CN102265444A - 燃料电池 - Google Patents

燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN102265444A
CN102265444A CN2009801529166A CN200980152916A CN102265444A CN 102265444 A CN102265444 A CN 102265444A CN 2009801529166 A CN2009801529166 A CN 2009801529166A CN 200980152916 A CN200980152916 A CN 200980152916A CN 102265444 A CN102265444 A CN 102265444A
Authority
CN
China
Prior art keywords
catalyst layer
anode
fuel
cathode
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2009801529166A
Other languages
English (en)
Inventor
千草尚
市川胜美
甲田仁
藤泽晶子
小野寺真一
若松宏晃
上林信一
高泽直之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of CN102265444A publication Critical patent/CN102265444A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8626—Porous electrodes characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明涉及一种燃料电池。该燃料电池包括膜电极接合体(2)，该膜电极接合体(2)包括多个单电池(C)，该单电池(C)包括：电介质膜(17)；阳极(13)，该阳极(13)具有在电介质膜(17)的一个面上隔开间隔进行配置而形成的多个阳极催化剂层(11)、及层叠于阳极催化剂层(11)的阳极气体扩散层(12)；阴极(16)，该阴极(16)具有在电介质膜(17)的另一个面上以与各阳极催化剂层(11)分别相对的方式隔开间隔进行配置而形成的多个阴极催化剂层(14)、及层叠于阴极催化剂层(14)上的阴极气体扩散层(15)，在相邻的两个单电池(C)中，其中一个单电池(C)的阳极催化剂层(11)及阴极催化剂层(14)这两者中至少一者的厚度向着另一个单电池(C)的方向变薄。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及使用液体燃料的燃料电池的技术。
背景技术
近年来，小型燃料电池十分引人注目。特别是使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell)(以下，称为DMFC)，由于可小型化且燃料的操作也较容易，因此，有望引起重视。
DMFC具有在阳极和阴极之间夹着电介质膜的结构的膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly)(以下，称为MEA)。在这样的DMFC的阳极中，导入的甲醇被氧化分解，生成质子、电子、及二氧化碳。另一方面，在阴极中，空气中的氧气、从阳极侧移动来的质子、以及从阳极通过外部电路提供的电子发生反应，生成水。另外，由通过外部电路的电子来供电。
在上述DMFC中，为了防止阳极和阴极之间的短路，揭示了MEA的端部沿其层叠方向倾斜的结构(例如，参照专利文献1)。另外，为了防止因面压分布不均匀而引起的性能降低，揭示了在气体扩散层接合体的缘部沿层叠方向形成阶差，以填补阶差的厚度来形成在阶差上覆盖保护膜的结构(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2007-213830号公报
专利文献2：日本专利特开2005-149803号公报
发明内容
然而，由DMFC发电而得到的电压在无可逆损耗的电池电压中为1.21V，比一般的电池要低。因此，具有这样的方法，即、DMFC通过叠加或排列多个单电池、串联各单电池，从而升高电压的方法。特别是在要求节省空间的燃料电池的情况下，大多情况下通过并排地排列多个单电池，阳极和阴极利用金属导体的电极来连接，以实现串联连接。
然而，在并排地排列多个单电池的情况下，由于从阳极催化剂层或阴极催化剂层脱落的催化剂，可能会导致相邻的阳极之间或阴极之间发生短路而无法确保预定的电压。
本发明是鉴于上述问题点完成的，其目的在于提供一种能够防止相邻的阴极间或阳极之间的短路的燃料电池。
本发明的实施方式的燃料电池的特征在于，包括膜电极接合体，该膜电极接合体包括多个单电池，该单电池包括：电介质膜；阳极，该阳极具有在上述电介质膜的一个面上隔开间隔进行配置而形成的多个阳极催化剂层、及层叠于上述阳极催化剂层的阳极气体扩散层；以及阴极，该阴极具有在上述电介质膜的另一个面上以与各上述阳极催化剂层分别相对的方式隔开间隔进行配置而形成的多个阴极催化剂层、及层叠于上述阴极催化剂层上的阴极气体扩散层，在相邻的两个单电池中的一个单电池的上述阳极催化剂层及上述阴极催化剂层之中，至少一方的厚度向着另一个单电池的方向变薄。
