燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池具有固体聚合物电解质膜以及布置在该固体聚合物电解质膜的相对表面上的阳极侧催化体(catalyst body)和阴极侧催化体。
背景技术：
尤其公知这样一种燃料电池系统，其中膜电极组件(以下称为MEA) 通过引至燃料电池阳极侧的氢和引至燃料电池阴极侧的氧而产生电。过去，在所述燃料电池系统中，氢被供应至分离器上所形成的流路。然而，在这样的流路结构中，形成从导入氢的导入口附近向排放氢 的排放口附近的氢密度分布。供应至MEA上的阳极侧催化体的氢密度不 均匀，从而引起输出电压波动，因而降低输出电压。为了解决该问题，提出了一种技术，其中在分离器上形成多个突起 以通过所述多个突起的图案得到均匀的氢密度分布(参见 JP-A-2002-117870)。这里，上述氢密度分布代表单位体积中所含的总的氢质量，同样的 含义也适用于以下描述。发明内容上述专利文献中描述的用于供应氢的供应机构与传统流路结构类 似，包括布置在阳极侧催化体的边缘附近的用于导入氢的导入口和用于 排放氢的排放口。此外，该供应机构包括位于所述导入口和所述排放口 之间的引导路径(induction path),从而使氢能均匀扩散在阳极侧催化体 的整个表面上。在这样的供应机构中，导入口和排放口布置在阳极侧催化体的相互对置的边缘附近；因此，它们之间限定大的距离。为此，氢的密度从导 入口附近朝排放口逐渐下降；因而在阳极侧催化体的氢密度相对较低的 部分中，输出电压降低成低于其它部分的输出电压。结果，难以提高燃 料电池的总输出电压。为解决所述问题而做出本发明，其目的在于提供一种能够抑制氢密 度分布的不均匀性从而提高输出电压的燃料电池。为解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供了一种燃料电池， 该燃料电池包括固体聚合物电解质膜；布置在所述固体聚合物电解质 膜的相对表面上的阳极侧催化体和阴极侧催化体；以及燃料引导部，该 燃料引导部布置在所述阳极侧催化体和所述固体聚合物电解质膜相对所 在侧的相反侧上从而与所述阳极侧催化体相对，借此朝所述阳极侧催化 体的表面的中心引导从外部供应的燃料。根据上述方面，由于燃料从阳极侧催化体的中心呈放射状扩散，与 从设置在阳极侧催化体的边缘处的导入口供应氢时相比，氢密度不均匀 的区域变小。因此，能提高燃料电池的总输出电压。根据本发明的第二方面，所述燃料引导部包括一机构，该机构使燃 料的速度减速成低于该燃料从外部供应时的速度。根据本发明的第三方面，本发明的燃料电池包括一机构，该机构用 于沿着所述阳极侧催化体的表面的法线方向朝该阳极侧催化体引导从外 部供应的燃料。根据本发明的第四方面，如上述机构的燃料引导部包括阳极侧构件， 该阳极侧构件与所述阳极侧催化体分开布置成与该阳极侧催化体相对， 并且所述阳极侧构件包括位于与所述阳极侧催化体的表面的中心相对应 的位置处的通孔。根据本发明的第五方面，设置多个所述阳极侧催化体和多个所述通 孔，并且这些通孔设置在与这些阳极侧催化体的相应表面的中心相对应 的位置处。根据本发明的第六方面，本发明的燃料电池包括多个所述阳极侧催 化体和多个所述通孔，其中这些通孔设置在与这些阳极侧催化体的相应表面的中心相对应的位置处，其中所述燃料引导部包括导入路径，通 过该导入路径供应燃料；以及多个引导路径，这些引导路径与所述导入
路径连接，供应至所述导入路径的燃料通过所述引导路径被引导至所述 通孔，其中所述导入路径包括与所述引导路径相连的终端口，其中所述 多个引导路径包括第一引导路径、以及从所述终端口至所述通孔的长度 大于所述第一引导路径的第二引导路径，并且其中所述第一引导路径的 截面小于所述第二引导路径的截面。
根据本发明的第七方面，本发明的燃料电池包括多个所述阳极侧催 化体和多个所述通孔，其中这些通孔设置在与这些阳极侧催化体的相应
表面的中心相对应的位置处，其中所述燃料引导部包括导入路径，通 过该导入路径供应燃料；以及引导路径，该引导路径与所述导入路径连
接，供应至所述导入路径的燃料通过该引导路径被引导至所述通孔，其 中所述导入路径包括与所述引导路径相连的终端口，其中所述多个通孔 包括第一通孔、以及布置在距所述终端口的距离大于所述第一通孔距所 述终端口的距离的位置处的多个第二通孔，并且其中所述第一通孔的面 积小于所述第二通孔的面积。
根据本发明的第八方面，提供了一种燃料电池，该燃料电池包括 固体聚合物电解质膜；布置在所述固体聚合物电解质膜的相对表面上的 阳极侧催化体和阴极侧催化体；以及燃料引导部，该燃料引导部布置在 所述阳极侧催化体和所述固体聚合物电解质膜相对所在侧的相反侧上从 而与所述阳极侧催化体相对，借此朝所述阳极侧催化体的表面的多个位 置引导从外部供应的燃料。
根据上述方面，由于设置多个通孔，总开口面积可增大而比仅设置 一个通孔时大。通过该布置，从通孔排放的燃料的流速可减速成比仅设 置一个通孔时低。因此，能以基本均匀的压力相对于阳极侧催化体喷射 燃料。因而，能使阳极侧催化体上的燃料密度分布更均匀。
根据本发明的第九方面，所述燃料引导部包括一机构，该机构使燃 料的速度减速成低于该燃料从外部供应时的速度。
