燃料电池用导电多孔体、具有其的燃料电池及其制造方法

专利名称：燃料电池用导电多孔体、具有其的燃料电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池用导电多孔体、具有其的燃料电池及其制造方法。
背景技术：
燃料电池是一般使用氢和氧作为燃料获得电能的装置。因为燃料电池 具有环境优异性并且可以实现高的能量效率，所以燃料电池正被广泛开发 作为未来能量供应系统。因为在各种燃料电池中，固体聚合物燃料电池在 较低的温度下工作，所以其具有特别良好的启动性能。因此，为了其实际 应用的目的，目前正在广泛的领域中进行积极研究。
在聚合物固体燃料电池中，电流集电器与膜电极组件(下文中有时称
为"MEA")的两个表面紧密接触地布置，所述膜电极组件通过将催化剂 层接合到固体聚合物电解质膜的两个表面来形成。多孔电导体通常被用于 这些电流集电器。为了增大燃料电池的发电效率，必须减小电流集电器和 膜电极组件之间的接触电阻。在日本专利申请公开号JP-A-2004-714556中 公开了用于抛光和研磨用作电流集电器的钛烧结体的表面的技术。根据此 技术，可以提高电流集电器和膜电极组件之间的接触表面积比。
但是，在上述公开的技术中，当进行抛光和研磨时，存在集电极的内 部状态变化的可能性。在此情况下，变得难以控制电流集电器的品质。

发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池用导电多孔体，其能够减小与膜电 极组件的接触电阻而不会改变内部状态，并且提供一种使用上述燃料电池 用导电多孔体的燃料电池及其制造方法。
根据本发明的燃料电池用导电多孔体具有多孔金属体以及导电层，所述导电层布置在所述多孔金属体的一个表面上并且具有透气性，其中所述 多孔金属体的所述一个表面的至少一部分埋入所述导电层的一个表面侧 中，并且其中所述导电层的所述多孔金属体没有埋入其中的另一表面侧的 平面度高于所述多孔金属体的所述一个表面侧的平面度。
在根据本发明的燃料电池用导电多孔体中，因为导电层的平面度高， 所以可以在燃料电池用导电多孔体和膜电极组件之间获得足够的接触表面 积，而不用向多孔金属体施加压力。结果，燃料电池用导电多孔体和膜电 极组件之间的接触电阻被减小，而不会改变多孔金属体的内部状态。并 且，因为多孔金属体的一部分被埋入导电层中，所以多孔金属体和导电层 之间的接触电阻减小。结果，使用根据本发明的燃料电池用导电多孔体的 燃料电池的发电效率提高。
通常，制造具有高平面度的多孔金属体的成本极高，并且难以控制品 质。具体地，为了提高多孔金属体的平面度，必须对多孔金属体进行二次 加工，诸如抛光或研磨，从而导致制造成本升高。并且，当进行二次加工 时，存在多孔金属体的表面或内部形状发生变化的可能性，因此难以进行 品质控制。然而，根据本发明，不必使用具有高平面度的多孔金属体。结 果，生产成本被减小，并且便于进行品质控制。
在上述结构中，所述多孔金属体可以被埋入所述导电层中，达到与所 述导电层不存在间隙的程度。在此情况下，在燃料电池用导电多孔体和膜 电极组件之间获得足够的接触表面积，而不用向多孔金属体施加压力。并 且，防止了流动气体中所包含的飞尘等附着到多孔金属体和导电层之间的 接触点。结果，在多孔金属体和导电层之间维持了低的接触电阻。
在上述结构中，所述导电层的所述一个表面侧的平面度可以为10/mi
或更小。在此情况下，在燃料电池用导电多孔体和膜电极组件之间获得了 足够的接触表面积。并且，因为膜电极组件和导电层之间的表面压力基本 均匀，所以抑制了膜电极组件上的压力局部集中。结果，除了防止了对膜 电极组件的损伤，还提高了膜电极组件的耐久性。此外，在上述结构中， 所述多孔金属体是发泡烧结金属体。
根据本发明的一种燃料电池具有如上所述的任意一种的燃料电池用导电多孔体以及膜电极组件，在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在电解 质膜的两个表面上，并且所述催化剂层中的至少一者与所述燃料电池用导 电多孔体的一个表面被布置成相对，换句话说，在所述膜电极组件中，催 化剂层被形成在电解质膜的每一侧上，并且所述导电多孔体被设置在所述 催化剂层中的至少一者上并与其接触或者不接触。在根据本发明的燃料电 池中，在燃料电池用导电多孔体和催化层之间获得足够的接触表面积，而 不用向多孔金属体施加压力。在此情况下，实现了低的接触电阻，而不会 改变多孔金属体的内部状态。结果，提高了燃料电池的发电效率。
