CN105514452A - 膜电极组件和燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及膜电极组件和燃料电池。用在燃料电池组中的膜电极组件包括：电解质膜；形成在电解质膜的第一表面上的阳极催化剂层；形成在电解质膜的第二表面上的阴极催化剂层；堆叠在阳极催化剂层上的阳极气体扩散层；和堆叠在阴极催化剂层上的阴极气体扩散层。阳极催化剂层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层具有每单位厚度相同的绝热性能。膜电极组件满足T1+T3<T2+T4、T1<T2和T3>T4中的所有关系，其中阳极催化剂层在堆叠方向上的厚度定义为T1，阴极催化剂层在堆叠方向上的厚度定义为T2，阳极气体扩散层在堆叠方向上的厚度定义为T3，并且阴极气体扩散层在堆叠方向上的厚度定义为T4。

Description

膜电极组件和燃料电池组
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池组中的膜电极组件，并且还涉及一种燃料电池组。
背景技术
日本专利申请公报No.2012-243630描述了满足关系T1+T3≥T2+T4、T1<T2、T3>T4的一种膜电极组件和一种燃料电池组，其中阳极催化剂层在堆叠方向上的厚度被定义为T1，阴极催化剂层在堆叠方向上的厚度被定义为T2，阳极气体扩散层在堆叠方向上的厚度被定义为T3，并且阴极气体扩散层在堆叠方向上的厚度被定义为T4。
发明内容
然而，已经发现，在某些情形中难以根据T1+T3和T2+T4的尺寸关系来增强在阴极侧上的绝热。在高温低湿状态下，阳极很可能变得干燥，并且因此期望朝向阳极输送由阴极产生的生成水。不幸的是，已经发现，在传统的构造中，难以加速水从阴极到阳极的转移。
本发明提供能够与在阳极侧上的绝热相比更大程度地增强在阴极侧上的绝热并且加速水从阴极到阳极的转移的一种膜电极组件和一种燃料电池组。
根据本发明的一个方面的用在燃料电池组中的膜电极组件包括：电解质膜；阳极催化剂层，该阳极催化剂层被形成在电解质膜的第一表面上；阴极催化剂层，该阴极催化剂层被形成在电解质膜的第二表面上；阳极气体扩散层，该阳极气体扩散层被堆叠在阳极催化剂层上；和阴极气体扩散层，该阴极气体扩散层被堆叠在阴极催化剂层上。阳极催化剂层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层具有每单位厚度相同的绝热性能。膜电极组件满足关系T1+T3<T2+T4、T1<T2和T3>T4中的所有关系，其中，阳极催化剂层在堆叠方向上的厚度被定义为T1，阴极催化剂层在堆叠方向上的厚度被定义为T2，阳极气体扩散层在堆叠方向上的厚度被定义为T3，并且阴极气体扩散层在堆叠方向上的厚度被定义为T4。根据这个方面，能够与在阳极侧上的绝热相比更大程度地增强在阴极侧上的绝热并且加速水从阴极到阳极的转移。
在以上方面，阳极催化剂层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层可以包括碳。决定绝热的主要因素是碳。阴极催化剂层和阳极催化剂层这两者均包括携带这些层的催化剂的碳，并且阳极气体扩散层和阴极气体扩散层也包括碳，因此与在阳极侧上的绝热相比更大程度地增强在阴极侧上的绝热。相应地，能够加速水从阴极到阳极的转移。
能够以各种方面实施本发明。例如，除了以膜电极组件的形式之外，本发明还能够以包括膜电极组件的燃料电池组等的形式实施。
附图说明
将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中类似的数字表示类似的元件，并且其中：
图1是示出作为本发明的实施例的燃料电池组的构造的概略透视图；
图2是概略地示出单体电池的氧化剂气体排出孔的附近的截面视图；
图3是示出MEGA110的构造的解释性视图；
图4是全面地示出每个样本的催化剂层和气体扩散层的厚度的解释性视图；并且
图5是示出(T2+T4)/(T1+T3)的值和水从阴极到阳极的转移量之间的关系的解释性视图。
具体实施方式