根据本发明的第十方面，本发明的燃料电池包括一机构，该机构用于沿着所述阳极侧催化体的表面的法线方向弓I导从外部供应的燃料。
根据本发明的第十一方面，如上述机构的燃料引导部包括阳极侧构 件，该阳极侧构件与所述阳极侧催化体分开布置成与该阳极侧催化体相 对，并且所述阳极侧构件包括位于与所述阳极侧催化体的表面的所述多 个位置相对应的位置处的通孔。
根据本发明的第十二方面，本发明的燃料电池包括三个或更多个通 孔，其中所述阳极侧构件包括由经过所述三个或更多个通孔的线形成的 多边形表面，并且其中在所述阳极侧构件的正视图中，所述多边形表面 布置在与所述阳极侧催化体的表面的重心重叠的位置处。
根据本发明的第十三方面，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池 系统包括根据上述方面中的任一方面的燃料电池；以及燃料供应部，
该燃料供应部将燃料供应至所述燃料电池的燃料引导部。


图1是表示根据本发明的燃料电池系统的结构的图。
图2是表示根据第一实施方式的燃料电池的分解立体图的实施例的图。
图3是表示根据第一实施方式的燃料电池的阳极侧构件的结构的立 体图。
图4是表示根据第一实施方式的燃料电池的燃料导入构件的结构的 立体图。
图5是表示图2的截面F5—F5中的氢的流动的图。
图6是表示根据本发明的燃料电池中的氢的流动的图。
图7是表示根据第一实施方式的第一修改例的燃料电池的分解立体
图的实施例的图。
图8是表示根据第一实施方式的第一修改例的燃料电池的阳极侧构
件的结构的立体图。
图9是表示根据第一实施方式的第一修改例的燃料电池的燃料导入
构件的结构的立体图。图10是表示图9中所示的燃料导入构件的结构的正视图。 图11是表示图10的截面A—A的截面图。
图12是表示从根据第一实施方式的第一修改例的燃料电池的阳极 侧构件的相应通孔流出的氢的氢流速的曲线图。
图13是表示根据第一实施方式的第二修改例的燃料电池的阳极侧 构件的结构的立体图。
图14是表示从根据第一实施方式的第二修改例的燃料电池的阳极 侧构件的相应通孔流出的氢的氢流速的曲线图。
图15是表示根据第二实施方式的燃料电池的阳极侧构件的结构的 立体图。
图16是表示根据第二实施方式的第一修改例的燃料电池的阳极侧 构件的结构的立体图。
图17是表示根据第二实施方式的第二修改例的燃料电池的阳极侧 构件的结构的立体图。
图18是表示根据第三实施方式的燃料电池的结构的立体图。
具体实施例方式
以下参照附图详细描述根据本发明的燃料电池的实施方式。在附图 中，相同或相似元件尽管在不同附图中示出但仍用相同附图标记表示。 实施方式1
图1表示根据本发明的燃料电池系统的结构。
在图1中，燃料电池系统1包括燃料供应部100、燃料电池200和 控制电路300。
燃料供应部100可具有能产生氢的任何结构，并可具有制氢物质和
制氢加速物质在其内彼此相混合以释放氢的结构。优选的是，燃料供应 部100可具有这样的结构，其中作为制氢物质的硼氢化钠和作为制氢加
速物质的苹果酸溶液在其内彼此相混合以释放氢。
作为制氢物质和制氢加速物质的组合，除了上述实施例外，制氢物 质可以是能水解的任何金属氢化物，而制氢加速物质可以是有机酸、无机酸或钌之类的任何制氢催化剂。
此外，制氢物质可以是硼氢化钠溶液，而制氢加速物质可以是苹果 酸粉末。这样，可适当选择制氢物质和制氢加速物质的组合，只要其混 合物能产生氢即可。
此外，制氢部分中所用的反应可使用金属与碱性或酸性溶液的任何 组合。
而且，在制氢部分中，可使用能通过水解产生氢的任何结构，包括 其中通过蒸气重整从酒精、醚或甲酮得到氢的甲醇重整类型，以及其中 通过蒸气重整从汽油、煤油或天然气之类的碳氢化合物得到氢的碳氢化 合物重整类型。
作为制氢部分的修改例，可使用利用储氢合金或贮氢容器的结构。
控制电路300连接至燃料电池200。控制电路300被燃料电池200 供应的电压驱动。
图2是表示燃料电池200的实施例的分解立体图。如图2所示，燃 料电池200包括MEA 210、燃料引导部220、阴极侧挤压件230以及阳 极侧挤压件240。燃料电池200还包括分别布置在MEA 210的阳极侧和 阴极侧的气体扩散构件(未示出)和集电器(未示出)。
MEA210包括固体聚合物电解质膜211以及布置在固体聚合物电解 质膜211的相对表面上的阴极侧催化体212和阳极侧催化体(未示出)。 阳极侧催化体具有与阴极侧催化体212基本相同的形状和尺寸。
在图2中，MEA 210的外部尺寸为80X63X0.03 mm，阴极侧催化 体和阳极侧催化体的尺寸为70X53X0.03 mm。
燃料引导部220布置在阳极侧催化体和固体聚合物电解质膜211相 对所在侧的相反侧上，并朝阳极侧催化体表面的中心引导从外部供应的 燃料。此外，燃料引导部220可具有降低氢的速度以使其比氢从外部供 应时低的功能。
在该实施方式中，燃料引导部220布置在MEA210上，靠近阳极侧 催化体并大致与阳极侧催化体平行。燃料引导部220包括阳极侧构件221 ， 该阳极侧构件与阳极侧催化体分开布置成与该阳极侧催化体相对。燃料引导部220还包括燃料导入构件222，该燃料导入构件布置在阳极侧构件 221和阳极恻催化体相对所在侧的相反侧上，并且利用阳极侧构件221将 导入的燃料暂时储存在其内。