在上述结构中，所述导电层可以相对于膜电极组件具有疏水性。在此 情况下，在膜电极组件处由发电产生的水以高的效率被排放到多孔金属体 侧。结果，抑制了膜电极组件处发电产生的水的滞留。此外，抑制了燃料 电池发电效率的降低。
根据本发明的一种燃料电池的特征在于具有如上所述的任意一种燃料 电池用导电多孔体以及膜电极组件，在所述膜电极组件，催化剂层和气体 扩散层被依次形成在电解质膜的两侧，并且所述气体扩散层中的至少一者 与所述燃料电池用导电多孔体的一个表面侧被布置成相对，换句话说，在 所述膜电极组件中，催化剂层被形成在电解质膜的每一侧上，且气体扩散 层被形成在催化剂层的每一者上，并且所述导电多孔体被设置在所述气体 扩散层中的至少一者上并与其接触或者不接触。根据此结构，在燃料电池 用导电多孔体和气体扩散层之间获得足够的接触表面积，而不用向多孔金 属体施加压力。在此情况下，实现了低的接触电阻，而不会改变多孔金属 体的内部状态。结果，提高了燃料电池的发电效率。
在上述结构中，所述导电层可以相对于所述气体扩散层具有亲水性。 在此情况下，气体扩散层抑制了随着发电排放的水到膜电极组件的逆流。 结果，抑制了膜电极组件处发电产生的水的滞留。此外，抑制了燃料电池 发电效率的降低。
根据本发明的一种制造燃料电池用导电多孔体的方法的特征在于包 括将导电浆料布置在平板上到预定厚度；将导电多孔体层叠到所述导电
浆料上；干燥所述导电浆料，并且形成具有透气性的导电层；以及将所述导电层与所述平板分离。
在根据本发明的制造燃料电池用导电多孔体的方法中，将导电浆料布 置在平板上到预定厚度，导电多孔体被层叠到所述导电浆料上，所述导电 浆料被干燥，并且形成具有透气性的导电层，以及所述导电层与所述平板 被分离。在此情况下，导电层的平面度提高。因此，可以在燃料电池用导 电多孔体和膜电极组件之间获得足够的接触表面积，而不用向导电多孔体 施加压力。结果，在燃料电池用导电多孔体和膜电极组件之间的接触电阻 减小，而不会改变导电多孔体的内部状态。并且，因为导电多孔体的一部 分被埋入导电层中，所以在导电多孔金属体和导电层之间获得了低的接触 电阻。结果，提高了燃料电池的发电效率。
在上述结构中，所述平板的上表面的平面度为10/mi或更小。在此情 况下，在燃料电池用导电多孔体和导电层之间获得了足够的接触表面积。 并且，因为膜电极组件和导电层之间的表面压力基本均匀，所以抑制了膜 电极组件上的压力局部集中。结果，除了防止了对膜电极组件的损伤，还 提高了膜电极组件的耐久性。在上述结构中，所述导电多孔体可以是多孔 金属体，所述多孔金属体可以是发泡烧结金属体。
根据本发明的一种制造燃料电池的方法的特征在于包括根据上述制
造方法中的任意一种方法制造燃料电池用导电多孔体；以及将所述导电多 孔体层叠到膜电极组件上，在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在质子 导电性电解质膜的两个表面上，并且所述导电层和所述催化剂层中的至少 一者被布置成相对，换句话说，将所述导电多孔体层叠到膜电极组件上， 在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在质子导电性电解质膜的每一侧 上，使得所述导电层被设置在所述催化剂层中的至少一者上并与其接触或 者不接触。在该制造方法中，所述燃料电池用导电多孔体被层叠到膜电极 组件上，在所述膜电极组件中，催化剂层分别被形成在质子导电性电解质 膜的两侧上，使得所述导电层被设置在所述催化剂层中的至少一者上并与 其接触或者不接触。在此情况下，在燃料电池用导电多孔体和催化剂层之 间获得了足够的接触表面积，而不用向导电多孔体施加压力。结果，接触 电阻减小，而不会改变导电多孔体的内部状态。此外，燃料电池的发电效率提高。
在上述结构中，所述导电层可以相对于所述膜电极组件具有疏水性。 在此情况下，在膜电极组件处由发电产生的水以高的效率被排放到多孔金 属体侧。结果，抑制了膜电极组件处发电产生的水的滞留。此外，抑制了 燃料电池发电效率的降低。