根据本发明，能够提供一种能够防止相邻的阴极间或阳极之间的短路的燃料电池。
附图说明
图1是简要地示出本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池的结构的剖视图。
图2是简要地示出图1所示的燃料电池中的MEA的一部分的截面的立体图。
图3是图2所示的MEA的俯视图。
图4是对图2所示的A部进行放大的剖视图。
图5是表示阳极催化剂层的剥离距离以及阴极催化剂层的剥离距离的图。
图6是表示通过在阳极催化剂层形成倾斜面而得到的效果的检验结果的图。
图7是表示通过在阴极催化剂层形成倾斜面而得到的效果的检验结果的图。
图8是简要地示出本发明的实施方式所涉及的燃料电池的MEA的其他结构的剖视图。
图9是简要地示出本发明的实施方式所涉及的燃料电池的MEA的其他结构的剖视图。
标号说明
1燃料电池
2MEA
3燃料提供机构
11阳极催化剂层
12阳极气体扩散层
13阳极
14阴极催化剂层
15阴极气体扩散层
16阴极
17电介质膜
11a、14a倾斜面
C单电池
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的一个实施方式的燃料电池。
燃料电池1主要包括：构成起电部的MEA2、以及向MEA2提供燃料的燃料提供机构3。
即，在燃料电池1中，MEA2包括：阳极(或称为燃料极)13，该阳极13包括阳极催化剂层11及配置于阳极催化剂层11之上的阳极气体扩散层12；阴极(或称为空气极、氧化剂极)16，该阴极16包括阴极催化剂层14及层叠于阴极催化剂层14的阴极气体扩散层15；以及质子(氢离子)传导性的电介质膜17，该质子传导性的电介质膜17被阳极催化剂层11和阴极催化剂层14夹住。
作为阳极催化剂层11或阴极催化剂层14中所含有的催化剂，可列举出例如铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)、钯(Pd)等铂族元素的单质、或包含铂族元素的合金等。优选为，在阳极催化剂层11使用对甲醇或一氧化碳具有强耐受性的Pt-Ru或Pt-Mo等。优选为，在阴极催化剂层14使用Pt或Pt-Ni等。然而，催化剂并不限于此，能够使用具有催化剂活性的各种物质。另外，催化剂也能够是使用有炭素材料那样的导电性载体的载体催化剂或无载体催化剂。
阳极催化剂层11及阴极催化剂层14也可包含例如具有磺酸基的例如全氟磺酸聚合物等氟树脂(Nafion(商品名、杜邦公司制)、Flemion(商品名、旭硝子株式会社制)等)、具有磺酸基的烃类树脂、钨酸或磷钨酸、硝酸锂等无机物等的质子导电剂。
作为构成电介质膜17的质子传导性材料，可以列举出例如具有磺酸基的例如全氟磺酸聚合物那样的氟树脂(Nafion(商品名、杜邦公司制)、Flemion(商品名、旭硝子株式会社制)等)、具有磺酸基的烃类树脂等有机材料、或钨酸或磷钨酸等无机材料。然而，质子传导性的电介质膜17并不限于此。
层叠于阳极催化剂层11的阳极气体扩散层12起到向阳极催化剂层11均匀地提供燃料的作用，并具有阳极催化剂层11的集电功能。层叠于阴极催化剂层14的阴极气体扩散层15起到向阴极催化剂层14均匀地提供氧化剂(例如，空气中所包含的氧气)的作用，并具有阴极催化剂层14的集电功能。阳极气体扩散层12及阴极气体扩散层15是由例如碳纸等具有导电性的多孔质基材构成的。
MEA2被分别配置在电介质膜17的阳极13侧及阴极16侧的胶质的O形环等密封构件19所密封，由此，能够防止来自MEA2的燃料泄漏或氧化剂泄漏。
在MEA2的阴极16侧配置有由绝缘材料形成的板状体20。该板状体20主要作为保湿层起作用。即，该板状体20浸渍于由阴极催化剂层14生成的水的一部分中，从而抑制水的蒸发，并且调整阴极催化剂层14对空气的获取量并促进空气的均匀扩散。该板状体20由例如多孔质结构的构件构成，作为具体的构成结构料，可以举出聚乙烯或聚丙烯这样的多孔质体等。
上述的MEA2配置在燃料提供机构3和盖板21之间。盖板21的外观大致为矩形，由例如不锈钢(SUS)构成。另外，盖板21具有用于获取作为氧化剂的空气的多个开口部21A。
燃料提供机构3采用对MEA2的阳极13提供燃料的结构，特别是并不限于特定的结构。以下，对燃料提供机构3的一个例子进行说明。
燃料提供机构3包括例如形成为箱状的容器30。该燃料提供机构3通过流路5与收纳液体燃料的燃料收纳部4相连接。容器30具有燃料导入口30A，该燃料导入口30A与流路5相连接。该容器30由例如树脂制容器构成。作为形成容器30的材料，选择对液体燃料具有耐受性的材料。
燃料提供机构3包括燃料提供部31，该燃料提供部31使燃料向MEA2的阳极13的面方分散并扩散，以进行供应。此处，特别对燃料提供部31具有燃料分配板31A的结构进行说明，但是燃料提供部31也可以采用其他结构。
即，燃料分配板31A采用以下结构：即，包括一个燃料注入口32和多个燃料排出口33，通过细管34那样的燃料通路与燃料注入口32和燃料排出口33相连接。
燃料注入口32与容器30的燃料导入口30A相连通。由此，燃料分配板31A的燃料注入口32通过流路5与燃料收纳部4相连接。燃料排出口33例如有128处，排出液体燃料或其气化成分。
