[發明專利]燃料電池用中空狀膜電極組件以及中空型燃料電池

有效

• 申請號: 200680004179.1
• 申請日: 2006-02-03
• 公開（公告）號: CN101116209A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發明（設計）人: 村田成亮;中西治通;今西雅弘;田村佳久
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 王安武

技術領域

本發明涉及燃料電池用中空狀膜電極組件，其通過形成為中空形狀，實現了成本的降低和尺寸的減小。

本發明還涉及包含這樣的膜電極組件的中空型燃料電池，更具體地涉及能夠提高膜電極組件的熱交換效率的中空型電池。

背景技術

作為傳統的固體聚合物電解質燃料電池(此后，其可被簡稱為燃料電池)，主要開發的是平面狀微電池，其中，所述平面狀微電池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膜的一個表面上和另一個表面上，將氣體擴散層分別布置在所得的平面狀膜電解質組件(一個組件包括電解質膜和兩個電極層)的兩側上，并將該組件置于平面狀的隔離物之間。微電池是燃料電池的最小的發電單元，并且通過將多個這樣的平面狀微電池層疊得到燃料電池疊層。

為了提高固體聚合物電解質燃料電池的功率密度，具有非常薄的膜厚度的質子傳導聚合物膜被用作固體聚合物電解質膜。膜厚度通常為10μm或者更小，并且雖然更薄的電解質膜被用于提高功率密度，但是微電池的厚度不能被極端地減小到常規厚度以下。類似地，催化層、氣體擴散層、隔離物等也發生厚度減小。但是，即使將所有構件的厚度減小，每單位體積的功率密度的提高也是有限的。因此，將來對于緊湊尺寸的要求可能得不到充分滿足。

作為上面提高的隔離物，通常使用的是具有優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行精細加工，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(電解質膜和電極層的組件)的整個面上均一地供應燃料氣體和氧化氣體。因此，由于這樣的精細加工，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，平面狀微電池還具有許多問題，諸如，對于被層疊的多個微電池的周邊的安全密封(為了防止燃料氣體和氧化氣體從上述的氣體通道泄漏)在技術上是困難的；由于平面狀膜電極組件(電解質膜和電極層的組件)的扭曲或變形而導致發電效率下降。

例如，為了減小上述的燃料電池的尺寸并且為了提高每單位體積的用于發電的反應面積(與功率密度相關)，必須對燃料電池的上述所有組成構件進行厚度減小。但是，在具有平面狀結構的傳統燃料電池中，從功能和強度方面來看，將每個構成部件的厚度減小到特定值以下不是優選的并且靠近了器設計極限。例如，存在如下問題，厚度在特定值以下的通用Nafion(產品名，由Dupont制造)具有太高的氣體滲透率，并且產生氣體交叉泄漏而導致發電電壓降低。因此，在具有平面狀結構的傳統燃料電池中，將每單位體積的功率密度提高到一定的水平在結構上是困難的。

因此，人們研究了通過使用中空狀(例如管狀)膜電極組件構成燃料電池，來提高功率密度，其中，電極層等被層疊在用于中空狀微型單元(此后可簡稱為中空狀單元)的中空纖維的內外表面上。較之具有平面狀結構的傳統燃料電池，這樣的中空狀膜電極組件和使用其的中空電池通過緊密地布置大量具有小的直徑的管，可以顯著提高每單位體積的功率密度(參見日本專利申請特開(JP-A)No.2002-124273和JP-A?No.Hei?7(1995)-296840)。

這樣的包括中空狀單元的燃料電池不需要相當于用于平面狀微電池的隔離物的構件，因為電池中的中空起到了氣體通道的作用。而且，因為不同類型的氣體分別被供應到中空狀單元的內表面和外表面上方，所以不必形成額外的氣體通道。因此，可以降低生產成本。此外，因為微電池具有三維形狀，所以較之平面狀微電池，可以增大相對于體積的比表面積，并且預期可以提高單位體積的發電功率密度。

目前，人們進行了各種嘗試來提高這樣的管狀膜電極組件和使用其的中空狀單元的每單位體積的功率密度。

為了獲得期望的輸出電壓和電流，采用中空狀單元的燃料電池具有如下的結構，其中，多個中空狀單元被電連接，并與集電器材料一起制成模塊(一組中空狀單元)，并且兩個或者更多個模塊被串聯和/或并聯。

在這樣的模塊中，與中空狀單元并列地布置足夠數量的熱交換構件(此后，可以簡稱為“冷卻管”)，用于冷卻/加熱中空狀單元。