[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及包含电池模块组件的燃料电池，其中分别具有中空状电解质膜的两个或更多个所述电池模块被一体地固定。

背景技术

燃料电池向相互电连接的两个电极分别供给燃料和氧化剂，以引起燃料的电化学氧化，使得化学能直接转化为电能。因为与热能发电不同，其不受卡诺循环的限制，所以表现出高的能量转化效率。固体聚合物电解质燃料电池是使用固体聚合物电解质膜作为电解质的燃料电池，其具有例如如下优点：容易减小尺寸或可在低温下操作，因此，其在便携或移动产品用电源的应用方面引起了人们的兴趣。

在固体聚合物电解质燃料电池中，如果氢用作燃料，则阳极进行方程式(1)的反应。

方程式(1)：H₂→2H⁺+2e^-

在方程式(1)中产生的电子流过外部电路，以对外部负载做功，此后到达阴极。在方程式(1)中产生的质子与水水合，通过电渗从阳极侧穿过固体聚合物电解质膜移动到阴极侧，同时所述质子处于水合状态。

另一方面，如果氧被用作氧化剂，阴极进行方程式(2)的反应。

方程式(2)：2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O

在阴极产生的水主要穿过气体扩散层，并被排出到外部。

因此，燃料电池除了水之外不排出其它产物，其是用于发电的清洁设备。

现在被主要开发的常规固体聚合物电解质燃料电池是具有燃料电池堆的燃料电池，所述燃料电池堆通过将多个平面型电池单元进行层叠而获得，其中，所述平面型电池单元通过如下方法来制造：将作为阳极的和阴极的催化层分别布置在平面状固体聚合物电解质膜的一个表面上和另一个表面上，再将气体扩散层分别布置在所得的平面状膜电极组件的两侧上，然后将其置于平面状的隔离物之间。

为了提高固体聚合物电解质燃料电池的功率密度，具有非常薄的膜厚度的质子传导聚合物膜被用作固体聚合物电解质膜。膜厚度通常为100μm或者更小，并且虽然更薄的电解质膜被用于提高功率密度，但是电池单元的厚度不能被极端地减小到常规厚度以下。类似地，催化层、气体扩散层、隔离物等也发生厚度减小。但是，即使将所有构件的厚度减小，每单位体积的功率密度的提高也是有限的。因此，对于进一步的尺寸减小的要求可能得不到满足。

作为上面提高的隔离物，通常使用的是具有优异的耐腐蚀性的片状碳材料。碳材料本身很昂贵。此外，隔离物的表面常常要进行精细加工，用于形成将作为气体通道的沟槽，以便在平面状膜电极组件的整个面上均一地供应燃料气体和氧化气体。因此，由于这样的精细加工，隔离物变得过分昂贵，并且提高了燃料电池的制造成本。

除了上述的问题之外，平面型电池单元还具有许多问题，诸如：对于被层叠的多个电池单元的周边的安全密封(为了防止燃料气体和氧化气体从上述的气体通道泄漏)在技术上是困难的；由于平面状膜电极组件的扭曲或变形而导致发电效率下降。

最近，已经开发了其发电的基本单元为电池模块(其中电极被分别布置再中空电解质膜的孔侧和壳侧)的固体聚合物电解质燃料电池(参见例如日本专利申请特开(JP-A)No.Hei 9-223507，JP-A No.2002-158015，JP-A No.2002-260685和JP-A No.2002-289220)。

具有这样的中空状电池模块的燃料电池不需要相当于诸如在平面型燃料电池中所使用的隔离物的构件。此外，因为通过对其孔侧和壳侧分别供料不同类型的气体，所以不必要特意形成气体通道。因此，其制造工艺据估计降低了制造成本。此外，因为电池模块具有三维形状，所以较之平面型电池单元，其可以增大相对于体积的比表面积，由此预期可以提高单位体积的输出功率密度。

通常，电池模块组件以如下方式形成：将适当数量的中空状电池模块被排列成每一个电池模块的纵向保持平行并且相隔预定距离，使得反应气体可以被均匀和顺畅地供应到电池模块周围；多个电池模块被一体地固定；建立分别从电池模块的阳极和阴极的功率收集。一个电池模块组件，或者如果需要的话，两个或者更多电池模块组件被串联或并联连接，并且安装在燃料电池中。

为了在电池模块组件之间获得优异的传导性，理想的是，增大保持接触的电池模块组件的接触面积，简化连接电池模块组件的结构。