从燃料注入口32注入的液体燃料通过分岔为多个的细管34，被分别导入多个燃料排出口33。通过使用这样的燃料分配板31A，由此能够使从燃料注入口32注入的液体燃料在与方向、位置无关的情况下，被均匀地分配到多个燃料排出口33。从而，能够进一步提高MEA2的面内的发电反应的均匀性。
而且，通过利用细管34使燃料注入口32和多个燃料排出口33相连接，由此能够实现利用燃料电池1的确定部位来提供更多的燃料的设计。这有助于提高MEA2的发电程度的均匀性。
MEA2的阳极13以与上述燃料分配板31A的燃料排出口33相对的方式进行配置。盖板21是在与燃料提供机构3之间保持有MEA2的状态下、利用铆接或螺纹旋紧等方法以相对容器30被固定的。由此，构成燃料电池(DMFC)1的发电单元。
燃料提供部31优选采用以下结构：即，在燃料分配板31A和MEA2之间形成有作为燃料扩散室31B起作用的空间。该燃料扩散室31B具有以下功能：即，即使从燃料排出口33有液体燃料排出也能促进其气化，并能促进其向面方向的扩散。
优选为，在MEA2和燃料提供部31之间配置有从阳极13侧对MEA2进行支承的支撑构件。
另外，优选为，在MEA2和燃料提供部31之间配置有至少一个多孔体。
燃料收纳部4中收纳有与MEA2对应的液体燃料。作为液体燃料，可以列举出各种浓度的甲醇水溶液或纯甲醇等甲醇燃料。此外，液体燃料并不限于甲醇燃料。液体燃料可以是例如甲醇水溶液或纯甲醇等甲醇燃料、丁醇水溶液或纯丁醇等丁醇燃料、乙二醇水溶液或纯乙二醇等乙二醇燃料、二甲醚、甲酸、或其他液体燃料。总之，燃料收纳部4中收纳有与MEA2对应的液体燃料。
而且，流路5中也可以设置有泵6。泵6不是使燃料循环的循环泵，而是将液体燃料从燃料收纳部4输送到燃料提供部31的燃料提供泵。从由燃料提供部31提供给MEA2的燃料应用于发电反应，之后进行循环而不再返回燃料收纳部4。
本实施方式的燃料电池1因不进行燃料循环，因而不同于现有的主动方式的燃料电池，不会损害装置的小型化。另外，在液体燃料的提供中使用泵6，这也不同于现有的内部气化型的纯被动方式的燃料电池。图1所示的燃料电池1是适用于例如被称为半被动型方式的燃料电池。
在本实施方式的燃料电池1中，使用泵6来间歇地将液体燃料从燃料收纳部4输送到燃料提供部31。由泵6输送的液体燃料经由燃料提供部31被均匀地提供给MEA2的整个阳极13。
即，对多个单电池C的各阳极13的平面方向均匀地提供燃料，由此产生发电反应。优选为，基于燃料电池1的输出、温度信息、供电对象即电子设备的运行信息等来对燃料提供用的泵6的运转动作进行控制。
如上所述，从燃料提供部31释放出的燃料被提供给MEA2的阳极13。在MEA2中，燃料扩散经过阳极气体扩散层12，被提供给阳极催化剂层11。在使用甲醇燃料作为液体燃料的情况下，在阳极催化剂层11中发生下式(1)所示的甲醇的内部重整反应。此外，在使用纯甲醇作为甲醇燃料的情况下，使在阴极催化剂层14生成的水或电介质膜17中的水与甲醇发生反应，从而引起式(1)中的内部重整反应。或者，利用不需要水的其他反应机构来产生内部重整反应。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(1)
由该反应所生成的电子(e-)经由集电体被引导出到外部，在作为所谓的电力使便携式电子设备进行动作后，经由集电体被引导向阴极16。由式(1)的内部重整反应生成的质子(H+)经由电介质膜17被引导向阴极16。在阴极16，提供空气作为氧化剂。到达阴极16的电子(e-)和质子(H+)在阴极催化剂层14与空气中的氧气根据下式(2)发生反应，伴随该反应的发生而生成水。
6e-+6H++(3/2)O2→3H2O  (2)
在上述燃料电池1的发电反应中，为了使发电功率增大，则使催化剂反应顺利地进行，并向MEA2的所有电极均匀地提供燃料，有助于更有效地对所有电极进行发电。
然而，在本实施方式中，如图2及图3所示，MEA2包括多个阳极13和多个阴极16，该多个阳极13在单一电介质膜17的一侧的面上隔开间隔进行配置，该多个阴极16在电介质膜17的另一侧的面上以与各个阳极13相对的方式隔开间隔进行配置。此处，示出了分别设置有4个阳极13和4个阴极16的情况。
这些阳极13和阴极16的各个组合分别夹住电介质膜17，形成单电池C(C1、C2、C3、C4)。此处，各个单电池C(C1、C2、C3、C4)在同一水平面上，在与其长边方向正交的方向D上隔开间隔并排地进行配置。此外，MEA2的结构也不限于上述的例子，也可以是其他结构。
在具有图2及图3所示的多个单电池C(C1、C2、C3、C4)的MEA2中，各单电池C(C1、C2、C3、C4)利用集电体18被串联地电连接起来。
即，如图1所示，该集电体18包括阳极集电体18A及阴极集电体18C。为了与图2等所示的MEA2相对应，集电体18包括4个阳极集电体18A及4个阴极集电体18C。
各阳极集电体18A分别在各单电池C(C1、C2、C3、C4)层叠有阳极气体扩散层12。另外，各阴极集电体18C分别在各单电池C(C1、C2、C3、C4)层叠有阴极气体扩散层15。作为阳极集电体18A及阴极集电体18C，能够分别使用例如包括金(Au)、镍(Ni)等金属材料的多孔质膜(例如网状)或箔体、或在不锈钢(SUS)等导电性金属材料上覆盖金等导电性优异的金属后形成的复合材料等。