根据本发明的另一种制造燃料电池的方法的特征在于包括根据上述 制造方法中的任意一种方法制造燃料电池用导电多孔体；以及将所述导电 多孔体层叠到膜电极组件上，在所述膜电极组件中，催化剂层和气体扩散 层被依次形成在质子导电性电解质膜的两侧，使得所述导电层中的至少一 者与所述气体扩散层相对，换句话说，将所述导电多孔体层叠到膜电极组 件上，在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在质子导电性电解质膜的每 一侧上，且气体扩散层被形成在催化剂层的每一者上，使得所述导电层中 的至少一者被设置在所述气体扩散层上并与其接触或者不接触。在根据本 发明的此制造燃料电池的方法中，燃料电池用导电多孔体被层叠到膜电极 组件上，在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在质子导电性电解质膜的 每一侧上，且气体扩散层被形成在催化剂层的每一者上，使得所述导电层 中的至少一者被设置在所述气体扩散层上并与其接触或者不接触。在此情 况下，在燃料电池用导电多孔体和气体扩散层之间获得了足够的接触表面 积，而不用向导电多孔体施加压力。结果，接触电阻减小，而不会改变导 电多孔体的内部状态。此外，燃料电池的发电效率提高。
在上述结构中，所述导电层可以相对于所述气体扩散层具有亲水性。 在此情况下，气体扩散层抑制了随着发电排放的水到膜电极组件的逆流。 结果，抑制了膜电极组件处发电产生的水的滞留。此外，抑制了燃料电池 发电效率的降低。
根据本发明，可以减小与膜电极组件的接触电阻，而不会引起内部状 态的变化。


参考附图，根据以下对优选实施例的说明，本发明的上述和/或者其他目的、特征和优点将变得清楚，在附图中，相似标号用于表示相似元件， 并且其中-
图1是根据本发明的第一实施例的燃料电池的示意性剖视图2A到图2G是用于描述根据本发明的第一实施例的燃料电池的制造
方法的制造流程图3是根据本发明的第二实施例的燃料电池的示意性剖视图4A到图4E是用于描述根据本发明的第二实施例的燃料电池的制造
方法的制造流程图5是根据本发明的第三实施例的燃料电池的示意性剖视图6A和图6B是用于描述根据本发明的第三实施例的燃料电池的制造
方法的制造流程图；以及
图7是根据本发明的第四实施例的燃料电池的示意性剖视图。
具体实施例方式
在下面的描述中，将以示例性实施例更详细描述本发明。 图1是根据本发明的第一实施例的燃料电池100的示意性剖视图。如 图1所示，燃料电池100包括膜电极组件(MEA) 10，疏水层20， 30，多 孔体层40， 50以及分离器60， 70。 MEA 10由电解质层11和催化剂层 12， 13形成。电解质层11例如由具有质子导电性的固体聚合物制成。催 化剂层12， 13例如由担载铂的碳制成。催化剂层12， 13中包含的铂被用 作催化剂，用于将氢转换为质子并且用于使得质子与氧反应。催化剂层 12， 13形成在电解质层11的每一侧上。
疏水层20， 30由诸如PTFE (聚四氟乙烯)、碳等的材料制成，并具 有疏水性、导电性和透气性。为了提高疏水层20， 30的疏水性、导电性 和透气性，优选的是，碳纳米管被用于疏水层20， 30。在此情况下，提供 疏水性表示具有90°或更大的接触角。疏水层20， 30的膜厚度例如为约 50/mi。疏水层20， 30被分别形成在催化剂层12， 13上。疏水层20， 30 在MEA 10侧的表面的平面度大于多孔体层40， 50的平面度。疏水层 20， 30在MEA10侧的表面的平面度例如都为10/mi或更小。多孔体层40, 50由发泡烧结金属体等的导电体制成。多孔体层40， 50充当用于气体流动的气体流动通道，并且充当用于向催化剂层供应气体 的气体扩散层。在本实施例中，钛发泡烧结金属体被用作多孔体层40， 50。例如，多孔体层40， 50的膜厚度为约0.5 /mi，多孔体层40， 50的平 均孔径为约0.05 mm至lj 1 mm，粒子之间的平均孔径为约0.1 ;mi到40 ^m，并且孔隙比为约40%到99%。多孔体层40， 50可以通过刮粉刀方法 等来制造。多孔体层40， 50分别被形成在疏水层20， 30上。
多孔体层40的下表面侧的一部分被包埋和固定到疏水层20中。优选 地，多孔体层40的下表面侧的一部分被埋入疏水层20中，达到在多孔体 层40的下表面和疏水层20的上表面之间不存在间隙的程度。多孔体层50 的上表面侧的一部分被包埋和固定到疏水层30中。优选地，多孔体层50 的上表面侧的一部分被埋入疏水层30中，达到在多孔体层50的上表面和 疏水层30的下表面之间不存在间隙的程度。
