25c和25a的一部分也被一个复合隔板50的外周边缘部37c和另一个复合隔板50的外周边缘部37a压缩。因此，通过适当选择复合隔板50主界面36c和36a部分的平均厚度与外周边缘部37c和13a部分的平均厚度之间的差值，就能得到合适的阴极22和阳极23的气体扩散层与复合隔板50主界面36c、36a之间的接触程度，以及垫圈25c、25a的压缩程度。
只要图9中每个Δt1和Δt2与上面实施方式1中的Δt具有相同的范围，Δt1和Δt2的值可以是相同的或不同的，但优选是相同的。同样，复合隔板50的厚度也可与上面实施方式1中的阴极侧隔板30和阳极侧隔板40的厚度总和相同。
如上所述，在本实施方式的聚合物电解质燃料电池200中，通过为形成复合隔板50的阴极侧隔板部分和阳极侧隔板部分提供具有分别朝向阴极22和阳极23突起的凸状的主界面36c、36a，下面的聚合物电解质燃料电池200可很容易和可靠地实现：通过充分地压缩垫圈25c和25a能够显示密封效果而不发生气体泄漏；阴极22的气体扩散层与复合隔板50之间、以及阳极23的气体扩散层与复合隔板50之间的电阻(接触电阻)的增加能够得到抑制；并且能够避免由于气体扩散层38、48堵塞气流通道和对聚合物电解质膜21的损害而引起的压力损失增加。
尽管本实施方式中的复合隔板50内部没有装配冷却部件，但优选每2-3个MEA中，在复合隔板50内部装配冷却水流通道。例如，可使用上面实施方式1中阴极侧隔板30和阳极侧隔板40的组合替代多个复合隔板50中的一些复合隔板50。
尽管本发明的实施方式在上面进行了详述，但本发明并不限于上述的每个实施方式。
例如，在本发明的聚合物电解质燃料电池中，上面实施方式1中的阴极侧隔板30和阳极侧隔板40可与上面实施方式2的复合隔板50一起使用。
尽管在上面的实施方式中，氧化剂气体的气流通道38由5个平行的凹槽形成，燃料气体的气流通道48由3个平行的凹槽形成，但形成每个气流通道的凹槽数目并不限于上面的实施方式。形成上述气流通道的凹槽是由直线和弯角组合成的蜿蜒形状，除了不可避免的部分以外，凹槽的中心线要在其前侧和后侧相互一致。因此，当MEA被这样一对隔板夹在中间时，聚合物电解质膜21两侧上的气流通道38和48位于插入其间的聚合物电解质膜21的彼此相对位置上，如图1和图8所示。
同样，对于本发明的隔板，也优选上面的主界面的最厚部分的厚度大约为3.0mm。并且优选形成气流通道的凹槽深度和宽度，以及形成凹槽之间lib的部分的宽度，在夹紧聚合物电解质燃料电池时大约为1.0mm。
实施例
此后，本发明进一步以下面的实施例进行详述，但本发明不限于此。
[实施例1]
本发明包括单元电池1的聚合物电解质燃料电池通过使用上面实施方式1中的阴极侧隔板30和阳极侧隔板40制造。
首先，通过使平均原始粒子尺寸为30nm的传导性碳粉(Ketjenblack EC(产品名)：荷兰AKZO Chemie B.V.的产品)携带平均粒子尺寸为3nm的铂微粒，而获得携带阴极催化剂的碳粉(Pt：50重量％)。此外，通过使与上面相同的传导性碳粉携带平均粒子尺寸均为30埃的铂微粒和钌微粒，而获得携带阳极催化剂的碳粉(Pt：25重量％，Ru：25重量％)。
上述的携带阴极催化剂的碳粉分散在异丙醇中，然后混合全氟化碳磺酸粉末的乙醇分散液，从而制备形成阴极催化剂层的浆状物。类似地，上述携带阳极催化剂的碳粉分散在异丙醇中，然后混合全氟化碳磺酸粉末的乙醇分散液，从而制备形成阳极催化剂层的浆状物。
下一步，将上述浆状物通过丝网印刷涂覆在由厚度为250μm的碳无纺织物组成的气体扩散层的一侧以形成阴极催化剂层，从而制成阴极。此时，进行一些调整使阴极中电极催化剂(Pt)的量达到0.5mg/cm2，全氟化碳磺酸的量达到1.2mg/cm2。类似地，将上述浆状物通过丝网印刷涂覆在由厚度为250μm的碳无纺织物气体扩散层的一侧而形成阳极催化剂层，从而制成阳极。此时，进行一些调整使阳极中电极催化剂(Pt)的量达到0.5mg/cm2，全氟化碳磺酸的量达到1.2mg/cm2。
然后，制备尺寸面积大于阴极或阳极面积的聚合物电解质膜(Nafion 112(产品名)，由E.I.du Pont de Nemours and Company，U.S.A制造，厚度为30μm)，并且聚合物电解质膜的中央部位被上述的阴极和阳极夹在中间以便与阳极侧的催化剂层和阴极侧的催化剂层接触，且上述的聚合物电解质膜、上述的阴极、和上述的阳极通过热压粘合在一起。进一步地，在阴极和阳极的外周，将通过切料制成的与后面提到的隔板的外周形状几乎相同的垫圈(Viton-GBL，DuPont DowElastomer Japan的产品，由含氟橡胶制成，游离厚度：0.8mm)通过热压而粘合，制成MEA。