在本实施方式中，阳极催化剂层11及阴极催化剂层14中的至少一方的厚度越向外侧越薄。
如图2所示，形成单电池C的各阳极催化剂层11及阴极催化剂层14，使其具有端部的厚度逐渐变薄的梯形的截面。换言之，形成阳极催化剂层11及阴极催化剂层14，使得成为上表面的面积比与电介质膜17相接的底面要小的锥形形状。
更详细而言，如图4所示，阳极催化剂层11的与电介质膜17相接的底面11B1的面积、大于阳极催化剂层11的与阳极气体扩散层12相接的上表面11B2的面积。阳极催化剂层11具有连接底面11B1和上表面11B2的侧面11a。相邻的阳极催化剂层11的相互相对的侧面11a是倾斜面。
另外，优选为，层叠于阳极催化剂层11的阳极气体扩散层12的与阳极催化剂层11相接的底面12B1的面积、大于阳极气体扩散层12的与阳极催化剂层11相接的面相反的一侧的上表面12B2的面积。阳极催化剂层12具有连接底面12B1和上表面12B2的侧面12a。侧面12a是与阳极催化剂层11的侧面11a相连接的倾斜面。
阳极催化剂层11的底面11B1和侧面11a之间的倾斜角度θ1、与阳极气体扩散层12的底面12B和侧面12a之间的倾斜角度θ2相同，都是锐角。
阴极催化剂层14的与电介质膜17相接的底面14B1的面积、大于阴极催化剂层14的与阴极气体扩散层15相接的上表面14B2的面积。阴极催化剂层14具有连接底面14B1和上表面14B2的侧面14a。相邻的阴极催化剂层14的相互相对的侧面14a是倾斜面。
另外，优选为，层叠于阴极催化剂层14的阴极气体扩散层15的与阴极催化剂层14相接的底面15B1的面积、大于阴极气体扩散层15的与阴极催化剂层14相接的面相反的一侧的上表面15B2的面积。阴极催化剂层15具有连接底面15B1和上表面15B2的侧面15a。侧面15a是与阴极催化剂层14的侧面14a相连接的倾斜面。
阴极催化剂层14的底面14B1和侧面14a之间的倾斜角度θ3、与阴极气体扩散层15的底面15B1和侧面15a之间的倾斜角度θ4同，都是锐角。
如图3及图4所示，若关注相邻的单电池C2及单电池C3，一方的单电池C2的阳极催化剂层11的厚度朝着另一方的单电池C3的方向变薄。即，单电池C2的阳极催化剂层11中的、沿着朝向单电池C3的阳极催化剂层11的边L2形成的侧面11a为倾斜面。同样，单电池C3的阳极催化剂层11中的、沿着朝向单电池C2的阳极催化剂层11的边L3形成的侧面11a也为倾斜面。在各单电池C中，相互相对的阳极催化剂层11的侧面11a都是倾斜面。
另外，一方的单电池C2的阳极催化剂层14的厚度向着另一方的单电池C3的方向变薄。即，单电池C2的阴极催化剂层14中的、沿着朝向单电池C3的阴极催化剂层14的边L2形成的侧面14a为倾斜面。同样，单电池C3的阴极催化剂层14中的、沿着朝向单电池C2的阴极催化剂层14的边L3形成的侧面14a也为倾斜面。在各单电池C中，相互相对的阴极催化剂层14的侧面14a都是倾斜面。
此外，在各单电池C中，非相互相对的阳极催化剂层11的侧面11a及阴极催化剂层14的侧面14a也可以不是倾斜面。例如，在图3中，单电池C2的沿着不与单电池C1及单电池C3相邻的边S2的侧面也可以不是倾斜面。另外，单电池C1及单电池C4的向着外侧的侧面也可以不是倾斜面。
由此，由于阳极催化剂层11的侧面11a及阴极催化剂层14的侧面14a为倾斜度较小的倾斜面，因而能够防止催化剂从阳极催化剂层11及阴极催化剂层14脱落。另外，由于相互相邻的阳极催化剂层11的相互相对的侧面11a是倾斜面，因而，能够防止催化剂脱落到阳极催化剂层11间。另外，由于相互相邻的阴极催化剂层14的相互相对的侧面14a是倾斜面，因而，能够防止催化剂脱落到阴极催化剂层14间。
此外，在仅需要防止阳极催化剂层11中的催化剂脱落的情况下，可以采用以下结构：即，使相邻的两个单电池中的一个单电池的阳极催化剂层11的厚度向着另一个单电池而逐渐变薄。此外，在仅需要防止阴极催化剂层14中的催化剂脱落的情况下，可以采用以下结构：即，使相邻的两个单电池中的一个单电池的阴极催化剂层14的厚度向着另一个单电池而逐渐变薄。
由此，能够防止从阳极催化剂层11脱落的催化剂与相邻的阳极催化剂层11相接触。另外，能够防止从阴极催化剂层14脱落的催化剂与相邻的阴极催化剂层14相接触。因而，在燃料电池1的运行中，能够防止相邻单电池C的阳极13之间及阴极16之间的短路。
阳极催化剂层11的倾斜角度θ1和阴极催化剂层14的倾斜角度θ3有最佳角度。在本实施方式中，阳极催化剂层11的倾斜角度θ1及阴极催化剂层14的倾斜角度θ3的最佳角度为30°以上80°以下。
接下来，验证燃料电池1的阳极催化剂层11的倾斜角度θ1和阴极催化剂层14的倾斜角度θ3的最佳角度。
首先，准备用于阳极气体扩散层12的碳纸(东丽(株式会社)制造TGP-H-030～120)。然后，利用平板冲压机将碳纸压缩成其沿厚度方向的厚度为原来的1/2。使用阿基米德法测定此时的碳纸的压缩前的气孔率为75％。另外，使用外形尺寸和重量测定对碳纸的压缩后压的气孔率进行计算，结果为40.5％。
接着，相对于承载催化剂即铂钌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)的固体成分为1重量份，还添加溶剂，以均浆机进行混合，制作固体成分约为15％的浆料。利用模涂机喷涂法将浆料涂布在上述阳极气体扩散层12上，并进行干燥，以形成阳极催化剂层11。由此，获得阳极13。