分离器60， 70由诸如不锈钢等的导电材料制成。分离器60， 70被分 别形成在多孔体层40， 50上。分离器60， 70的膜厚度例如为约0.3 mm。 虽然为了简化描述，在图1示出了一个单电池，但是在实际的燃料电池 中，多个这样的单电池被层叠。
下面将描述燃料电池100的操作。首先，包含氢的燃料气体被供应到 多孔体层50。燃料气体流经多孔体层50的内部，透过疏水层30，并且到 达催化剂层13。到达催化剂层13的燃料气体中所包含的氢被分成质子和 电子。质子通过电解质层ll传导，到达催化剂层12。
包含氧的氧化剂气体被供应到多孔体层40。氧化剂气体流经多孔体层 40的内部，透过疏水层20，并且到达催化剂层12。由到达催化剂层12的 氧化剂气体中所包含的氧和质子产生水并发电。所产生的电力由分离器 60， 70回收。通过这样的操作，燃料电池100发电。
伴随发电所产生的发电产物水透过疏水层20，并到达多孔体层40。 因为疏水层20具有疏水性，所以发电水以高的效率被排放到多孔体层40 侧。结果，发电产物水在催化剂层12处的滞留被抑制。同样，在疏水层 30侧的水以高的效率被排放。结果，可以抑制燃料电池IOO发电效率的降低。由于氧化剂气体的流动压力，所以已经到达多孔体层40的发电产物 水沿氧化剂气体的流动方向流动。通过上述措施，在燃料电池100中，发 电产物水被高效地排放。
在根据本实施例的燃料电池100中，因为疏水层20， 30在MEA 10侧 的表面的平面度较高，所以疏水层20， 30和MEA10之间的接触表面积增 大。因此，疏水层20， 30和MEA10之间的接触电阻减小。结果，燃料电 池IOO的发电效率被提高。并且，因为疏水层20， 30和MEA10之间的表 面压力是基本均一的，所以防止了 MEA IO上的压力局部集中。结果，防 止对MEA10的损伤，并且提高了MEA10的耐久性。
在多孔体层40， 50中，通常存在由多孔体层40， 50的制造方法导致 的表面不平坦性。因为多孔体层40被埋入疏水层20中，可以在多孔体层 40和疏水层20之间获得足够的接触表面积，而不用向多孔体层40施加压 力。特别地，如果在多孔体层40和疏水层20之间不存在间隙，则接触表 面积被进一步增大。结果，多孔体层40和疏水层20之间的接触电阻被减 小。结果，燃料电池100的发电效率被提高。
如果在多孔体层40和疏水层20之间获得了足够的表面接触面积，伴 随发电产生的热变得容易到达多孔体层40。这对于多孔体层50和疏水层 30之间同样适用。因此，可以以高的效率冷却燃料电池100。此外，因为 多孔体层40被预先埋入疏水层20中，所以防止了燃料气体中或氧化剂气 体中所包含的飞尘等附着到多孔体层40和疏水层20之间的接触点。结 果，在多孔体层40和疏水层20之间维持了低的接触电阻。这对于多孔体 层50和疏水层30之间同样适用。
因为不必向具有不平坦性的表面的多孔体层40， 50施加压力，所以 防止了对MEA 10施加局部集中的压力。结果，防止了对MEA 10的损 伤，并且提高了MEA10的耐久性。并且，因为不必向多孔体层40， 50施 加压力，所以可以抑制多孔体层40， 50的变形。结果，可以抑制多孔体 层40， 50透气性和排水性的下降。
在此情况下，通常制造具有高平面度的多孔体层的成本极高，并且难 以控制品质。这是因为为了提高多孔体层的平面度，必须进行对多孔体层的二次加工，诸如抛光或研磨。并且，当进行二次加工时，存在多孔体层 的表面或内部形状发生变化的可能性。然而，根据本实施例的结构，即使
不使用具有高平面度的多孔体层，在多孔体层和MEA之间也可以获得足
够的接触表面积，并且多孔体层的内部状态不会变化。结果，生产成本被 减小，并且便于进行品质控制。
下面将描述制造燃料电池100的方法。图2A到图2G是用于描述制造 燃料电池100的方法的制造流程图。首先，如图2A所示，浆料形式的疏 水剂201被施加到模具202上。浆料状的PTFE或碳等可以被用作疏水剂 201。优选使用具有良好脱模性和约10/mi的平面度的模具202。例如，可 以使用PTFE。
