燃料电池制造技术

一种燃料电池，其中将正极层１３和负极层１４分别设置在电解质膜１２的前面和后面，并且其中使氢与负极层中的催化剂接触，使氧与正极层中的催化剂接触。正极层包括以下成分：电解质、碳（３６、３７）、负载在碳上的催化剂３８、成孔材料和疏水性树脂。在正极层邻近电解质膜的区域３４（氧和氢离子间的反应易于进行的区域），使电解质／碳的重量比较高且使所负载的催化剂的量较大。在产物水趋于滞留的区域，成孔材料的量和疏水性树脂的量增大。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池
本专利技术涉及一种具有设置在电解质膜的前面和后面的正极层和负极层的燃料电池，该燃料电池通过使氢气与负极层中的催化剂接触并使氧气与正极层中的催化剂接触来产生电能。
技术介绍
这种燃料电池如图15、图16和图17所示。参照图15，现有技术中的燃料电池100由以下部分组成：电解质膜101、设置在该电解质膜101的前面和后面的正极层102和负极层103、设置在正极层102上的正极扩散层104、设置在负极层103上的负极扩散层105、设置在正极扩散层104外表面上的氧气通道106、设置在负极扩散层105外表面上的氢气通道(未示出)。氧气从氧气通道106的供给侧106a流至排出侧106b。氧气流入氧气通道106和氢气流入氢气通道的结果是，使氢气(H2)与负极层103中的催化剂接触并使氧气(O2)与正极层102中的催化剂接触，并且产生电流。在图16中，如箭头所示，在负极层103(参见图15)的反应中所产生的氢离子(H+)经电解质膜101流到正极层102。将氧气通过氧气通道106(参见图15)供给至正极层102，结果，氧气经正极层102流向电解质膜101。因此，氢离子(H+)和氧气(O2)反应并生成产物水(H2O)。氢离子(H+)和氧气(O2)之间的反应特别是在正极层102中与电解质膜101的界面108相接近的区域进行，即图中虚线阴影所示的“完全催化反应区域”102a。在所生成的产物水(H2O)中，一些产物水返回至电解质膜101中-->并使电解质膜101保持湿润，从而提高发电效率。在剩余的产物水(H2O)中，一些水如箭头a所示，由正极层102内侧排到正极扩散层104，其余的产物水(H2O)如箭头b所示，在其自身重力作用下经正极层102的内部而下降。因此，存在产物水(H2O)在正极层102底部102b累积的趋势，而这会阻碍燃料电池发电效率的提高。在图17中，如箭头所示，氧气由氧气通道106的供给侧106a流到排出侧106b。在从正极层102流到正极扩散层104的产物水(H2O)中，一些产物水蒸发并发散至氧气通道中，并被携带在氧气通道106中的氧气中。氧气容易滞留在氧气通道106的弯曲部106c，且在氧气通道106的排出侧106b中，即在正极层102底侧102b中的氧气流趋于减少。因此，在氧气通道106的流出侧106b中，已散发到氧气通道中的产物水不能有效地排出，产物水趋向于累积在流出侧106b处，这构成了提高燃料电池发电效率的障碍。例如.JP-A-8-088008中提出了一种燃料电池，其中考虑到氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应特别是在如图16所示的“完全催化反应区域”102a中进行的事实，使正极层中的电解质量在电解质膜侧较大。在该燃料电池中，大量的电解质被包含在正极层102中邻近其与电解质膜101相接触的界面108的区域，从而可以提高氢离子(H+)在正极层102与电解质膜101间的界面108处的传导性。例如在JP-A-2002-298859中，公开了这样一种燃料电池，其中考虑到产物水的滞留阻碍了发电效率的提高，将产物水(H2O)有效地从正极层102中排出。在该燃料电池中，除底部102b外，在正极层102的表面中包含疏水性树脂，以便使产物水容易从底部102b流出，并且能防止产物水累积在该底部102b中。另外，例如在JP-A-2002-042823中，公开了一种燃料电池，其中为了通过保持电解质膜101湿润来提高发电效率，使电解质膜101中保持良好的水含量。-->在该燃料电池中，在氧气通道106的供给侧106a抑制产物水的排出，并在氧气通道106的流出侧106b促进产物水的排出，从而可以良好地保持电解质膜中的水含量。这里，为了进一步扩展燃料电池在工业领域中的用途，在提高燃料电池性能的同时，降低燃料电池的成本也很重要。然而，如JP-A-8-088008中所述的燃料电池，仅通过在与电解质膜的界面的邻近区域包含大量电解质的措施，难以进一步提高燃料电池的性能并降低其成本。并且，如JP-A-2002-298859中所述的燃料电池，仅通过在除底部以外的正极层表面中包含疏水性树脂的措施，难以进一步提高燃料电池的性能并降低其成本。而且，如JP-A-2002-042823中所述的燃料电池，仅通过抑制产物水从氧气通道的供给侧排出并促进产物水从氧气通道的排出侧排出的措施，难以进一步提高燃料电池的性能并降低其成本。因此，期待一种具有优异的发电效率并且可以控制其成本的燃料电池。