另外，准备用于阴极气体扩散层15的碳纸(东丽(株式会社)制造TGP-H-60)。此时的碳纸的气孔率为75％。
接着，相对于承载催化剂即铂钌合金微粒子的碳粒子和Nafion溶液DE2020(杜邦公司制)和溶剂，以均浆机进行混合，制作固体成分约为15％的浆料。利用模涂机喷涂法将浆料涂布在上述阴极气体扩散层15上，并进行干燥，以形成阴极催化剂层14。由此，获得阴极16。
然后，利用切割刀分别将阳极13及阴极16切割为预定的尺寸。此时，使用具有各种角度的刀刃的切割刀，以改变剖面的角度，从而切割阳极13及阴极16。
然后，准备六个阳极13的样品A1(θ1＝30°)、样品A2(θ1＝45°)、样品A3(θ1＝60°)、样品A4(θ1＝75°)、样品A5(θ1＝80°)、以及样品A6(θ1＝90°)。
另外，准备六个阴极16的样品B1(θ＝30°)、样品B2(θ2＝45°)、样品B3(θ3＝60°)、样品B4(θ3＝75°)、样品B5(θ3＝80°)、以及样品B6(θ3＝90°)。
此外，通过以10倍到100倍的方式来观察剖面，进行剖面分析，从而能够测定阳极催化剂层11的倾斜角度θ1及阴极催化剂层14的倾斜角度θ3。
然后，使用固定电介质膜Nafion112(杜邦公司制)作为电介质膜17，从最初开始重叠该电介质膜17和阴极16，使得阴极催化剂层14朝向电介质膜17侧。接着，在电介质膜17的与重叠有阴极16的面相反一侧的面上重叠有阳极13，以使得阳极催化剂层11朝向电介质膜17侧。之后，在温度为150℃、压力为30kgf/cm2的条件下进行冲压，以形成MEA2。
此外，将阳极13及阴极16的电极面积都设为1cm×8cm的8cm2。然后，阳极13及阴极16分别隔开1.2mm的间隔并排地配置为4列。
这里，对样品A1至样品A6、样品B1至样品B6的阳极13之间及阴极16之间进行观察。
接着，利用作为集电体18起作用的金箔夹住MEA2，形成阳极集电体18A及阴极集电体18C，上述集电体18具有用于获取空气及气化后的甲醇的多个开孔。
然后，利用树脂制的两个框架夹住层叠有MEA2、阳极集电体18A、及阴极集电体18C的层叠体。此外，在MEA2的阴极16侧和一侧的框架之间、在MEA2的阳极13侧和另一侧的框架之间，分别夹有作为密封构件19起作用的胶质的O形环，并实施密封。
另外，阳极13侧的框架隔着气液分离膜利用螺纹旋紧的方式被固定于燃料提供机构3。气液分离膜使用厚度为0.1mm的硅钢片。一方面，在阴极16侧的框架上配置有气孔率为30％的作为保湿层起作用的板状体20。在该板状体20上配置了形成有用于获取空气的开口部21A的厚度为2mm的不锈钢板，以作为盖板21，并利用螺纹旋紧的方式来固定。开口部21A的口径为4mm。开口部21A的个数为64个。由此，组装完成了燃料电池1。
向上述这样的燃料电池1的燃料收纳室注入纯甲醇。然后，在温度为25℃、相对湿度为50％的环境中，使燃料电池1运转500小时。取出运转了500小时后的MEA2进行观察，并测定包括样品A1至A5及A6的的燃料电池1的阳极催化剂层11的剥离距离L、包括样品B1至B6的燃料电池1的阴极催化剂层14的剥离距离L。
如图5所示，所谓的阳极催化剂层11的剥离距离L是指阳极催化剂层11的底面的端部与脱落到离阳极催化剂层11最远的位置的催化剂之间的距离。所谓的阴极催化剂层14的剥离距离L是指阴极催化剂层14的底面的端部与脱落到离阴极催化剂层14最远的位置的催化剂之间的距离。图6及图7示出了该测定结果。
以下示出了MEA2形成时(初期)的阳极13侧的状态。在样品A1中，确认有催化剂从阳极催化剂层11脱落，且确认阳极催化剂层11发生了剥离。在样品A2至样品A5中，阳极催化剂层11没有发生剥离，也没有催化剂从阳极催化剂层11脱落。在样品A6中，确认有催化剂从阳极催化剂层11脱落，且确认阳极催化剂层11发生了剥离。此处，所谓阳极催化剂层11的剥离是指阳极催化剂层11的一部分从电介质膜17或阳极气体扩散层12剥落。
以下示出了MEA2形成时(初期)的阴极16侧的状态。在样品B6中，确认有催化剂从阴极催化剂层14脱落，且确认阴极催化剂层14发生了剥离。在样品B2至样品B5中，阴极催化剂层14没有发生剥离，也没有催化剂从阴极催化剂层14脱落。在样品B6中，确认有催化剂从阴极催化剂层14脱落，且确认阴极催化剂层14发生了剥离。此处，所谓阴极催化剂层14的剥离是指阴极催化剂层14的一部分从电介质膜17或阴极气体扩散层15剥落。
接着，以下示出了燃料电池1运转了500小时后的阳极13侧的状态。在样品A1中，从阳极催化剂层11脱落的催化剂比初期时有所增加。在样品A2中，阳极催化剂层11稍微有所剥离，也稍微有些催化剂从阳极催化剂层11脱落。在样品A3至样品A5中，没有发生阳极催化剂层11的剥离，也没有催化剂从阳极催化剂层11脱落。在样品A6中，从阳极催化剂层11脱落的催化剂比初期时有所增加。
以下示出了燃料电池1运转了500小时后的阴极16侧的状态。在样品B1中，从阴极催化剂层14脱落的催化剂比初期时有所增加。在样品B2中，阴极催化剂层14稍微有所剥离，也稍微有些催化剂从阴极催化剂层14脱落。在样品B3及样品B4中，阴极催化剂层14没有发生剥离，也没有催化剂从阴极催化剂层14脱落。在样品B5中，阴极催化剂层14稍微有所剥离，也稍微有些催化剂从阴极催化剂层14脱落。在样品B6中，从阴极催化剂层14脱落的催化剂比初期时有所增加。