上述的MEA被实施方式1中描述的阴极侧隔板30和阳极侧隔板40夹在中间，并被夹紧，这样上述垫圈的厚度变为0.5mm，因此使单元电池1具有图1中所示的结构(本发明的聚合物电解质燃料电池)。此时，在阴极侧隔板30和阳极侧隔板40中，主界面36和46各自最厚部分的厚度与外周边缘部37和47各自的平均厚度之间的差值Δt被设置为10μm。
[特征评价]
使用由此制成的本发明的聚合物电解质燃料电池，测量隔板和气体扩散层的接触电阻(mΩ·cm2)，和当反应气体(燃料气体和氧化剂气体)溢出一定量时发生的压力损失(kPa)。
在聚合物电解质燃料电池中，当接触电阻超过20mΩ·cm2时，由于IR损失的影响引起的电压降低变得很明显，因此使其较不实用。因此，当接触电阻不超过20mΩ·cm2时被归类为“1”，当接触电阻超过20mΩ·cm2时被归类为“2”。同样，当压力损失超过10kPa时，能量转换效率降低，供应反应气体需要的功率增加，因此也使其较不实用。因此，当压力损失不超过10kPa时归类为“1”，当压力损失超过10kPa时归类为“2”。然后为了进行整体评价，当接触电阻和压力损失的结果均为“1”时，标记为“1(通过)”，当其中任何一个为“2”时则标记为“2(未通过)”。结果在表1中显示。
[实施例2]
本发明的聚合物电解质燃料电池(单元电池)以与实施例1相同的方式制造，除了Δt值设置为20μm以外。也以相同的方式进行特征评价。结果在表1中显示。
[实施例3]
本发明的聚合物电解质燃料电池(单元电池)以与实施例1相同的方式制造，除了Δt值设置为30μm以外。也以相同的方式进行特征评价。结果在表1中显示。
[实施例4]
本发明的聚合物电解质燃料电池(单元电池)以与实施例1相同的方式制造，除了Δt值设置为5μm以外。也以相同的方式进行特征评价。结果在表1中显示。
[比较例1]
本发明的聚合物电解质燃料电池(单元电池)以与实施例1相同的方式制造，除了阴极侧隔板30和阳极侧隔板40、主界面36、46被制造为具有朝向内侧(即，冷却水流通道35、45一侧)突起的凸状，制造的厚度较外周边缘部37、47薄，且Δt值设置为-5μm。也以相同的方式进行特征评价。结果在表1中显示。
[比较例2]
本发明的聚合物电解质燃料电池(单元电池)以与实施例1相同的方式制造，除了Δt值设置为50μm以外。也以相同的方式进行特征评价。结果在表1中显示。
[比较例3]
本发明的聚合物电解质燃料电池(单元电池)以与实施例1相同的方式制造，除了Δt值设置为100μm以外。也以相同的方式进行特征评价。结果在表1中显示。
表1
  Δt(μm)   接触电阻   压力损失   整体评价
  Comp.Ex.1   -5   2   1   2
  Ex.4   5   1   1   1
  Ex.1   10   1   1   1
  Ex.2   20   1   1   1
  Ex.3   30   1   1   1
  Comp.Ex.2   50   1   2   2
  Comp.Ex.3   100   1   2   2
从表1中的结果可以得出结论，当隔板的主界面最厚部分与外周边缘部的厚度差值Δt为5-30μm时，可获得具有较小的接触电阻和较少压力损失的极好的聚合物电解质燃料电池。
工业实用性
如上所述，在本发明的聚合物电解质燃料电池中，电极(阴极和阳极)与隔板之间的接触电阻减少，且压力损失变得稳定。因此，本发明的聚合物电解质燃料电池可优选用于便携式电源、电动车辆、家庭热电联合系统等。

Claims (20)

1.一种聚合物电解质燃料电池，包括：具有氢离子传导性聚合物电解质膜、以及将所述的聚合物电解质膜夹在中间的阳极和阴极的膜电极组件；和置于所述的膜电极组件两侧用于支撑其的阳极侧隔板和阴极侧隔板，各个所述阳极和所述阴极均具有气体扩散层和与所述聚合物电解质膜接触的催化剂层，
其中所述的阳极侧隔板和所述的阴极侧隔板中至少一个包括与所述气体扩散层接触的主界面和围绕所述主界面的外周边缘部，且其基本上为平面结构，
所述的主界面具有向所述气体扩散层一侧突起的凸状，并具有为所述阳极或所述阴极供应反应气体的气流通道，并且
所述的主界面部分的平均厚度比所述的外周边缘部部分的平均厚度厚，所述主界面部分的最厚部分的厚度与所述外周边缘部部分的平均厚度之间的差值Δt为5-30μm。
2.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述的差值Δt为5-10μm。