技术实现思路
在为提高燃料电池发电效率所进行的实验中，本专利技术人发现在正极层中，存在氧气容易传入的区域和氧气不易被传入的区域。专利技术人还发现，存在氢离子(H+)和氧气(O2)之间容易发生反应的部位，和反应缓慢的部位。而且，他们还发现存在产物水趋于存留的部位。当对此进行更详细的研究时发现，发电反应和产物水的滞留从正极层的电解质膜侧向正极扩散层逐渐变化，而且从氧气通道的供给侧向排出侧也逐渐变化。并且还发现，当正极层以垂直配置使用时，发电反应和产物水的滞留从正极层的上侧向下侧逐渐变化。从上述观点来看，期望可以通过以下方式来解决所述问题，即从电解质膜侧向正极扩散层逐渐改变正极层，即电解质、催化剂和成孔材料等的组成；从垂直方向的顶部向底部逐渐改变其组成；从氧气通道的供-->给侧向排出侧逐渐改变其组成。因此，本专利技术提供一种燃料电池，其特征在于，该燃料电池具有：电解质膜；在垂直方向上设置在所述电解质膜的前面和后面的正极层和负极层；设置在所述正极层上的正极扩散层；设置在所述负极层上的负极扩散层；提供在所述正极层外表面上的氧气通道；和提供在所述负极层外表面上的氢气通道，所述正极层包括电解质、碳、负载在碳上的催化剂、成孔材料和疏水性树脂，并且，电解质/碳的重量比、所负载的催化剂量、成孔材料的量和疏水性树脂的量，从电解质膜侧向正极扩散层逐渐变化，从垂直方向上的顶部向底部逐渐变化，并从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐变化。因此，在本专利技术中，电解质/碳的重量比、催化剂的负载量(是指负载在碳上的催化剂量)、成孔材料的量和疏水性树脂的量从正极层的电解质膜侧向正极扩散层逐渐变化。并且，电解质/碳的重量比、催化剂的负载量、成孔材料的量和疏水性树脂的量从正极层的垂直方向上的顶部向底部逐渐变化。并且，电解质/碳的重量比、催化剂的负载量、成孔材料的量和疏水性树脂的量还从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐变化。通过该方法，正极层中的成分可以对应于氧气导入的状态而逐渐变化、对应于氢离子(H+)与氧气(O2)间反应的状态而逐渐变化、以及对应于产物水的排出状态而逐渐变化。以此方式，对应于正极层中的不同部位，可以适当地包含构成正极层的成分，可以提高不同部位中的发电效率，并且可以很好地对产物水的排出进行调节。而且，通过在对应于正极层中的不同部位中适当地包含构成正极层的成分，可以防止所含有的成分过量。通过这种方法，可以使构成正极层的成分的含量保持在所需的最小量，从而实现成本的降低。在本专利技术中，优选正极层中所含有的电解质/碳的重量比、所负载的催化剂的量从电解质膜侧向正极扩散层逐渐减小，从正极层垂直方向上的顶部向底部逐渐减小，并从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐减小，并且正极层中所包含的成孔材料的量和疏水性树脂的量从电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其特征在于该燃料电池包括：电解质膜；分别垂直设置在所述电解质膜的前面和后面的正极层和负极层；设置在所述正极层上的正极扩散层；设置在所述负极层上的负极扩散层；提供在所述正极层的外表面上的氧 气通道；和提供在所述负极层的外表面上的氢气通道，并且，所述正极层包括电解质、碳、负载在所述碳上的催化剂、成孔材料和疏水性树脂，并且电解质／碳的重量比、所负载的催化剂的量、成孔材料的量和疏水性树脂的量，从所述电解质膜侧向所述正 极扩散层的方向逐渐变化，从垂直方向上的顶部向底部方向逐渐变化，并从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-3-10 063173/20031.一种燃料电池，其特征在于该燃料电池包括：电解质膜；分别垂直设置在所述电解质膜的前面和后面的正极层和负极层；设置在所述正极层上的正极扩散层；设置在所述负极层上的负极扩散层；提供在所述正极层的外表面上的氧气通道；和提供在所述负极层的外表面上的氢气通道，并且，所述正极层包括电解质、碳、负载在所述碳上的催化剂、成孔材料和疏水性树脂，并且电解质/碳的重量比、所负载的催化剂的量、成孔材料的量和疏水性树脂的量，从所述电解质膜侧向所述正极扩散层的方向逐渐变化，从垂直方向上的顶部向底部方向逐渐变化，并从氧气通道的供给侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：涩谷智秀，角谷修，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]