阴极侧挤压〗牛230和阳极侧挤压件240都设有用于朝MEA210引导 燃料的贯通部，并将MEA210、气体扩散构件(未示出)和集电器(未 示出)夹在其间。
在图2中，作为实施例，在阴极侧挤压件230和阳极侧挤压件240 中形成栅格状贯通部。应注意，所述贯通部不限于这样的栅格形状，可 使用燃料能穿过的任何形状。
此外，阴极侧挤压件230和阳极侧挤压件240可具有不同形状。而 且，阴极侧挤压件230和阳极侧挤压件240的材料可以是塑料或陶瓷之 类的绝缘材料以及金属之类的导电材料。
而且，燃料电池200中可以不设置集电器；在这种情况下，阴极侧 挤压件230和阳极侧挤压件240由具有导电特性的材料制成。
图3是表示图2中所示的燃料电池200的阳极侧构件221的结构的 立体图。阳极侧构件221包括通孔221-2、第一排放口 221-3以及靠近阳 极侧催化体设置在板状件上的凹部221-1。
在从阳极侧构件221的前表面，即从阳极侧催化体侧观看阳极侧构 件221时，凹部221-1形成为自前表面预定深度。
凹部221-1的底面优选平行于阳极侧催化体的表面；然而，本发明 不对此做具体限制，例如，该底面可相对于阳极侧催化体的表面倾斜。 而且，该凹部的底面的尺寸优选大于阳极侧催化体的尺寸。
通孔221-2优选为圆形。在该实施方式中，通孔221-2位于从阳极侧 催化体的中心(重心)引出的阳极侧催化体表面的法线上。
此外，通孔221-2可具有除上述圆形之外的其它形状；即使在这种 情况下，通孔221-2的中心仍位于上述法线上。
图3所示的阳极侧构件221的外部尺寸为80X70X1.5 mm,凹部 221-1自阳极侧构件221在正视图中的前表面的深度为0.5 mm，并且尺 寸为70X53 mm。而且，通孔221-2的直径O为10 mm。
第一排放口 221-3设置成将发电期间从阴极侧催化体流入阳极侧催 化体的水排放到外部。此外，应注意，第一排放口 221-3的存在与否不会 限制本发明所述的功能。
图4是表示图2中所示的燃料电池200的燃料导入构件222的结构 的图。燃料导入构件222包括导入路径222-1、引导路径222-2以及第二 排放口 222-3。
导入路径222-1包括导入口 222-la，其为与外部燃料供应部100 相连的连接部，用于从外部导入氢；以及终端口 222-lb，其为导入路径 的靠近后述的引导路径222-2的端部。
导入口 222-la可设置成从图4所示的正视图中的后表面至前表面贯 通燃料导入构件222，并可设置在燃料导入构件222的侧面上。可选的是， 导入口 222-la可设置在后述的引导路径222-2的区域内。
当导入口 222-la设置在引导路径222-2的区域外部时，导入路径 222-1的终端口 222-lb设置在引导路径222-2在正视图中的侧面上。
在图4中，终端口 222-lb设置在引导路径222-2在正视图中的上表 面的中央；然而，终端口 2224b的位置不具体限制于该位置，而且终端 口 222-lb可设在引导路径222-2的侧面上的任何位置。
引导路径222-2连接至导入路径222-1，并朝通孔221-2引导供应至 导入路径222-1的氢。在该实施方式中，引导路径222-2包括形成为板状 且设置在阳极侧催化体侧的凹部。
具体地说，氢暂时储存在所述凹部与阳极侧构件221的与阳极侧催 化体相对的表面之间形成的空间中，然后氢被引导至阳极侧构件221中 形成的通孔221-2。
由于导入的氢暂时储存在引导路径222-2中，所以经由引导路径 222-2通过通孔221-2排放的氢的流速减速成低于氢被导入时的流速。借 助该布置，通过通孔221-2排放的氢以基本均匀的压力相对于阳极侧催化 体扩散。因此，能使阳极侧催化体上的氢密度分布更均匀，从而能提高 燃料电池的总输出电压。此外，引导路径222-2仅需具有用于朝通孔221-2引导氢的流路，而 不必具有凹部。引导路径222-2例如可具有将终端口 222-lb连接至通孔221- 2的管子形状或导管形状。第二排放口 222-3设置成将从形成在阳极侧构件221中的第一排放 口 221-3排放的水引导而进一步排出到外部。此外，应注意，第二排放口222- 3的存在与否不会限制本发明所述的功能。图5是表示图2的截面F5—F5的图，其中氢的流向用D表示。在图5中，由于阴极侧挤压件230和阳极侧挤压件240对氢流不产 生影响，因而为了说明简单起见，未将其示出。具体地说，通过设置在燃料导入构件222中的导入路径222-1将氢 引至引导路径222-2。然后，氢从引导路径222-2通过形成在阳极侧构件 221中的通孔221-2朝MEA 210的阳极侧催化体喷射。图4所示的燃料导入构件222的外部尺寸为80X70X2mm，引导路 径222-2自燃料导入构件222在正视图中的前表面的深度为1 mm，并且 尺寸为70X53 mm。图6是图2所示的燃料电池的分解立体图，其用于说明氢的流向D。 已参照图5描述了氢在到达MEA210前的流动，因此省略其重复说明。如图6所示，喷射到MEA210上的氢在阳极侧催化体的表面上呈放 射状扩散，并供应至阳极侧催化体的整个表面。根据上述实施方式，由于燃料从阳极侧催化体的中心呈放射状扩散， 因此氢密度不均匀的区域比从设置在阳极侧催化体的边缘处的导入口供 应氢时小。