接着，如图2B所示，使用筛片(screening)等来调节疏水剂201的 膜厚。此外，在使用具有低的挥发性的材料作为疏水剂201的情况下，可 以用一段时间来调节疏水剂的膜厚。因此，即使没有通过筛片等调节膜 厚，也可以通过将预定量的疏水剂倒入具有预定体积的模具中来调节疏水 剂的膜厚。
接着，如图2C所示，多孔体层40被布置在疏水剂201上，使得多孔 体层40的下表面侧的一部分浸入疏水剂201中。在此情况下，优选地， 将多孔体层40朝向疏水剂201推挤，使得多孔体层40的下表面和疏水剂 201的上表面之间不存在间隙。此外，因为多孔体层40由金属制成，所以 其较之浆料状的疏水剂201更难以变形。因此，即使在将多孔体层40朝 向疏水剂201推挤的情况下，不必进行使得浆料状的疏水剂201的粘度变 低的调节。
接着，如图2D所示，疏水剂201被干燥，并且疏水剂201的多余部 分被切掉。经干燥的疏水剂201对应于图1中的疏水层20。接着，如图 2E所示，从模具取下疏水剂201和多孔体层40。疏水层30和多孔体层50 可以通过与图2A到图2E所示的相同方法制造。
接着，如图2F所示，将疏水层20， 30分别布置在MEA IO的两侧， 并且将多孔体层40， 50分别布置在疏水层20， 30上。接着，如图2G所 示，将分离器60， 70分别布置在多孔体层40， 50上。上述工艺步骤完成了燃料电池100。
根据图2A到图2G所示的制造方法，因为多孔体层40被浸入疏水剂 201中，所以在多孔体层40和经干燥的疏水层20之间获得了足够的接触 表面积，而不用向多孔体层40施加压力。特别地，如果在多孔体层40和 疏水剂201之间不存在间隙，则可以获得进一步增大的接触表面积。因 此，保持了多孔体层40和疏水层20之间的低的接触电阻。同样，保持了 多孔体层50和疏水层30之间的低的接触电阻。
因为在多孔体层40和疏水层20之间获得了足够的接触表面积，所以 不需要为了减小接触电阻而向多孔体层40施加压力。这同样适用于多孔 体层50。结果止了将局部集中的压力施加到MEA 10。此外，防止了 对MEA IO的损伤，并提高了 MEA IO的耐久性。另外，可以抑制多孔体 层40， 50的变形。通过抑制多孔体层40， 50的变形，可以抑制多孔体层 40， 50的透气性和排水性能的下降。还可以在不使用具有高的平面度的多 孔体层的情况下实现本发明的效果。结果，可以降低生产成本，并且便于 进行品质控制。
如果疏水层20， 30在MEA IO侧的平面度提高，则疏水层20， 30和 MEA IO之间的接触电阻降低。疏水层20， 30和MEA IO之间的表面压力 基本均一。结果，防止了向MEA IO施加局部集中的压力。此外，防止了 对MEA10的损伤，并提高了MEA10的耐久性。
虽然上述实施例使用钛发泡烧结金属体作为多孔体层40， 50，但是对 此并没有限制。例如，可以使用具有良好的耐腐蚀性的诸如不锈钢或镍等 的金属烧结体。还可以使用金属碳化物被均匀地分散在其中的金属发泡 体。例如，可以使用其中Cr碳化物或FeCr碳化物等被均匀分散在不锈钢 中的金属发泡体。
在本实施例中，多孔体层40， 50对应于导电多孔体层和多孔金属 体，疏水层20， 30对应于导电层，多孔体层40和疏水层20或者多孔体层 50和疏水层30对应于燃料电池用导电多孔体，疏水剂201对应于导电浆 料，并且模具202对应于平板。 '
下面将描述根据本发明的第二实施例的燃料电池100a。图3是燃池100a的示意性剖视图。如图3所示，燃料电池100a与第一实施例的燃 料电池100的不同之处在于，亲水层80被形成在多孔体层40的分离器60 侧，以及亲水层90被形成在多孔体层50的分离器70侧。燃料电池100a 的其它构造元件与燃料电池100的相同。与第一实施例中的相同的地方用 相同的标号标记，并且在此不对其进行描述。
亲水层80， 90由其中氧化硅或氧化钛等与PTFE混合的亲水材料制 成，并具有导电性和气体扩散性。在此情况下，具有疏水性表示具有小于 90°的接触角。亲水层80， 90的膜厚度例如为约50 /mi。亲水层80在分 离器60侧的表面和亲水层90在分离器70侧的表面被形成为其平面度为 10 /mi或更小。多孔体层40的上表面侧的一部分被包埋和固定在亲水层 80中，并且优选地，多孔体层40的上表面侧的一部分被埋入和固定在亲 水层80中，使得在多孔体层40的上表面和亲水层80之间不存在间隙。同 样地，多孔体层50的下表面侧的一部分被埋入亲水层90中。
