[發明專利]燃料電池和用于燃料電池的電解質層

無效

• 申請號: 200680048007.4
• 申請日: 2006-12-20
• 公開（公告）號: CN101341615A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 吉年信雄
• 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: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 蔡勝有;顧晉偉

技術領域

本發明涉及聚合物電解質燃料電池和包含在該聚合物電解質燃料電池中的電解質層。

背景技術

作為電解質層包括在聚合物電解質燃料電池中的固體聚合物電解質膜在濕狀態下具有高的質子電導率。在包括固體聚合物電解質膜的燃料電池中，隨著電化學反應的進行，在一個電極(更具體而言是陰極)上產生液態水。在這種聚合物電解質燃料電池中產生的液態水或供應至這種聚合物電解質燃料電池的反應氣體中所含的水蒸氣可能引起各種問題。例如，在電解質膜上形成的電極附近的水的冷凝可能干擾對電極的平穩氣體供應，不期望地降低電池性能。一種建議的防止冷凝水干擾平穩氣流的結構在燃料電池內(例如在氣體分離器的表面上)提供親水涂層例如蛋白質涂層，以防止水的累積。

然而，在這種建議的在燃料電池內防止液態水累積并確保平穩氣流的結構中，可能存在由液態水在低溫條件下的結冰引起的問題。例如，在0℃以下的低溫條件下啟動燃料電池時，隨發電進行而產生的水可能在電解質膜內結冰。在電解質膜內結冰的水干擾電解質膜中的質子遷移，由此阻礙連續發電。用于燃料電池發電的電化學反應產生熱量并逐漸升高燃料電池的溫度。然而，在開始發電后電解質膜內的水立即結冰，這干擾連續發電，并阻止燃料電池升溫。就是說，水的結冰干擾燃料電池的平穩啟動。

發明內容

為解決現有技術結構中所出現問題的至少一部分，需要防止由液態水在低溫條件下的結冰導致的燃料電池啟動性能劣化。

本發明的一個方面涉及一種燃料電池，所述燃料電池包括插在一對電極之間并構建為包含聚合物電解質和防止由液態水生長為冰晶體的防凍蛋白質的離子導電電解質層。

在導致液態水結冰的低溫條件下啟動燃料電池時，電解質層中防凍蛋白質的存在有效防止電解質層中的水結冰。這種布置有利地防止由電解質層中的水結冰引起的質子電導率降低，并確保燃料電池甚至在低溫條件下的平穩啟動和連續發電。這種布置還有效保護電解質層不被水的結冰損害。

本發明的技術不限于本發明上述方面中的燃料電池，而是還通過多種其它方面來實現，例如這種燃料電池的制造方法和在低溫條件下啟動燃料電池時包含在這種燃料電池中的電解質層的防凍方法。

附圖說明

圖1是示意性示出單電池10的結構的截面圖；

圖2顯示電解質層20的一般制造方法；

圖3是示意性示出第二實施方案中的燃料電池的結構的截面圖；和

圖4是示意性示出第三實施方案中的燃料電池的結構的截面圖。

具體實施方式

下文參照附圖并作為優選實施方案來描述實施本發明的一些方面。

A.燃料電池的結構

圖1是示例性示出本發明第一實施方案中作為燃料電池單元的單電池10的結構的截面圖。單電池10包括電解質層20、在電解質層20的相應面上作為催化劑電極形成的陽極21和陰極22、跨越在其上形成有催化劑電極的電解質層20布置的一對氣體擴散層23和24、和布置在相應氣體擴散層23和24外側的一對氣體分離器25和26。

該實施方案的燃料電池是聚合物電解質燃料電池。例如，電解質層20由具有全氟磺酸基團并在濕狀態下顯示出良好質子電導率的氟樹脂制成。在該實施方案的結構中，電解質層20還包括均勻分散于其內的防凍蛋白質。在下文中將詳細描述包含于電解質層20中的防凍蛋白質。

每個陽極21和陰極22均含有催化劑金屬，例如鉑或鉑合金。氣體擴散層23和24由透氣性導電材料制成，例如碳紙、碳布、金屬網、或金屬泡沫。該實施方案的氣體擴散層23和24都是具有平坦表面的板構件。氣體擴散層23和24允許待進行電化學反應的各種反應氣體通過，同時充當集電器。

氣體分離器25和26由透氣性導電材料制成，例如由壓制的碳或不銹鋼制成。氣體分離器25和26具有預設的凹凸結構。該凹凸結構限定在氣體分離器25和氣體擴散層23之間形成的用于含氫燃料氣體流的單電池內燃料氣體流動路徑27，同時限定在氣體分離器26和氣體擴散層24之間形成的用于含氧氧化氣體流的單電池內氧化氣體流動路徑28。