结果，能抑制输出电压的波动，从而提高燃料电池的总输出 电压。具体地说，如图5和图6所示，由于从外部导入的氢沿阳极侧催化 体表面的法线方向喷射到阳极侧催化体上，因此喷射的氢以基本均匀的 流速呈放射状扩散到阳极侧催化体。通过该布置，与从外部导入的氢不 沿法线方向运动的情况相比，当氢沿法线方向运动时，能抑制阳极侧催 化体上的氢密度分布的不均匀性，从而提高燃料电池的总输出电压。此外，由于导入的氢暂时储存在引导路径222-2内，所以经由引导路径222-2从通孔221-2排放的氢的流速减速成低于氢被导入时的流速。 通过该布置,通过通孔221-2排放的氢以基本均匀的压力相对于阳极侧催 化体扩散。因此，能使阳极侧催化体上的氢密度分布更均匀，从而提高 燃料电池的总输出电压。此外，由于在燃料导入构件222中仅设置一个导入口 222-la即可实 现上述效果，因此易于减小燃料电池系统的总体尺寸，从而提高体积输 出密度。此外，由于不需要微流路结构，因此可提供易加工性。 修改例1在第一实施方式中，氢朝单个阳极侧催化体的表面的中心喷射。相 反，在第一修改例中，氢朝多个阳极侧催化体的表面的中心喷射。以下 将详细描述该第一修改例。图7是表示根据本发明的燃料电池的第一实施方式的第一修改例的图。燃料电池400包括MEA 410、燃料引导部420、阴极侧挤压件430 以及阳极侧挤压件440。气体扩散构件(未示出)和集电器(未示出)分 别设置在MEA410的阳极侧和阴极侧。在图7中，燃料电池400包括位于MEA410两侧的阴极侧催化体和 阳极侧催化体构成的三对催化体。燃料电池400是均具有一对阴极侧催 化体和阳极侧催化体的单位燃料电池(以下称为"电池")的组件。具体地说，MEA410包括设置在固体聚合物电解质膜411的一个表 面上的阴极侧催化体412a、 412b和412c，并包括设置在另一表面上的三 个与阴极侧催化体412a、 412b和412c形状基本相同的阳极侧催化体(未 示出)。在图7中，MEA 410的外部尺寸为80X63X0.03 mm，阴极侧催化 体和阳极侧催化体的尺寸为20X53X0.03 mm。与第一实施方式类似，燃料引导部420包括阳极侧构件421和燃料 导入构件422。阴极侧挤压件430和阳极侧挤压件440具有与根据图2所示的第一实施方式的阴极侧挤压件230和阳极侧挤压件240相同的结构和功能； 因此，省略其重复说明。此外，优选的是，气体扩散构件(未示出)和集电器(未示出)具 有与设置在MEA 410中的阴极侧催化体和阳极侧催化体基本相同的形 状。图8是表示图7所示的燃料电池400的阳极侧构件421的结构的图。 与图3所示的第一实施方式的阳极侧构件221类似，阳极侧构件421包括凹部421-1、第一通孔421-2b、第二通孔421-2a及421-2c、以及第—排放口 421-3。凹部421-1的深度和形状与第一实施方式的凹部221-1的类似;但是， 如图8所示，凸部可以形成为增强阳极侧构件421的强度而不影响富氢 气体扩散的形状。第一排放口 421-3具有与第一实施方式的第一排放口 221-3相同的结 构和功能；因此，省略其重复说明。第一通孔421-2b和第二通孔421-2a及421-2c的重心位于从相应的 阳极侧催化体中心引出的阳极侧催化体表面的法线上。图8所示的阳极侧构件421的外部尺寸和凹部421-1的深度与第一 实施方式的相同，并且第一通孔421-2b和第二通孔421-2a及421-2c的 直径O为6醒。图9是表示图7所示的燃料电池400的燃料导入构件422的结构的 图。燃料导入构件422包括导入路径422-1、引导路径422-2以及第二排 放C1 422-3。导入路径422-1包括导入口 422-la，其为与外部燃料供应部100 相连的连接部，用于从外部导入氢；以及终端口 422-lb，其为导入路径 的靠近后述的引导路径422-2的端部。导入口 422-la和终端口 422-lb具有与第一实施方式的基本实施例的 导入口 222-la和终端口 222-lb相同的结构和功能；因此，省略其重复说 明。而且，由于同样的原因，也省略对第二排放口 422-3的详细说明。参照图10和图11详细描述引导路径422-2。图9所示的燃料导入构件422具有与第一实施方式的燃料导入构件 222基本相同的尺寸。图10是从阳极侧催化体看到的图9所示的燃料导入构件422的正视 图。图11是表示图10的截面A-A的图。在图IO中，第一通孔421-2b和第二通孔421-2a及421-2c代表在阳 极侧构件421和燃料导入构件422彼此组装时并且从阳极侧催化体侧观 看燃料导入构件422时第一通孔421-2b和第二通孔421-2a及421-2c的 位置。此外，从终端口 422-lb朝第一通孔421-2b流动的氢的流路长度由 L2表示。而且，从终端口 422-lb朝第二通孔421-2a及421-2c流动的氢 的流路长度分别由Ll和L3表示。由于在图9的引导路径422-2中形成凸部，因此引导路径422-22、 422-21及422-23形成为与第一通孔421-2b、第二通孔421-2a及421-2c 相对应。引导路径422-22形成第一引导路径，引导路径422-21及422-23形成第二引导路径。