相邻的阳极13及阴极16之间的间隔分别为1.2mm，在催化剂的剥离距离L小于0.2mm的情况下，相邻的阳极13之间及阴极16之间不会发生短路，而且，即使继续运行燃料电池1，发生短路的可能性也极低。在图6及图7中，将剥离距离L小于0.1mm的情况的评价设为“○”，将剥离距离L为0.1mm以上且小于0.2mm的情况的评价设为“○-”。
在剥离距离L为0.2mm以上且小于0.4mm的情况下，相邻的阳极13之间及阴极16之间发生短路的可能性较低。在图6及图7中，将剥离距离L为0.2mm以上且小于0.3mm的情况的评价设为“△”，将剥离距离L为0.3mm以上且小于0.4mm的情况的评价设为“△-”。
在剥离距离L为0.6mm以上的情况下，相邻的阳极13之间及阴极16之间会发生短路。另外，在在剥离距离L为0.4mm以上且小于0.6mm的情况下，虽然相邻的阳极13之间及阴极16之间发生短路的可能性较低，但是若继续运转燃料电池1，则可能发生短路。在图6及图7中，将剥离距离L为0.4mm以上的情况的评价设为“×”。
如图6所示，在样品A6中，在运转了500小时后的催化剂的剥离距离L为0.5mm，其评价为“×”。
与此相对，在样品A1中，剥离距离L为0.25mm，其评价为“△”。在样品A2中，剥离距离L为0.1mm，其评价为“○-”。在样品A3中，剥离距离L为0.05mm以下，其评价为“○”。在样品A4中，剥离距离L为0.05mm以下，其评价为“○”。在样品A5中，剥离距离L为0.2mm，其评价为“△”。
基于这些结果，能够确认：即，由于阳极催化剂层11的侧面11a具有倾斜面，因而阳极催化剂层11的剥离距离L变小。即，优选为，阳极催化剂层11的倾斜角度θ1为30°以上且为80°以下，最好为45°以上且为75°以下。
另一方面，如图7所示，在样品B6中，在运转了500小时后的催化剂的剥离距离L为0.6mm，其评价为“×”。
与此相对，在样品B1中，剥离距离L为0.3mm，其评价为“△-”。在样品B2中，剥离距离L为0.15mm，其评价为“○-”。在样品B3中，剥离距离L为0.05mm以下，其评价为“○”。在样品B4中，剥离距离L为0.1mm，其评价为“○-”。在样品B5中，剥离距离L为0.25mm，其评价为“△”。
基于这些结果，能够确认：即，由于阴极催化剂层14的侧面14a具有倾斜面，因而阴极催化剂层14的剥离距离L变小。即，优选为，阴极催化剂层14的倾斜角度θ3为30°以上且为80°以下，最好为45°以上且为75°以下。
如上述说明的那样，根据本实施方式，提供一种能够防止相邻的阳极13之间及阴极16之间的短路的燃料电池1。
在上述本实施方式中，对于阳极催化剂层11的侧面11a的倾斜角度θ1和阳极气体扩散层12的侧面12a的倾斜角度θ2相等(θ1＝θ2)、阴极催化剂层14的侧面14a的倾斜角度θ3和阴极气体扩散层15的侧面15a的倾斜角度θ4相等(θ3＝θ4)的例子进行了说明，但是如图8所示，也可仅使阳极催化剂层11及阴极催化剂层14的侧面11a、14a为倾斜面(θ2＝90°、θ4＝90°)。
另外，如图9所示，阳极催化剂层11的侧面11a的倾斜角度θ1也可以与阳极气体扩散层12的侧面12a的倾斜角度θ2不相等(θ1≠θ2)。另外，如图9所示，阴极催化剂层14的侧面14a的倾斜角度θ3也可以与阴极气体扩散层15的侧面15a的倾斜角度θ4不相等(θ3≠θ4)。
上述本实施方式的燃料电池1在使用各种液体燃料的情况下发挥效果，但并不限定液体燃料的种类或浓度。然而，一边提供燃料一边使其向面方向分散的燃料提供部31在燃料浓度较高的情况下特别有效。因此，各实施方式的燃料电池1在使用浓度为80wt％以上的甲醇作为液体燃料的情况下，特别能够发挥其性能及效果。因而，优选为，各实施方式使用甲醇浓度为80wt％以上的甲醇水溶液或纯甲醇作为液体燃料的燃料电池1。
而且，在上述各实施方式中，对将本发明应用到半被动型的燃料电池1的情况下进行了说明，但是本发明并不限于此，也可应用到内部气化型的纯被动型的燃料电池。
此外，本发明能够应用到使用液体燃料的各种燃料电池。另外，对燃料电池的具体结构及燃料的提供状态等也没有特别限定，能够将本发明应用到提供给MEA的燃料全部为液体燃料的蒸汽、全部为液体燃料、或一部分是以液体状态提供的液体燃料的蒸汽等各种形态。在实施阶段中，在不脱离本发明的技术思想的范围内能够对构成要素进行变形以使其具体化。而且，能够适当地组合上式实施方式所示的多个构成要素，或从实施方式所示的所有构成要素中删除几个构成要素等，能够进行各种变形。本发明的实施方式能够在本发明的技术思想的范围内进行扩展或改变，该扩展、改变后的实施方式仍包含在本发明的技术范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括：
膜电极接合体，该膜电极接合体包括多个单电池，
该单电池包括：
电介质膜；
阳极，该阳极具有在所述电介质膜的一个面上隔开间隔进行配置而形成的多个阳极催化剂层、及层叠于所述阳极催化剂层的阳极气体扩散层；以及
阴极，该阴极具有在所述电介质膜的另一个面上以与各所述阳极催化剂层分别相对的方式隔开间隔进行配置而形成的多个阴极催化剂层、及层叠于所述阴极催化剂层上的阴极气体扩散层，
