[發(fā)明專利]燃料電池

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680004046.4
• 申請日: 2006-02-03
• 公開（公告）號: CN101116208A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 中西治通;村田成亮;今西雅弘;田村佳久
• 申請（專利權(quán)）人: 豐田自動(dòng)車株式會(huì)社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/10;H01M8/24
• 代理公司: 北京東方億思知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王安武

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及包含電池模塊組件的燃料電池，其中分別具有中空狀電解質(zhì)膜的兩個(gè)或更多個(gè)所述電池模塊被一體地固定。

背景技術(shù)

燃料電池向相互電連接的兩個(gè)電極分別供給燃料和氧化劑，以引起燃料的電化學(xué)氧化，使得化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。因?yàn)榕c熱能發(fā)電不同，其不受卡諾循環(huán)的限制，所以表現(xiàn)出高的能量轉(zhuǎn)化效率。固體聚合物電解質(zhì)燃料電池是使用固體聚合物電解質(zhì)膜作為電解質(zhì)的燃料電池，其具有例如如下優(yōu)點(diǎn)：容易減小尺寸或可在低溫下操作，因此，其在便攜或移動(dòng)產(chǎn)品用電源的應(yīng)用方面引起了人們的興趣。

在固體聚合物電解質(zhì)燃料電池中，如果氫用作燃料，則陽極進(jìn)行方程式(1)的反應(yīng)。

方程式(1)：H₂→2H⁺+2e^-

在方程式(1)中產(chǎn)生的電子流過外部電路，以對外部負(fù)載做功，此后到達(dá)陰極。在方程式(1)中產(chǎn)生的質(zhì)子與水水合，通過電滲從陽極側(cè)穿過固體聚合物電解質(zhì)膜移動(dòng)到陰極側(cè)，同時(shí)所述質(zhì)子處于水合狀態(tài)。

另一方面，如果氧被用作氧化劑，陰極進(jìn)行方程式(2)的反應(yīng)。

方程式(2)：2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O

在陰極產(chǎn)生的水主要穿過氣體擴(kuò)散層，并被排出到外部。

因此，燃料電池除了水之外不排出其它產(chǎn)物，其是用于發(fā)電的清潔設(shè)備。

現(xiàn)在被主要開發(fā)的常規(guī)固體聚合物電解質(zhì)燃料電池是具有燃料電池堆的燃料電池，所述燃料電池堆通過將多個(gè)平面型電池單元進(jìn)行層疊而獲得，其中，所述平面型電池單元通過如下方法來制造：將作為陽極的和陰極的催化層分別布置在平面狀固體聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上和另一個(gè)表面上，再將氣體擴(kuò)散層分別布置在所得的平面狀膜電極組件的兩側(cè)上，然后將其置于平面狀的隔離物之間。

為了提高固體聚合物電解質(zhì)燃料電池的功率密度，具有非常薄的膜厚度的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜被用作固體聚合物電解質(zhì)膜。膜厚度通常為100μm或者更小，并且雖然更薄的電解質(zhì)膜被用于提高功率密度，但是電池單元的厚度不能被極端地減小到常規(guī)厚度以下。類似地，催化層、氣體擴(kuò)散層、隔離物等也發(fā)生厚度減小。但是，即使將所有構(gòu)件的厚度減小，每單位體積的功率密度的提高也是有限的。因此，對于進(jìn)一步的尺寸減小的要求可能得不到滿足。

作為上面提高的隔離物，通常使用的是具有優(yōu)異的耐腐蝕性的片狀碳材料。碳材料本身很昂貴。此外，隔離物的表面常常要進(jìn)行精細(xì)加工，用于形成將作為氣體通道的溝槽，以便在平面狀膜電極組件的整個(gè)面上均一地供應(yīng)燃料氣體和氧化氣體。因此，由于這樣的精細(xì)加工，隔離物變得過分昂貴，并且提高了燃料電池的制造成本。

除了上述的問題之外，平面型電池單元還具有許多問題，諸如：對于被層疊的多個(gè)電池單元的周邊的安全密封(為了防止燃料氣體和氧化氣體從上述的氣體通道泄漏)在技術(shù)上是困難的；由于平面狀膜電極組件的扭曲或變形而導(dǎo)致發(fā)電效率下降。

最近，已經(jīng)開發(fā)了其發(fā)電的基本單元為電池模塊(其中電極被分別布置再中空電解質(zhì)膜的孔側(cè)和殼側(cè))的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池(參見例如日本專利申請?zhí)亻_(JP-A)No.Hei?9-223507，JP-A?No.2002-158015，JP-A?No.2002-260685和JP-A?No.2002-289220)。

具有這樣的中空狀電池模塊的燃料電池不需要相當(dāng)于諸如在平面型燃料電池中所使用的隔離物的構(gòu)件。此外，因?yàn)橥ㄟ^對其孔側(cè)和殼側(cè)分別供料不同類型的氣體，所以不必要特意形成氣體通道。因此，其制造工藝據(jù)估計(jì)降低了制造成本。此外，因?yàn)殡姵啬K具有三維形狀，所以較之平面型電池單元，其可以增大相對于體積的比表面積，由此預(yù)期可以提高單位體積的輸出功率密度。

通常，電池模塊組件以如下方式形成：將適當(dāng)數(shù)量的中空狀電池模塊被排列成每一個(gè)電池模塊的縱向保持平行并且相隔預(yù)定距離，使得反應(yīng)氣體可以被均勻和順暢地供應(yīng)到電池模塊周圍；多個(gè)電池模塊被一體地固定；建立分別從電池模塊的陽極和陰極的功率收集。一個(gè)電池模塊組件，或者如果需要的話，兩個(gè)或者更多電池模塊組件被串聯(lián)或并聯(lián)連接，并且安裝在燃料電池中。

為了在電池模塊組件之間獲得優(yōu)異的傳導(dǎo)性，理想的是，增大保持接觸的電池模塊組件的接觸面積，簡化連接電池模塊組件的結(jié)構(gòu)。