引导路径422-21及422-23从终端口 422-lb至通孔421-2a及421-2c 的长度为Ll和L3， Ll和L3长于引导路径422-22的长度L2。具体地说， 在图10和图11中，这些长度满足关系L1=L3>L2。在图11中，Sl、 S2、 S3表示与引导路径422-21、 422-22及422-23 相对应的引导路径422-2的下表面的截面。引导路径422-2构造成使得引导路径422-22的截面S2小于引导路径 422-21及422-23的截面S1和S3。具体地说，在图10和图11中，这些 截面满足关系S1=S3>S2。此外，引导路径422-21、 422-22及422-23仅需具有形成在其内的氢 流路，只要满足上述关系即可。例如，引导路径422-21、 422-22及422-23 可以是将终端口 222-lb连接至相应通孔421-2a、 421-2b及421-2c的导管 状管子。接下来描述当向具有图7所示的燃料引导部420的燃料电池400导入氢时的模拟结果。利用氢流模型进行模拟，由于在燃料电池400的发电期间氢由阳极 侧催化体消耗，所以每单位时间从阳极侧催化体表面向外流出预定量的氢。在该模拟中，以6.825E-8 [kg/s]的流速导入纯氢。从燃料导入构件422的终端口 422-lb导入的氢通过引导路径422-2 并通过阳极侧构件421的第一通孔421-2b和第二通孔421-2a及421-2c 供应至阳极侧催化体。图12示出了通过模拟计算出的氢的流速，其表示从第一通孔421-2b 和第二通孔421-2a及421-2c流出的氢的流速。从图12可以确定，通过本发明的结构，即使使这些通孔的孔径相同， 自相应通孔的流速也以3.5%的误差基本相同。此外，三个电池的输出电压基本相同。具体地说，与第一通孔421-2b 和第二通孔421-2a及421-2c相对应的电池的输出电压分别为0.615 V、 0.6225 V和0.621 V，误差为1.2%。引导路径422-22的长度L2小于从终端口 422-lb至通孔421-2a及421- 2c的长度(L1和L3)。因此，若引导路径422-22和引导路径422-21 及422-23具有相同截面，则从终端口 422-lb排放的大部分氢相比于第二 通孔421-2a及421-2c可能会更容易朝第一通孔421-2b引导。在这种情 况下，从第一通孔421-2b和第二通孔421-2a及421-2c排放的氢的量可 能会有很大波动。然而，在该修改例中，引导路径422-22的截面S2小于引导路径422- 21及422-23的截面(Sl和S3)。通过该结构，不可能有大部分氢流 向引导路径422-22，而有可能是基本相同量的氢以均布方式流向引导路 径422-21至422-23。因此，可向相应阳极侧催化体上喷射基本相同量的 氢。此外，由于可向相应阳极侧催化体上喷射基本相同量的氢，因此能 抑制对应于相应阳极侧催化体的输出电压的不均匀性。而且，由于防止 了阳极侧催化体的相应输出电压过度低于其它输出电压，因此能提高燃料电池的总输出电压。修改例2在第一修改例中，对应于相应阳极侧催化体的通孔具有相同尺寸。 相反，在第二修改例中，对应于相应阳极侧催化体的通孔不具有相同尺 寸。以下详细描述该第二修改例。图13是表示根据本发明的燃料电池的第一实施方式的第二修改例 的阳极侧构件421A的结构的图。阳极侧构件421A是与图7所示的多电极平面结构的MEA 410相对 应的阳极侧构件，并且是图8所示的阳极侧构件421的修改例。在该修改例中，使用图4所示的燃料导入构件222。自终端口 222-lb 至阳极侧构件421A的第一通孔421-5b和第二通孔421-5a及421-5c的长 度由Lb、La和Lc表示。与第一修改例类似，这些长度满足关系La-LOLb。而且，第一通孔421-5b的孔径ODb和第二通孔421-5a及421-5c的 孔径<DDa及(DDc满足关系Da-DODb。在图13所示的第一实施方式的第二修改例中，所述孔径设定成使得 Da=Dc=4 mm且Db=2 mm。接下来描述当向具有由燃料导入构件222和阳极侧构件421A形成的 燃料引导部的燃料电池导入氢时的模拟结果。与第一实施方式的第一修改例中进行的计算类似，以6.825E-8 [kg/s] 的流速导入纯氢。氢的流路与第一修改例的相同，因此，省略其重复说 明。图14示出了通过模拟计算出的氢的流速，其表示从第一通孔421-5b 和第二通孔421-5a及421-5c流出的氢的流速。从图14可以确定，通过第一实施方式的第二修改例的结构，自相应 通孔的流速以2%的误差基本相同。已关于第一实施方式的第一修改例描述了模拟的可行性以及氢流速 的不均匀性与输出电压的不均匀性之间的对应关系，因此省略其重复说 明。第一通孔421-5b布置成比第二通孔421-5a及421-5c更靠近终端口222-lb。因此，若第一通孔421-5b与第二通孔421-5a及421-5c具有相同 的尺寸，则从终端口 222-lb排放的大部分氢相比于第二通孔421-5a及 421-5c可能会更容易朝第一通孔421-5b引导。在这种情况下，从第一通 孔421-5b和第二通孔421-5a及421-5c排放的氢的量可能会有很大波动。 然而，在该修改例中，第一通孔421-5b的尺寸小于第二通孔421-5a 及421-5c的尺寸。