在相邻的两个单电池中的一个单电池的所述阳极催化剂层及所述阴极催化剂层之中，至少一方的厚度向着另一个单电池的方向变薄。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极催化剂层的与所述电介质膜相接的底面的面积大于所述阳极催化剂层的与所述阳极气体扩散层相接的上表面的面积。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极催化剂层具有与所述底面和所述上表面相连接的侧面，
相邻的所述阳极催化剂层的相互相对的所述侧面分别是倾斜面。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极催化剂层的所述底面和所述侧面之间的倾斜角度为30°以上且80°以下。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述阴极催化剂层的与所述电介质膜相接的底面的面积大于所述阴极催化剂层的与所述阴极气体扩散层相接的上表面的面积。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，
所述阴极催化剂层具有与所述底面和所述上表面相连接的侧面，
相邻的所述阴极催化剂层的相互相对的所述侧面分别是倾斜面。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，
所述阴极催化剂层的所述底面和所述侧面之间的倾斜角度为30°以上且80°以下。
CN2009801529166A 2008-12-26 2009-12-18 燃料电池 Pending CN102265444A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008-334003 2008-12-26
JP2008334003A JP2010157390A (ja) 2008-12-26 2008-12-26 燃料電池
PCT/JP2009/071173 WO2010074005A1 (ja) 2008-12-26 2009-12-18 燃料電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102265444A true CN102265444A (zh) 2011-11-30

Family

ID=42287615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009801529166A Pending CN102265444A (zh) 2008-12-26 2009-12-18 燃料电池

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8304132B2 (zh)
JP (1) JP2010157390A (zh)
KR (1) KR20110094082A (zh)
CN (1) CN102265444A (zh)
TW (1) TW201041215A (zh)
WO (1) WO2010074005A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108352576A (zh) * 2015-10-29 2018-07-31 株式会社丰田自动织机 电极组装体以及电极组装体的制造方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112010005884T8 (de) * 2010-09-16 2013-08-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Membranelektrodenanordnung, Brennstoffzelle dieselbe verwendend und Herstellungsverfahren der Membranelektrodenanordnung
JP5708923B2 (ja) * 2011-04-20 2015-04-30 日本特殊陶業株式会社 燃料電池セル及び燃料電池
GB2529149A (en) * 2014-08-04 2016-02-17 Intelligent Energy Ltd Fuel cell
JP6055007B2 (ja) * 2015-03-10 2016-12-27 本田技研工業株式会社 膜電極接合体の製造方法
JP6928718B2 (ja) * 2018-03-30 2021-09-01 本田技研工業株式会社 燃料電池
DE102018221338A1 (de) * 2018-12-10 2020-06-10 Robert Bosch Gmbh Elektrodenstapel für eine galvanische Zelle

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4546019B2 (ja) 2002-07-03 2010-09-15 株式会社日立製作所 露光装置
