膜電極組件和燃料電池組的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于燃料電池組中的膜電極組件，并且還涉及一種燃料電池組。
【背景技術】
[0002]日本專利申請公報N0.2012-243630描述了滿足關系T1+T3彡T2+T4、T1〈T2、T3>T4的一種膜電極組件和一種燃料電池組，其中陽極催化劑層在堆疊方向上的厚度被定義為Tl，陰極催化劑層在堆疊方向上的厚度被定義為Τ2，陽極氣體擴散層在堆疊方向上的厚度被定義為Τ3，并且陰極氣體擴散層在堆疊方向上的厚度被定義為Τ4。
【發(fā)明內容】
[0003]然而，已經發(fā)現(xiàn)，在某些情形中難以根據(jù)Τ1+Τ3和Τ2+Τ4的尺寸關系來增強在陰極側上的絕熱。在高溫低濕狀態(tài)下，陽極很可能變得干燥，并且因此期望朝向陽極輸送由陰極產生的生成水。不幸的是，已經發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的構造中，難以加速水從陰極到陽極的轉移。
[0004]本發(fā)明提供能夠與在陽極側上的絕熱相比更大程度地增強在陰極側上的絕熱并且加速水從陰極到陽極的轉移的一種膜電極組件和一種燃料電池組。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面的用在燃料電池組中的膜電極組件包括:電解質膜；陽極催化劑層，該陽極催化劑層被形成在電解質膜的第一表面上；陰極催化劑層，該陰極催化劑層被形成在電解質膜的第二表面上；陽極氣體擴散層，該陽極氣體擴散層被堆疊在陽極催化劑層上；和陰極氣體擴散層，該陰極氣體擴散層被堆疊在陰極催化劑層上。陽極催化劑層、陰極催化劑層、陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層具有每單位厚度相同的絕熱性能。膜電極組件滿足關系Τ1+Τ3〈Τ2+Τ4、ΤΚΤ2和Τ3ΧΓ4中的所有關系，其中，陽極催化劑層在堆疊方向上的厚度被定義為Tl，陰極催化劑層在堆疊方向上的厚度被定義為Τ2，陽極氣體擴散層在堆疊方向上的厚度被定義為Τ3，并且陰極氣體擴散層在堆疊方向上的厚度被定義為Τ4。根據(jù)這個方面，能夠與在陽極側上的絕熱相比更大程度地增強在陰極側上的絕熱并且加速水從陰極到陽極的轉移。
[0006]在以上方面，陽極催化劑層、陰極催化劑層、陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層可以包括碳。決定絕熱的主要因素是碳。陰極催化劑層和陽極催化劑層這兩者均包括攜帶這些層的催化劑的碳，并且陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層也包括碳，因此與在陽極側上的絕熱相比更大程度地增強在陰極側上的絕熱。相應地，能夠加速水從陰極到陽極的轉移。
[0007]能夠以各種方面實施本發(fā)明。例如，除了以膜電極組件的形式之外，本發(fā)明還能夠以包括膜電極組件的燃料電池組等的形式實施。
【附圖說明】
[0008]將在下面參考附圖描述本發(fā)明的示例性實施例的特征、優(yōu)點以及技術和工業(yè)意義，其中類似的數(shù)字表示類似的元件，并且其中:
[0009]圖1是示出作為本發(fā)明的實施例的燃料電池組的構造的概略透視圖；
[0010]圖2是概略地示出單體電池的氧化劑氣體排出孔的附近的截面視圖；
[0011]圖3是示出MEGA 110的構造的解釋性視圖；
[0012]圖4是全面地示出每個樣本的催化劑層和氣體擴散層的厚度的解釋性視圖；并且
[0013]圖5是示出(T2+T4)/(T1+T3)的值和水從陰極到陽極的轉移量之間的關系的解釋性視圖。
【具體實施方式】
[0014]圖1是示出作為本發(fā)明的實施例的燃料電池組10的構造的概略透視圖。燃料電池組10具有堆疊結構，該堆疊結構包括在Z方向(在下文中還被稱作“堆疊方向”)上堆疊的作為燃料電池的單體電池100，并且該堆疊結構在一對端板170F、170E之間保持這些電池。燃料電池組10包括在前端位置處的端板170F和單體電池100之間的在前端位置處的端子板160F，其中在前端位置處的絕緣板165F被布置在端板170F和端子板160F之間。燃料電池組10還包括在后端位置處的端板170Ε和單體電池100之間的在后端位置處的端子板160Ε，其中在后端位置處的絕緣板165Ε處于端板170Ε和端子板160Ε之間。單體電池100、端子板160F、160E、絕緣板165F、165E和端板170F、170E中的每個具有帶有大致矩形輪廓形狀的板結構，并且被布置成使得其每一個長邊在X方向(水平方向)上延伸，并且其每一個短邊在Y方向(豎直方向、垂直方向)上延伸。