图1是示出作为本发明的实施例的燃料电池组10的构造的概略透视图。燃料电池组10具有堆叠结构，该堆叠结构包括在Z方向(在下文中还被称作“堆叠方向”)上堆叠的作为燃料电池的单体电池100，并且该堆叠结构在一对端板170F、170E之间保持这些电池。燃料电池组10包括在前端位置处的端板170F和单体电池100之间的在前端位置处的端子板160F，其中在前端位置处的绝缘板165F被布置在端板170F和端子板160F之间。燃料电池组10还包括在后端位置处的端板170E和单体电池100之间的在后端位置处的端子板160E，其中在后端位置处的绝缘板165E处于端板170E和端子板160E之间。单体电池100、端子板160F、160E、绝缘板165F、165E和端板170F、170E中的每个具有带有大致矩形轮廓形状的板结构，并且被布置成使得其每一个长边在X方向(水平方向)上延伸，并且其每一个短边在Y方向(竖直方向、垂直方向)上延伸。
在前端位置处的端板170F、绝缘板165F和端子板160F中的每个均包括燃料气体供应孔172in和燃料气体排出孔172out、多个氧化剂气体供应孔174in和多个氧化剂气体排出孔174out以及多个冷却剂供应孔176in和多个冷却剂排出孔176out。这些供应孔和排出孔被联接到在每个单体电池100中的各个对应的位置处形成的相应的孔(未示出)，由此形成各个对应的气体供应歧管和各个对应的气体排出歧管，以及各个对应的冷却剂供应歧管和各个对应的冷却剂排出歧管。同时，分别在后端位置处的端板170E、绝缘板165E和端子板160E中不形成任何供应孔和任何排出孔。这是因为燃料电池组10是如下类型的燃料电池组，即，将反应性气体(燃料气体、氧化剂气体)和冷却剂从在前端位置处的端板170F通过供应歧管供应到每个单体电池100，并且将废气和废水从在前端位置处的端板170F通过排出歧管从每个单体电池100排出到外部。然而，燃料电池组10不限于这种类型，并且可以采用各种类型使得例如从在前端位置处的端板170F供应反应性气体和冷却剂，并且将废气和废水从在后端位置处的端板170E排出到外部。
多个氧化剂气体供应孔174in在X方向(长边方向)上布置在前端位置处的端板170F的下端的外边缘处，并且多个氧化剂气体排出孔174out在X方向上布置在端板170F的上端的外边缘处。燃料气体供应孔172in在Y方向(短边方向)上布置在前端位置处的端板170F的右端的外边缘的最上位置处，并且燃料气体排出孔172out在Y方向上布置在端板170F的左端的外边缘的最下位置处。多个冷却剂供应孔176in在燃料气体供应孔172in下方沿着Y方向布置，并且多个冷却剂排出孔176out在燃料气体排出孔172out上方沿着Y方向布置。
在前端位置处的端子板160F和在后端位置处的端子板160E是用于单体电池100产生的输出的集电器，并且从端子(未示出)向外部输出所收集的电力。
图2是概略地示出单体电池100的氧化剂气体排出孔174out的附近的截面视图。每个单体电池100包括膜电极衬垫组件110(在下文中还被称作“MEGA110”或者“膜电极组件”)、密封部件140、阴极分离器130、阳极分离器120、气体流路部件150和密封板151。仅仅除了具有上下颠倒的方向，氧化剂气体供应孔174in的附近具有与氧化剂气体排出孔174out的构造相同的构造，并且因此将省略其说明。
密封部件140是从它的外边缘支撑MEGA110的部件，并且由树脂形成。密封部件140结合阴极分离器130和阳极分离器120从而密封氧化剂气体、燃料气体和冷却剂的泄漏。密封板151被布置在密封部件140的阴极侧上。密封板151是金属板，并且密封板151的一部分凸出到氧化剂气体排出孔174out中。气体流路部件150被布置在MEGA110、密封部件140和密封板151的阴极侧上。气体流路部件150是用于氧化剂气体的流动的流路，并且例如由多孔金属形成。应该指出，替代使用多孔金属地，气体流路部件150可以由另一个类型的多孔金属材料形成。气体流路部件150在氧化剂气体排出孔174out中凸出到与密封板151相同的位置。在图2中，概略地示意了阴极分离器130、气体流路部件150和密封板151的相应的凸出尺寸。
阴极分离器130被布置成与下一个单体电池100侧上的气体流路部件150相邻。阴极分离器130是金属板，并且阴极分离器130的一部分凸出到氧化剂气体排出孔174out中。阳极分离器120被布置到MEGA110和密封部件140与气体流路部件150相对的表面。阳极分离器120是具有凹部和凸起的金属板。阳极分离器120不凸出到氧化剂气体排出孔174out中。燃料气体流路128形成在阳极分离器120和MEGA110之间，并且冷却剂流路129形成在阳极分离器120和面对该阳极分离器120的下一个单体电池100的阴极分离器130之间。