US20040146772A1 (en) * 2002-10-21 2004-07-29 Kyocera Corporation Fuel cell casing, fuel cell and electronic apparatus
JP4683831B2 (ja) * 2003-10-29 2011-05-18 京セラ株式会社 燃料電池用容器および燃料電池ならびに電子機器
JP2005149803A (ja) 2003-11-12 2005-06-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池のガス拡散層接合体
JP2005310641A (ja) * 2004-04-23 2005-11-04 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池の製造方法
JP2007213830A (ja) 2006-02-07 2007-08-23 Toyota Motor Corp 燃料電池の膜電極接合体及び膜電極接合体の製造方法
JP5183080B2 (ja) * 2007-02-27 2013-04-17 三洋電機株式会社 燃料電池
JP2008218305A (ja) * 2007-03-07 2008-09-18 Toyota Motor Corp 燃料電池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108352576A (zh) * 2015-10-29 2018-07-31 株式会社丰田自动织机 电极组装体以及电极组装体的制造方法
CN108352576B (zh) * 2015-10-29 2021-04-20 株式会社丰田自动织机 电极组装体以及电极组装体的制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010074005A1 (ja) 2010-07-01
US20110275001A1 (en) 2011-11-10
US8304132B2 (en) 2012-11-06
JP2010157390A (ja) 2010-07-15
TW201041215A (en) 2010-11-16
KR20110094082A (ko) 2011-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4707669B2 (ja) 膜電極複合体およびその製造方法、ならびに燃料電池、電子機器
JP5111857B2 (ja) 燃料電池
CN102265444A (zh) 燃料电池
US8877405B2 (en) Fuel cell including membrane electrode assembly to maintain humidity condition
CA2528141C (en) Membrane-electrode unit for direct methanol fuel cells and method for the production thereof
CN101617429B (zh) 燃料电池
Gubler et al. A proton-conducting polymer membrane as solid electrolyte–function and required properties
EP1981111A1 (en) Fuel cell
KR20070104671A (ko) 연료 전지
US20100248068A1 (en) Fuel cell stack, fuel cell, and method of manufacturing fuel cell stack
TW201008015A (en) Fuel cell
KR20060096610A (ko) 연료전지용 막/전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지용 스택 및 연료전지 시스템
JPWO2008020562A1 (ja) 電子機器
JP2008282672A (ja) 燃料電池及びその製造方法
US20120189933A1 (en) Anode catalyst layers for direct oxidation fuel cells
JP2011071056A (ja) 燃料電池
EP2774200A1 (en) A method for manufacturing a passive direct methanol fuel cell and a passive direct methanol fuel cell
JP2008269934A (ja) 燃料電池
JP2008226751A (ja) 燃料電池、燃料電池システム、及びその製造方法
JP2009135091A (ja) 燃料電池及び燃料電池の製造方法
JP2014096381A (ja) 燃料電池
JP2010182451A (ja) 燃料電池
JP2009238499A (ja) 燃料電池
JP2010080374A (ja) 燃料電池
JP2009123619A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20111130