在根据本实施例的燃料电池100a中，在亲水层80和分离器60之间以 及在亲水层90和分离器70之间获得了大的接触表面积。结果，在燃料电 池100a中实现了高的发电效率。接触表面积越大，伴随MEA10处的发电 反应产生的热越容易传递到分离器60， 70。结果，可以更高效地冷却燃料 电池100a。
在本实施例中，因为多孔体层40被预先埋入亲水层80中，所以防止 了燃料气体中和氧化剂气体中所包含的飞尘等附着到多孔体层40和亲水 层80之间的接触点。因此，在多孔体层40和亲水层80之间维持了低的接 触电阻。这对于多孔体层50和亲水层90之间同样适用。并且，因为亲水 层80的亲水性，所以已经透过疏水层20的发电产物水可以以高的效率被 排放到分离器60侦ij。同样，疏水层30侧的水以高的效率被亲水层90排 放。
图4A到图4E是用于描述制造燃料电池100a的方法的制造流程图。 首先，如图4A所示，在模具204上制备被调节到预定厚度的浆料状的亲 水物质203，并且制备如图2E中所制造的疏水层20和多孔体层40。模具 204的平面度优选与图2的模具202的平面度相同。可以使用包含桨料状的氧化硅或氧化钛等的PTFE、 SBR (丁苯橡胶)或碳等作为亲水物质 203。
接着，如图4B所示，多孔体层40被布置在亲水物质203上，使得多 孔体层40的与疏水层20相反的一侧上的一部分浸入亲水物质203中。在 此情况下，优选地，将多孔体层40朝向亲水物质203推挤，使得多孔体 层40和亲水物质203之间不存在间隙。接着，如图4C所示，亲水物质 203被干燥，并且亲水物质的多余部分被切掉。经干燥的亲水物质203对 应于图3中的亲水层80。亲水层90和多孔体层50可以通过与图4A到图 4C所示的相同方法制造。
接着，如图4D所示，将疏水层20， 30分别布置在MEA IO的两侧， 将多孔体层40， 50分别布置在疏水层20， 30上，并且将亲水层80， 90分 别布置多孔体层40， 50上。接着，如图4E所示，将分离器60， 70分别 布置在亲水层80， 90上。上述工艺步骤完成了燃料电池100a。
根据图4A到图4E所示的制造方法，因为多孔体层40被浸入亲水物 质203中，所以在多孔体层40和经干燥的亲水层80之间获得了足够的接 触表面积，而不用向多孔体层40施加压力。特别地，如果在多孔体层40 和亲水层80之间不存在间隙，则可以进一步增大接触表面积。因此，多 孔体层40和亲水层80之间的接触电阻被减小。同样，多孔体层50和亲水 层980之间的接触电阻被减小。
在本实施例中，多孔体层40，疏水层20和亲水层80，或者多孔体层 50，疏水层30和亲水层90对应于燃料电池用导电多孔体，亲水层80， 90 对应于导电层，亲水物质203对应于导电浆料，并且模具204对应于平 板。
下面将描述根据本发明的第三实施例的燃料电池100b。图5是燃料电 池100b的示意性剖视图。如图5所示，燃料电池100b与第一实施例的燃 料电池IOO的不同之处在于，设置MEA 10b来代替MEA 10，设置亲水层 21来代替疏水层20，设置亲水层31来代替疏水层30。 MEA 10b与MEA 10的不同之处在于，气体扩散层14， 15分别被设置在催化剂层12， 13 上。燃料电池100b的其它构造元件与燃料电池100的相同。与第一实施例中的相同的地方用相同的标号标记，并且在此不对其进行描述。
气体扩散层14， 15由例如包含碳纤维或PTFE的碳纸或碳布制成，并 具有疏水性、导电性和透气性。气体扩散层14， 15的膜厚度例如为约150 /mi。亲水层21， 31由其中氧化硅或氧化钛等与PTFE混合的亲水材料制 成，并具有导电性和气体扩散性。亲水层21， 31的膜厚度例如为约50
多孔体层40的下表面侧的一部分被包埋和固定到亲水层21中。优选 地，多孔体层40的下表面侧的一部分被埋入亲水层21中，达到在多孔体 层40的下表面和亲水层21的上表面之间不存在间隙的程度。多孔体层50 的上表面侧的一部分被包埋和固定到亲水层31中。优选地，多孔体层50 的上表面侧的一部分被埋入亲水层31中，达到在多孔体层50的上表面和 亲水层31的下表面之间不存在间隙的程度。亲水层21， 31可以由与图2 所示的亲水层20， 30相同的形成方法来制造。