[0015]在前端位置處的端板170F、絕緣板165F和端子板160F中的每個均包括燃料氣體供應孔172in和燃料氣體排出孔172out、多個氧化劑氣體供應孔174in和多個氧化劑氣體排出孔174out以及多個冷卻劑供應孔176in和多個冷卻劑排出孔176out。這些供應孔和排出孔被聯(lián)接到在每個單體電池100中的各個對應的位置處形成的相應的孔(未示出)，由此形成各個對應的氣體供應歧管和各個對應的氣體排出歧管，以及各個對應的冷卻劑供應歧管和各個對應的冷卻劑排出歧管。同時，分別在后端位置處的端板170E、絕緣板165E和端子板160E中不形成任何供應孔和任何排出孔。這是因為燃料電池組10是如下類型的燃料電池組，即，將反應性氣體(燃料氣體、氧化劑氣體)和冷卻劑從在前端位置處的端板170F通過供應歧管供應到每個單體電池100，并且將廢氣和廢水從在前端位置處的端板170F通過排出歧管從每個單體電池100排出到外部。然而，燃料電池組10不限于這種類型，并且可以采用各種類型使得例如從在前端位置處的端板170F供應反應性氣體和冷卻劑，并且將廢氣和廢水從在后端位置處的端板170E排出到外部。
[0016]多個氧化劑氣體供應孔174in在X方向(長邊方向)上布置在前端位置處的端板170F的下端的外邊緣處，并且多個氧化劑氣體排出孔174out在X方向上布置在端板170F的上端的外邊緣處。燃料氣體供應孔172in在Y方向(短邊方向)上布置在前端位置處的端板170F的右端的外邊緣的最上位置處，并且燃料氣體排出孔172out在Y方向上布置在端板170F的左端的外邊緣的最下位置處。多個冷卻劑供應孔176in在燃料氣體供應孔172in下方沿著Y方向布置，并且多個冷卻劑排出孔176out在燃料氣體排出孔172out上方沿著Y方向布置。
[0017]在前端位置處的端子板160F和在后端位置處的端子板160E是用于單體電池100產生的輸出的集電器，并且從端子(未示出)向外部輸出所收集的電力。
[0018]圖2是概略地示出單體電池100的氧化劑氣體排出孔174out的附近的截面視圖。每個單體電池100包括膜電極襯墊組件110(在下文中還被稱作“MEGA 110”或者“膜電極組件”)、密封部件140、陰極分離器130、陽極分離器120、氣體流路部件150和密封板151。僅僅除了具有上下顛倒的方向，氧化劑氣體供應孔174in的附近具有與氧化劑氣體排出孔174out的構造相同的構造，并且因此將省略其說明。
[0019]密封部件140是從它的外邊緣支撐MEGA 110的部件，并且由樹脂形成。密封部件140結合陰極分離器130和陽極分離器120從而密封氧化劑氣體、燃料氣體和冷卻劑的泄漏。密封板151被布置在密封部件140的陰極側上。密封板151是金屬板，并且密封板151的一部分凸出到氧化劑氣體排出孔174out中。氣體流路部件150被布置在MEGA 110、密封部件140和密封板151的陰極側上。氣體流路部件150是用于氧化劑氣體的流動的流路，并且例如由多孔金屬形成。應該指出，替代使用多孔金屬地，氣體流路部件150可以由另一個類型的多孔金屬材料形成。氣體流路部件150在氧化劑氣體排出孔174out中凸出到與密封板151相同的位置。在圖2中，概略地示意了陰極分離器130、氣體流路部件150和密封板151的相應的凸出尺寸。
[0020]陰極分離器130被布置成與下一個單體電池100側上的氣體流路部件150相鄰。陰極分離器130是金屬板，并且陰極分離器130的一部分凸出到氧化劑氣體排出孔174out中。陽極分離器120被布置到MEGA 110和密封部件140與氣體流路部件150相對的表面。陽極分離器120是具有凹部和凸起的金屬板。陽極分離器120不凸出到氧化劑氣體排出孔174out中。燃料氣體流路128形成在陽極分離器120和MEGA 110之間，并且冷卻劑流路129形成在陽極分離器120和面對該陽極分離器120的下一個單體電池100的陰極分離器130之間。
[0021]圖3是示出MEGA 110的構造的解釋性視圖。MEGA 110包括電解質膜111、陰極催化劑層114、陽極催化劑層116、陰極氣體擴散層118和陽極氣體擴散層119。電解質膜111是具有質子導電性的電解質膜，并且氟電解質樹脂(離子交換樹脂)諸如全氟磺酸聚合物被用于電解質膜111。
[0022]陰極催化劑層114和陽極催化劑層116包括攜帶催化劑(例如鉑)的碳。在本實施例中，越過電解質膜111的整個第一表面地施加陽極催化劑層116，但是僅僅在電解質膜111的第二表面的局部區(qū)域(發(fā)電區(qū)域)上施加陰極催化劑層114。這是因為，與陰極催化劑層114相比較，單位面積的陽極催化劑層116需要更少的催化劑數(shù)量(典型地1/2或者更少，例如大致1/3)，并且因此即使越過電解質膜111的第一表面的整個區(qū)域施加催化劑仍然不會過量地浪費，并且這種施加方式實際上便于施加過程。
[0023]陰極氣體擴散層118被布置在陰極催化劑層114上，并且陽極氣體擴散層119被布置在陽極催化劑層116上。陰極氣體擴散層118和陽極氣體擴散層119這兩者均由碳紙形成。應該指出，替代碳紙地，這些層可以由碳非織造物形成。
[0024]在本實施例