通过该结构，不可能有大部分氢从第一通孔421-5b排 放，而有可能是基本相同量的氢以均布方式从第一通孔421-5b和第二通 孔421-5a及421-5c排放。因此，可向相应阳极侧催化体上喷射基本相同 量的氢。此外，由于可向相应阳极侧催化体上喷射基本相同量的氢，因此能 抑制对应于相应阳极侧催化体的输出电压的不均匀性。而且，由于防止 了阳极侧催化体的相应输出电压过度低于其它输出电压，因此能提高燃 料电池的总输出电压。实施方式2在第一实施方式的燃料引导部中，朝单个阳极侧催化体的表面的中 心导入氢。相反，在第二实施方式中，朝单个阳极侧催化体的表面的多 个位置引导氢。以下详细描述该第二实施方式。图15是表示根据本发明的燃料电池的第二实施方式的阳极侧构件 221A的结构的图。阳极侧构件221A是图2所示的燃料电池200的阳极侧构件221的修 改例。阳极侧构件221A包括位于布置阳极侧催化体一侧的凹部221-1。 在凹部221-1中形成有多个通孔221-4a、 221-4b及221-4c。阳极侧构件221A具有由经过上述三个通孔的线形成的三角形表面 221-5 (多边形表面)。在从阴极侧观看的阳极侧构件221A的正视图中， 三角形表面221-5布置在与阳极侧催化体的表面重叠的位置。在该实施方式中，上述三个通孔布置成使得经过阳极侧催化体中心 (重心)的阳极侧催化体表面的法线经过三角形表面221-5的内侧。根据该实施方式，由于设置多个通孔，因此总开口面积可增大而比 仅设置一个通孔时大。通过该布置，从通孔排放的氢的流速可减速成比仅设置一个通孔时低。因此，能以基本均匀的压力相对于阳极侧催化体 喷射氢。因而，能使阳极侧催化体上的氢密度分布更均匀。此外，在从阴极侧看到的阳极侧构件221A的正视图中，三角形表面 221-5布置在与阳极侧催化体的表面的中心(重心)重叠的位置。因此， 从相应通孔排放的氢能以更均匀的压力相对于阳极侧催化体的表面喷 射。而且，通孔221-4a、 221-4b及221-4c可具有任意的孔尺寸；然而， 优选的是它们为基本相同的圆形形状。上述法线可经过三角形表面221-5 的外接圆的圆心。此外，在该实施方式中，设置三个通孔；然而，也可设置两个通孔， 在这种情况下，优选的是上述法线经过这两个通孔的中心距的中点。而且，在该实施方式中，与第一实施方式中所述的燃料导入构件222 类似，所述燃料导入构件可具有带单个引导路径的结构，优选的是，燃 料导入部具有为相应通孔而设的引导路径，并且引导路径的截面以及从 导入口至相应通孔的距离满足在第一实施方式的第一修改例中描述的关 系。修改例1在第二实施方式中，阳极侧构件221A包括由经过所述三个通孔的线 形成的三角形表面221-5。相反，在第一修改例中，阳极侧构件221B具 有由经过四个通孔的线形成的矩形表面221-7。以下将详细描述第一修改 例。图16是表示根据第二实施方式的第一修改例的阳极侧构件221B的 结构的图。阳极侧构件221B包括通孔221-6a、 221-6b、 221-6c及221-6d。在从阴极侧看到的阳极侧构件221B的正视图中，矩形表面221 -7布 置在与阳极侧催化体的表面重叠的位置处。在该修改例中，上述四个通孔布置成使得经过阳极侧催化体中心(重 心)的阳极侧催化体表面的法线经过矩形表面221-7的内侧。通孔221-6a、 221-6b、 221-6c及221-6d可具有任意的孔尺寸；然而，优选的是它们为基本相同的圆形形状。上述法线可经过矩形表面221-7 的重心。此外，在本实施方式的该修改例中，设置四个通孔；然而，也可设 置五个或更多个通孔。此外，即使在设置五个以上的通孔的情况下，这 些通孔的位置关系也与上述相同；因此，省略其重复说明。而且，当连接通孔的中心而形成具有顶角大于等于180度的点的多 边形表面时，优选的是，将这些通孔布置成使得该多边形表面的其余所 有点都具有小于等于180度的顶角，并且包含所有通孔的任意多边形表 面的重心经过上述法线。在本实施方式的该修改例中，燃料导入构件的弓I导路径具有与第二 实施方式相同的形状；因此，省略其重复说明。根据该实施方式，由于设置多个通孔，因此总开口面积可增大而比 仅设置一个通孔时大。通过该布置，从通孔排放的氢的流速可减速成比 仅设置一个通孔时低。因此，能以基本均匀的压力相对于阳极侧催化体 喷射氢。因而，能使阳极侧催化体上的氢密度分布更均匀。具体地说，由于设置四个通孔，因此与设置三个通孔的情况相比， 从相应通孔排放的氢能以更均匀的压力相对于阳极侧催化体喷射。修改例2在第二实施方式中，朝单个阳极侧催化体的表面的多个位置引导氢。 相反，在第二修改例中，朝多个阳极侧催化体的相应表面的多个位置引 导氢。以下将详细描述第二修改例。图17是表示根据第二实施方式的第二修改例的阳极侧构件421B和 MEA410的结构的图。阳极侧构件421B包括九个通孔421-4a、 421-4b、 421-4c、 421-4d、 421-4e、 421-4f、 421-4g、 421-4h及421-4i，使得设置至MEA410的每个 阳极侧催化体对应三个通孔。具体地说，在图17中，通孔421-4a、 421-4d及421-4g设置成对应 于经由MEA410与阴极侧催化体412a相对的阳极侧催化体。此外，通孔421-4b、 421-4e及421-4h设置成对应于经由MEA 41021具体地说，在图17中，通孔421-4a、 421-4d及421-4g设置成对应 于经由MEA410与阴极侧催化体412a相对的阳极侧催化体。此外，通孔421-4b、 421-4e及421-4h设置成对应于经由MEA 410与阴极侧催化体412b相对的阳极侧催化体。