图3是示出MEGA110的构造的解释性视图。MEGA110包括电解质膜111、阴极催化剂层114、阳极催化剂层116、阴极气体扩散层118和阳极气体扩散层119。电解质膜111是具有质子导电性的电解质膜，并且氟电解质树脂(离子交换树脂)诸如全氟磺酸聚合物被用于电解质膜111。
阴极催化剂层114和阳极催化剂层116包括携带催化剂(例如铂)的碳。在本实施例中，越过电解质膜111的整个第一表面地施加阳极催化剂层116，但是仅仅在电解质膜111的第二表面的局部区域(发电区域)上施加阴极催化剂层114。这是因为，与阴极催化剂层114相比较，单位面积的阳极催化剂层116需要更少的催化剂数量(典型地1/2或者更少，例如大致1/3)，并且因此即使越过电解质膜111的第一表面的整个区域施加催化剂仍然不会过量地浪费，并且这种施加方式实际上便于施加过程。
阴极气体扩散层118被布置在阴极催化剂层114上，并且阳极气体扩散层119被布置在阳极催化剂层116上。阴极气体扩散层118和阳极气体扩散层119这两者均由碳纸形成。应该指出，替代碳纸地，这些层可以由碳非织造物形成。
在本实施例中，在每个MEGA110中，以下三个公式全部满足，其中阳极催化剂层116在堆叠方向上的厚度被定义为T1，阴极催化剂层114在堆叠方向上的厚度被定义为T2，阳极气体扩散层119在堆叠方向上的厚度被定义为T3，并且阴极气体扩散层118在堆叠方向上的厚度被定义为T4。
T1+T3<T2+T4…(1)
T1<T2…(2)
T3>T4…(3)
在该情形中，如果公式(1)和公式(3)得以满足，则公式(2)必须得以满足。
具体地，如果公式(1)得以满足，即，如果得以满足阴极催化剂层114的厚度和阴极气体扩散层118的厚度之和(T2+T4)大于阳极催化剂层116的厚度和阳极气体扩散层119的厚度之和(T1+T3)，则能够与阳极侧上的绝热(阳极催化剂层116和阳极气体扩散层119的绝热)相比更大程度地增强阴极侧上的绝热(阴极催化剂层114和阴极气体扩散层118的绝热)。决定绝热的主要因素是碳。阴极催化剂层114和阳极催化剂层116这两者均包括携带催化剂的碳。阴极气体扩散层118和阳极气体扩散层119由碳纸形成，并且因此包含碳纤维作为其基本材料。如果阴极气体扩散层118和阳极气体扩散层119具有斥水性，则这些层包含碳颗粒作为形成斥水层的材料。以该方式，阴极催化剂层114、阳极催化剂层116、阴极气体扩散层118和阳极气体扩散层119包括作为决定绝热的因素的碳，并且不管是催化剂层或者气体扩散层，相对于厚度的绝热性能是基本相同的。这意味着每个催化剂层和每个气体扩散层具有每单位厚度基本相等的绝热性能。相应地，能够根据催化剂层和气体扩散层的总厚度评价绝热程度。
在本实施例中，在每个MEGA110中，阴极催化剂层114在堆叠方向上的厚度T2被形成为大于阳极催化剂层116在堆叠方向上的厚度T1。利用这种构造，能够与阳极催化剂层的绝热相比更大程度地增强阴极催化剂层114的绝热。通过满足公式(1)，能够与阳极侧上的绝热相比更大程度地增强阴极侧上的绝热以便朝向阳极侧转移水；并且通过满足公式(2)，由阴极催化剂层114产生的生成水能够更加有效地朝向阳极催化剂层116扩散。如果阴极侧上的绝热大于阳极侧上的绝热，则阴极温度变得高于阳极温度。结果，阴极侧上的局部水蒸汽压力变得高于阳极侧上的局部水蒸汽压力。局部水蒸汽压力的这个差异加速水从阴极到阳极的转移。
在本实施例中，阳极气体扩散层119在堆叠方向上的厚度T3被形成为比阴极气体扩散层118的厚度T4厚。通过满足公式(3)，阴极气体扩散层118中的气体扩散能够大于阳极气体扩散层119中的气体扩散，由此增强阴极气体扩散层118的排水性。
图4是全面地示出每个样本的催化剂层和气体扩散层的相应的厚度的解释性视图。每个厚度表示在每个单体电池100被紧固到燃料电池组10中的状态下的值。在图4中，替代使用公式(1)地，使用了(T2+T4)/(T1+T3)。如果(T2+T4)/(T1+T3)的值大于1，则公式(1)得以满足。
在样本1中，阳极催化剂层的厚度T1是3.5μm，阴极催化剂层的厚度T2是10.5μm，阳极气体扩散层的厚度T3是159μm，并且阴极气体扩散层的厚度T4是156μm。样本1满足所有的公式(1)到(3)。
在样本2中，阳极催化剂层的厚度T1是3.5μm，阴极催化剂层的厚度T2是20μm，阳极气体扩散层的厚度T3是159μm，并且阴极气体扩散层的厚度T4是156μm。样本2满足所有的公式(1)到(3)。