在本实施例中，因为气体扩散层14具有疏水性并且亲水层21具有亲 水性，所以发电产物水以高的效率被排放到亲水层21侧。结果，发电产 物水在催化剂层12中的滞留被抑制。同样，在气体扩散层15侧的水以高 的效率被抽吸到亲水层31。结果，可以抑制燃料电池IOO发电效率的降 低。
图6A到图6B是用于描述制造燃料电池100b的方法的制造流程图。 如图6A所示，布置亲水层21和多孔体层40，亲水层31和多孔体层50， 以及MEA10b，使得亲水层21， 31分别被形成在MEA 10b两侧。接着， 如图6B所示，分离器60， 70分别被布置在多孔体层40， 50上。上述工 艺步骤完成了燃料电池100b。
下面将描述根据本发明的第四实施例的燃料电池100c。图7是燃料电 池100c的示意性剖视图。燃料电池100c与图5中的根据第三实施例的燃 料电池100b的不同之处在于，亲水层80c被形成在多孔体层40的分离器 60侧，以及亲水层90c被形成在多孔体层50的分离器70侧。燃料电池 100c的其它构造元件与燃料电池100b的相同。与第三实施例中的相同的 地方用相同的标号标记，并且在此不对其进行描述。亲水层80c， 90c由其中氧化硅或氧化钛等与SBR混合的亲水材料制 成，并具有导电性和气体扩散性。亲水层80c的亲水性被设成大于亲水层 21的亲水性，并且亲水层90c的亲水性被设成大于亲水层31的亲水性。
在本实施例中，因为气体扩散层14具有疏水性并且亲水层21具有亲 水性，所以发电产物水以高的效率被排放到亲水层21侧。此外，因为亲 水层80c的亲水性大于亲水层21的亲水性，所以来自亲水层21的水被吸 引到亲水层80c中。结果，发电产物水在MEA 10b中的滞留被抑制。并 且，可以抑制燃料电池100c发电效率的降低。同样，在气体扩散层15 侧，水以高的效率被亲水层31和亲水层90c排放。
多孔体层40，亲水层21和亲水层80c，或者多孔体层50，亲水层31 和亲水层90c都对应于燃料电池用导电多孔体，
虽然参考本发明的示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发 明不限于这些示例性实施例或结构。相反，本发明意在覆盖各种修改和等 同布置。此外，虽然以作为示例的各种组合和构造示出了示例性实施例的 各种元件，但是包括更多、更少或仅仅一个元件在内的其它组合和构造也 落入本发明的精神和范围中。
权利要求
1.一种燃料电池用导电多孔体，其特征在于包括多孔金属体；以及导电层，其布置在所述多孔金属体的一个表面侧上并且具有透气性，其中所述多孔金属体的所述一个表面的至少一部分埋入所述导电层的一个表面侧中，以及所述导电层的所述多孔金属体没有埋入其中的另一表面侧的平面度高于所述多孔金属体的所述一个表面侧的平面度。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池用导电多孔体，其中 所述多孔金属体被埋入所述导电层中，达到与所述导电层不存在间隙的程度。
3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用导电多孔体，其中 所述导电层的所述一个表面侧的平面度为10/mi或更小。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池用导电多孔体，其中 所述多孔金属体是发泡烧结金属体。
5. —种燃料电池，其特征在于包括根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池用导电多孔体，以及膜 电极组件，在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在电解质膜的两个表面 上，并且所述催化剂层中的至少一者与所述燃料电池用导电多孔体的一个 表面被布置成相对。
6. —种燃料电池，其特征在于包括根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池用导电多孔体，以及膜 电极组件，在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在电解质膜的每一侧 上，并且所述导电多孔体被设置在所述催化剂层中的至少一者上并与其接 触或者不接触。