再者，通孔421-4c、 421-4f及421-4i设置成对应于经由MEA410与 阴极侧催化体412c相对的阳极侧催化体。
在该修改例中，与单个阳极侧催化体对应的三个通孔成行布置；然 而，应注意，本发明不局限于此。例如，与单个阳极侧催化体对应的三 个通孔可布置在如图15所示的位置处。
而且，所述三个通孔可沿直线等间隔布置。此外，优选的是在等间 隔布置的多个通孔当中，中央通孔布置在上述法线经过的位置。
按这种方式，由于朝多个阳极侧催化体的相应表面的多个位置引导 从外部供应的燃料，因此能使各电池的阳极侧催化体表面中的燃料密度 分布更均匀，从而能使电池之间的燃料供应量均匀。通过该布置，能够 抑制电池之间的输出电压的不均匀性，从而能提高燃料电池的总输出电 压。
实施方式3
图18是表示本发明的燃料电池的第三实施方式的结构的图。
在图18中，燃料电池500包括MEA210、燃料引导部510、阴极侧
挤压件(未示出)、阳极侧挤压件(未示出)、气体扩散构件(未示出)
以及集电器。
MEA 210包括固体聚合物电解质膜211、以及布置在固体聚合物电 解质膜的相对表面上的阴极侧催化体212和阳极侧催化体(未示出)。
燃料引导部510包括阳极侧构件511和燃料导入构件512。
在第一和第二实施方式中，燃料导入构件布置在阳极侧催化体和固 体聚合物电解质膜211相对所在侧的相反侧上，从而经由阳极侧构件与 阳极侧催化体平行。
相反，在该实施方式中，燃料导入构件512可布置在与阳极侧构件 511相邻的任意位置。具体地说，燃料导入构件512可布置在其与阳极侧 构件511基本位于同一表面的位置。
阳极侧构件511包括第一板件511-1、供应口 511-2、导入路径511-3 以及连接口 511-4。供应口 511-2设置成向阳极侧催化体供应氢。供应口 511-2不是贯通 的，而是在第一板件511-1与阳极侧催化体相对的一侧形成的开口。供应 口 511-2布置在阳极侧催化体表面的法线上，还布置在经过阳极侧催化体 中心的线上。
导入路径511-3设置成朝供应口 511-2引导从连接口 511 -4导入的氢。 导入路径511-3沿第一板件511-1的表面方向形成管状。连接口 511-4连 接至燃料导入构件512。
应注意，可如图18所示为单个阳极侧催化体仅设置一个供应口
511- 2，并可为单个阳极侧催化体设置多个供应口。
而且，当设置多个供应口时，优选的是对于布置成与连接口 511-4 距离较小的供应口 511-2A，连接至供应口 511-2A的导入路径511-3A的 截面较小，而对于布置成与连接口 511-4距离较远的供应口 511-2B，连 接至供应口 511-2B的导入路径511-3B的截面较大。
可选的是，从连接口 511-4至相应供应口的导入路径可形成为具有 相同截面，并且布置成与连接口 511-4距离较小的供应口 511-2A可形成 为具有较小的面积，而布置成与连接口 511-4距离较远的供应口 511-2B 可形成为具有较大的面积。
燃料导入构件512包括第二板件512-1、引导路径512-2以及导入口
512- 3。
导入口 512-3连接至外部燃料供应部100并将氢供应至引导路径 512-2。
导入口 512-3可设置在第二板件512-1的任意位置。此外，导入口 512-3可具有任意形状。在连接阳极侧构件511和燃料导入构件512时， 导入口 512-3优选构造成其沿与连接面的法线不同的轴向开口。
应注意，引导路径512-2是形成在第二板件512-1中的空间，当供应 氢吋其可用作缓冲器。即，引导路径512-2可构造成使导入的氢的速度减 速成低于其被导入时的速度。
通过具有上述结构，燃料导入构件512的位置可任意设置，从而提 高了设计燃料导入构件512的布局的自由度，由此有助于减小燃料电池的厚度。
其它实施方式
以下通过本发明的具体示例描述本发明的实施例。然而，应注意， 本发明不限于这些实施例，而是可对上述实施方式的详细结构在设计上 适当进行各种修改。
这些实施方式和修改例中所示的详细结构可相互组合。这些实施方 式的操作和效果仅列举了最可行的操作和本发明产生的最佳效果，本发 明的操作和效果不限于这些实施方式中所述的操作和效果。
在上述所有实施方式中，燃料不限于氢，也可使用甲醇溶液之类的
任何燃料，只要其允许从MEA的催化体提取质子和电子即可。
作为上述所有实施方式的效果，特别是在具有无出口的闭端结构的 燃料电池中，仅供应发电必需的氢；因此，与其中导入口附近的氢密度 高于阳极恻催化体上的布置成最远离导入口的部分处的氢密度的传统技 术(流动结构)相比，通过本发明的结构，能提供更均匀的氢密度分布， 从而有助于提高燃料电池的总输出。
而且，在该实施方式中所用的闭端结构是指其中燃料引导部仅朝阳 极侧催化体引导所导入的燃料而不将氢引导到外部的结构。另一方面， 流动结构是指其中燃料引导部向阳极侧催化体和外部引导所导入的燃料 的结构。
工业实用性