在样本3中，阳极催化剂层的厚度T1是10.5μm，阴极催化剂层的厚度T2是10.5μm，阳极气体扩散层的厚度T3是159μm，并且阴极气体扩散层的厚度T4是159μm。样本3具有关系T1＝T2、T3＝T4、T1+T3＝T2+T4，并且不满足公式(1)到(3)中的任何一个。
在样本4中，阳极催化剂层的厚度T1是10.5μm，阴极催化剂层的厚度T2是20μm，阳极气体扩散层的厚度T3是159μm，并且阴极气体扩散层的厚度T4是126μm。样本4满足公式(2)和(3)，但是具有关系T1+T3>T2+T4；因此样本4并不满足公式(1)。
图5是示出(T2+T4)/(T1+T3)的值和水从阴极到阳极的转移量之间的关系的解释性视图。按照以下方式测量水的转移量。作为步骤1，将氧气和阳极气体供应到单体电池100以产生电力。此后，单体电池停止产生电力。水保留在单体电池100的阳极和阴极中。作为步骤2，供应用于阳极的阳极气体以便排出保留在阳极中的水。此时水保留在阴极中。作为步骤3，测量单体电池100的重量X1。作为步骤4，原样地留置单体电池100。结果，保留在阴极中的水转移到阳极。作为步骤5，供应用于阳极的阳极气体以便排出阳极侧上的水。此时排出的水是从阴极转移的水。作为步骤6，测量单体电池100的重量X2。作为步骤7，计算水从阴极到阳极的转移量。通过使用公式：X1-X2计算水的转移量。
如从图5明显地，理解到随着(T2+T4)/(T1+T3)的值变高，水从阴极到阳极的转移量变高。另外，还理解到如果(T2+T4)/(T1+T3)的值变得大于1，即，如果(T1+T3)<(T2+T4)得以满足，则曲线的斜率变高，并且因此水从阴极到阳极的转移量进一步加速。
根据本实施例，膜电极衬垫组件110满足T1+T3<T2+T4、T1<T2和T3>T4中的所有的关系，其中阳极催化剂层116在堆叠方向上的厚度被定义为T1，阴极催化剂层114在堆叠方向上的厚度被定义为T2，阳极气体扩散层119在堆叠方向的上厚度被定义为T3，并且阴极气体扩散层118在堆叠方向上的厚度被定义为T4；因此，能够与阳极侧上的绝热相比更大程度地增强阴极侧上的绝热，因此加速水从阴极到阳极的转移量。
在本实施例中，决定绝热的主要因素被设定为碳，并且作为携带催化剂的载体在阴极催化剂层114和阳极催化剂层116中使用碳，并且包含碳纤维的碳纸被用作阴极气体扩散层118和阳极气体扩散层119的基础材料。然而，携带催化剂的载体可以是不包含碳的载体。例如，替代碳地，还可以使用其它载体，诸如沸石、氧化铝和陶瓷。在该情形中，如类似于使用碳作为携带催化剂的载体的情形，催化剂层的厚度和气体扩散层的厚度之和决定绝热。
如前所述，已经基于几个实例解释了本发明的实施例，并且本发明的前述实施例促进了理解本发明，但是并不限制本发明。显然，能够在不偏离权利要求的精神和范围的情况下修改和/或改进本发明，并且在本发明中包括其等价形式。

Claims (3)

1.一种用在燃料电池组中的膜电极组件，所述膜电极组件的特征在于包括：
电解质膜(111)；
阳极催化剂层(116)，所述阳极催化剂层(116)被形成在所述电解质膜(111)的第一表面上；
阴极催化剂层(114)，所述阴极催化剂层(114)被形成在所述电解质膜(111)的第二表面上；
阳极气体扩散层(119)，所述阳极气体扩散层(119)被堆叠在所述阳极催化剂层(116)上；以及
阴极气体扩散层(118)，所述阴极气体扩散层(118)被堆叠在所述阴极催化剂层(114)上，其中
所述阳极催化剂层(116)、所述阴极催化剂层(114)、所述阳极气体扩散层(119)和所述阴极气体扩散层(118)具有每单位厚度相同的绝热性能，并且
所述膜电极组件满足T1+T3<T2+T4、T1<T2和T3>T4中的所有关系，其中，所述阳极催化剂层(116)在堆叠方向上的厚度被定义为T1，所述阴极催化剂层(114)在所述堆叠方向上的厚度被定义为T2，所述阳极气体扩散层(119)在所述堆叠方向上的厚度被定义为T3，并且所述阴极气体扩散层(118)在所述堆叠方向上的厚度被定义为T4。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中
所述阳极催化剂层(116)、所述阴极催化剂层(114)、所述阳极气体扩散层(119)以及所述阴极气体扩散层(118)包括碳。
3.一种燃料电池组，其特征在于包括根据权利要求1或2所述的膜电极组件(110)。
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