3.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述的气体扩散层的厚度为150-200μm。
4.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于当所述的膜电极组件被所述阳极侧隔板和所述阴极侧隔板夹紧时，所述气流通道的横截面积在整个所述的主界面中都基本相同。
5.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于与所述主界面垂直的横截面形成沿所述主界面的中心至所述外周边缘部的平滑曲线，且所述曲线具有拐点。
6.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述的外周边缘部具有反应气体集管孔和冷却水集管孔。
7.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述阳极侧隔板和所述阴极侧隔板中至少一个在所述聚合物电解质膜一侧相反的一侧具有冷却水流通道。
8.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于在所述主界面与所述外周边缘部之间具有高度差。
9.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述的外周边缘部部分被制成较所述的主界面部分薄。
10.根据权利要求1所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述主界面中的所述气流通道被制成向着所述主界面的中心变深。
11.一种聚合物电解质燃料电池，包括：两个或更多个膜电极组件，所述膜电极组件具有氢离子传导性聚合物电解质膜、以及将所述的聚合物电解质膜夹在中间的阳极和阴极；以及两块或更多块隔板，交替地与所述的膜电极组件堆叠在一起，各个所述阳极和所述阴极均具有气体扩散层和与所述聚合物电解质膜接触的催化剂层，
其中至少一块所述的隔板是复合隔板，包括阳极侧隔板和阴极侧隔板的组合，
所述阳极侧隔板和所述阴极侧隔板中每个都包括与所述阳极和所述阴极接触的主界面、以及围绕所述主界面的外周边缘部，且其基本上为平面结构，
所述的主界面具有分别向所述阳极侧和所述阴极侧突起的凸状，并具有分别为所述阳极和所述阴极供应燃料气体和氧化剂气体的气流通道，并且
所述主界面部分的平均厚度比所述外周边缘部部分的平均厚度厚，所述主界面部分的最厚部分的厚度与所述外周边缘部部分的平均厚度之间的差值Δt为5-30μm。
12.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述的差值Δt为5-10μm。
13.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述气体扩散层的厚度为150-200μm。
14.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于当所述的两个或更多个膜电极组件用所述的两块或更多块隔板夹紧时，所述复合隔板中的所述气流通道的横截面积在整个所述的主界面中都基本相同。
15.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于与所述主界面垂直的横截面形成沿所述主界面的中心至所述外周边缘部的平滑曲线，且所述曲线具有拐点。
16.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述的外周边缘部具有反应气体集管孔和冷却水集管孔。
17.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于在所述阳极侧隔板与所述阴极侧隔板之间具有冷却水流通道。
18.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于在所述的主界面与所述的外周边缘部之间具有高度差。
19.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述的外周边缘部部分被制成较所述的主界面部分薄。
20.根据权利要求11所述的聚合物电解质燃料电池，其特征在于所述主界面中的所述气流通道被制成向着所述主界面的中心变深。
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