根据本发明的燃料电池，能够抑制氢密度分布的不均匀性并提高输 出电压。
权利要求
1. 一种燃料电池，该燃料电池包括固体聚合物电解质膜；布置在所述固体聚合物电解质膜的相对表面上的阳极侧催化体和阴极侧催化体；以及燃料引导部，该燃料引导部布置在所述阳极侧催化体和所述固体聚合物电解质膜相对所在侧的相反侧上从而与所述阳极侧催化体相对，借此朝所述阳极侧催化体的表面的中心引导从外部供应的燃料。
2、 根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述燃料引导部使燃料 的速度减速成低于该燃料从外部供应时的速度。
3、 根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述燃料引导部沿着所 述阳极侧催化体的法线方向朝该阳极侧催化体引导从外部供应的燃料。
4、 根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述燃料引导部包括阳极侧构件，该阳极侧构件与所述阳极 侧催化体分开布置成与该阳极侧催化体相对；并且其中，所述阳极侧构件包括位于与所述阳极侧催化体的表面的中心 相对应的位置处的通孔。
5、 根据权利要求4所述的燃料电池，其中，设置多个所述阳极侧催化体和多个所述通孔；并且 其中，这些通孔设置在与这些阳极侧催化体的相应表面的中心相对 应的位置处。.
6、 根据权利要求4所述的燃料电池，其中，设置多个所述阳极侧催化体和多个所述通孔； 其中，这些通孔设置在与这些阳极侧催化体的相应表面的中心相对 应的位置处；其中，所述燃料引导部包括-导入路径，通过该导入路径供应燃料；以及多个引导路径，这些引导路径与所述导入路径连接，供应至所述导入路径的燃料通过所述弓1导路径被弓I导至所述通孔；其中，所述导入路径包括与所述引导路径相连的终端口；其中，所述多个引导路径包括第一引导路径以及从所述终端口至所述通孔的长度大于所述第一引导路径的第二引导路径；并且其中，所述第一引导路径的截面小于所述第二引导路径的截面。
7、 根据权利要求4所述的燃料电池，其中，设置多个所述阳极侧催化体和多个所述通孔； 其中，这些通孔设置在与这些阳极侧催化体的相应表面的中心相对 应的位置处；其中，所述燃料引导部包括导入路径，通过该导入路径供应燃料；以及引导路径，该引导路径与所述导入路径连接，供应至所述导入路径的燃料通过该引导路径被弓I导至所述通孔；其中，所述导入路径包括与所述引导路径相连的终端口；其中，所述多个通孔包括第一通孔、以及布置在距所述终端口的距离大于所述第一通孔距所述终端口的距离的位置处的多个第二通孔；并且其中，所述第一通孔的面积小于所述第二通孔的面积。
8、 一种燃料电池，该燃料电池包括 固体聚合物电解质膜；布置在所述固体聚合物电解质膜的相对表面上的阳极侧催化体和阴 极侧催化体；以及燃料引导部，该燃料引导部布置在所述阳极侧催化体和所述固体聚 合物电解质膜相对所在侧的相反侧上从而与所述阳极侧催化体相对，借 此朝所述阳极侧催化体的表面的多个位置引导从外部供应的燃料。
9、 根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述燃料引导部使燃料 的速度减速成低于该燃料从外部供应时的速度。
10、 根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述燃料引导部沿着 所述阳极侧催化体的法线方向引导从外部供应的燃料。
11、 根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述燃料引导部包括阳极侧构件，该阳极侧构件与所述阳极 侧催化体分开布置成与该阳极侧催化体相对；并且其中，所述阳极侧构件包括位于与所述阳极侧催化体的表面的所述 多个位置相对应的位置处的通孔。
12、 根据权利要求8所述的燃料电池， 其中，设置三个或更多个通孔；并且其中，所述阳极侧构件包括由经过所述三个或更多个通孔的线形成 的多边形表面；并且其中，在所述阳极侧构件的正视图中，所述多边形表面布置在与所 述阳极侧催化体的表面的重心重叠的位置处。
13、 一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括 根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池；以及 燃料供应部，该燃料供应部将燃料供应至所述燃料引导部。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池，该燃料电池包括固体聚合物电解质膜；分别布置在所述固体聚合物电解质膜的两侧的阳极侧催化体和阴极侧催化体；以及燃料引导部，该燃料引导部布置在所述阳极侧催化体和所述固体聚合物电解质膜相对所在侧的相反侧上从而与所述阳极侧催化体相对，并朝所述阳极侧催化体的表面的中心引导从外部供应的燃料。
文档编号H01M8/10GK101283467SQ20068003708
公开日2008年10月8日 申请日期2006年10月5日 优先权日2005年10月7日
发明者尾崎徹, 岩崎文晴, 柳瀬考应, 玉地恒昭, 皿田孝史, 让原一贵 申请人:精工电子有限公司