7. 根据权利要求5或6所述的燃料电池，其中 所述导电层具有疏水性。
8. —种燃料电池，其特征在于包括-根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池用导电多孔体；以及 膜电极组件，其中，催化剂层和气体扩散层被依次形成在电解质膜的两侧上，并且其中，所述气体扩散层中的至少一者与所述燃料电池用导电多孔体的一个表面侧被布置成相对。
9. 一种燃料电池，其特征在于包括-根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池用导电多孔体；以及 膜电极组件，其中，催化剂层被形成在电解质膜的每一侧上，气体扩散层被形成在每一个所述的催化剂层上，并且所述导电多孔体被设置在所述气体扩散层中的至少一者上并与其接触或者不接触。
10. 根据权利要求8或9所述的燃料电池，其中 所述导电层具有亲水性。
11. 一种制造燃料电池用导电多孔体的方法，其特征在于包括 将导电浆料布置在平板上到预定厚度；将导电多孔体层叠到所述导电浆料上； 干燥所述导电浆料，并且形成具有透气性的导电层；以及 将所述导电层与所述平板分离。
12. 根据权利要求11所述的制造燃料电池用导电多孔体的方法，其中 所述平板的上表面的平面度为10/mi或更小。
13. 根据权利要求11或12所述的制造燃料电池用导电多孔体的方 法，其中所述导电多孔体是多孔金属体。
14. 根据权利要求11至13中任一项所述的制造燃料电池用导电多孔 体的方法，其中所述多孔金属体是发泡烧结金属体。
15. —种制造燃料电池的方法，其特征在于包括用根据权利要求11至14中任一项所述的制造方法制造燃料电池用导 电多孔体；以及将所述导电多孔体层叠到膜电极组件上，在所述膜电极组件中，催化剂层被形成在质子导电性电解质膜的两个表面上，所述导电层与所述催化 剂层中的至少一者相对。
16. —种制造燃料电池的方法，其特征在于包括用根据权利要求11至14中任一项所述的制造方法制造燃料电池用导 电多孔体；以及将所述导电多孔体层叠到膜电极组件上，在所述膜电极组件中，催化 剂层被形成在质子导电性电解质膜的每一侧上，使得所述导电层被设置在 所述催化剂层中的至少一者上并与其接触或者不接触。
17. 根据权利要求15或16所述的制造燃料电池的方法，其中所述导电层具有疏水性。
18. —种制造燃料电池的方法，其特征在于包括用根据权利要求11至14中任一项所述的制造方法制造燃料电池用导 电多孔体；将所述导电多孔体层叠到膜电极组件上，在所述膜电极组件中，催化 剂层和气体扩散层被依次形成在质子导电性电解质膜的两侧上，使得所述 导电层中的至少一者与所述气体扩散层相对。
19. 一种制造燃料电池的方法，其特征在于包括用根据权利要求11至14中任一项所述的制造方法制造燃料电池用导 电多孔体；将所述导电多孔体层叠到膜电极组件上，在所述膜电极组件中，催化 剂层被形成在质子导电性电解质膜的每一侧上，并且气体扩散层被形成在 每一个所述的催化剂层上，使得所述导电层中的至少一者被设置在所述气 体扩散层上并与其接触或者不接触。
20. 根据权利要求18或19所述的制造燃料电池的方法，其中 所述导电层具有亲水性。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池用导电多孔体，其具有多孔金属体(40，50)；以及导电层(20，30)，其布置在所述多孔金属体(40，50)的一个表面侧上并且具有透气性，其中所述多孔金属体(40，50)的所述一个表面的至少一部分埋入所述导电层(20，30)的一个表面侧中，以及所述导电层(20，30)的所述多孔金属体(40，50)没有埋入其中的另一表面侧的平面度高于所述多孔金属体(40，50)的所述一个表面侧的平面度。在多孔金属体(40，50)和膜电极组件(10)之间获得足够的接触表面积，而不用向(40，50)施加压力。因此，可以实现与膜电极组件(10)低的接触电阻，而不会改变多孔金属体(40，50)的内部状态。
文档编号H01M8/02GK101317292SQ200680044174
公开日2008年12月3日 申请日期2006年11月23日 优先权日2005年11月24日
发明者大竹康贵 申请人:丰田自动车株式会社