燃料電池及其製造方法

2024-02-19 21:09:15 1

專利名稱：燃料電池及其製造方法
技術領域：
本發明 一般地涉及燃料電池以及製造燃料電池的方法。
技術背景一般來說，燃料電池是由燃料(氫和氧)獲得電力的裝置。因為燃料 電池具有環境優異性並且可以實現高的能量效率，所以燃料電池正被廣泛 開發作為能量供應裝置。燃料電池例如具有其中電極夾持電解質的電力發生器。為了減小電力 發生器結構的厚度，支撐和增強電力發生器的增強框架是必要的。在此情 況下，有必要在增強框架中形成諸如通孔的氣體通道，以便將燃料氣體提 供到電力發生器的電極。並且，有必要將增強框架接合到電力發生器的電 極，以便增強電力發生器。但是，難以將具有氣體通道的增強框架接合到 電極。例如，專利文件1公開了一種利用擴散接合將燃料氣體在其中流動的 通道形成構件接合到透氫膜上的技術。利用專利文件1所公開的技術，因 為可以在不用熔融基體金屬的情況下將通道形成構件接合到透氫膜，所以 可以減小裝置的厚度。專利文件1:日本專利申請公布No. 2003-95617發明內容然而，利用專利文件1所公開的技術可能存在如下問題，即由於在擴 散接合中產生的熱，透氫膜的組成發生變化。因此，存在利用覆層工藝將 透氫膜接合到通道形成構件的方法。然而，利用該方法，可能存在通道形成構件發生變形的問題。本發明的目的是提供一種燃料電池和製造燃料電池的方法，其抑制了 電極和增強框架的組成變化，並且抑制了增強框架的變形。<解決該問題的技術手段〉根據本發明的製造燃料電池的方法的特徵在於包括利用半刻蝕處理 在增強框架的一側上形成至少一凹部的第一步驟；利用覆層工藝將透氫膜 接合到所述增強框架的所述一側的第二步驟；以及對從所述增強框架的另 一側的對應於所述凹部的區域到所述凹部的區域進行半刻蝕處理的第三步 驟。利用根據本發明的製造燃料電池的方法，利用半刻蝕處理在增強框架 的一側上形成至少一凹部。利用覆層工藝將透氫膜接合到所述增強框架的 所述一側。對從所述增強框架的另一側的對應於所述凹部的區域到所述凹 部的區域進行半刻蝕處理。在此情況下，在利用覆層工藝將增強框架接合 到透氫膜之後，在增強框架中形成通孔。因此，不存在由覆層工藝導致的 通孔變形。並且可以抑制由增強框架的變形導致的透氫膜的變形。因此， 可以抑制由通孔變形導致的燃料氣體流的不均勻性。因為利用覆層工藝將 增強框架接合到透氫膜上，所以在接合過程中增強框架和透氫膜不會處於 高溫條件下。因此，可以抑制增強框架和透氫膜的組成變化。因為凹部被 形成在增強框架上，所以還可以抑制由過度半刻蝕導致的對透氫膜的損 傷。所述第三步驟可以包括對所述增強框架的所述另 一側的除對應於所述 凹部的所述區域之外的給定區域進行半刻蝕處理並在所述增強框架的所述 另一側上形成至少一凸起部的步驟。在此情況下，凸起部導引提供到透氫 膜的燃料氣體。由此，燃料氣體被高效地提供到透氫膜。並且，因為凸起 部利用半刻蝕處理形成在增強框架上，所以增強框架和凸起部具有一體的 結構。在此情況下，抑制了增強框架的強度的減小。因此，可以抑制增強 框架的變形並且減小增強框架的厚度。並且，可以抑制增強框架的熱容的 增大。因為凸起部與增強框架一體地形成，所以在凸起部和增強框架之間沒有接觸電阻。所述增強框架可以具有導電性。所述方法可以還包括將所述增強框架 通過所述凸起部接合到分離器的第四步驟。在此情況下，分離器收集電 力，而不用集電器。較之提供集電器的情形，接觸電阻可以被減小。因 此，根據本發明的燃料電池的接觸電阻可以被減小。所述方法可以還包括在所述第四步驟之後在所述透氫膜的一側上形成 具有質子傳導性的電解質的第五步驟。在此情況下，可以抑制由接合過程 中的壓力所導致的對電解質的損傷。所述方法可以還包括在所述電解質的 另一側上依次設置陰極、集電器和分離器的第六步驟。根據本發明的燃料電池的特徵在於包括電力發生器，其具有透氫 膜、具有質子傳導性的電解質和陰極；以及增強框架，其增強所述透氫膜 和所述電解質。在所述增強框架的與所述透氫膜相反的一側上設置有至少 一個凸起部。利用根據本發明的燃料電池，凸起部導引提供到透氫膜的燃 料氣體。由此，燃料氣體被高效地提供到透氫膜。並且，凸起部可以抑制 增強框架強度的減小。因此，可以抑制增強框架的變形並且減小增強框架 的厚度。並且，可以抑制增強框架的熱容的增大。所述增強框架可以具有導電性，並且所述增強框架的電勢與所述透氫 膜的電勢基本相同。所述燃料電池可以還包括分離器，所述分離器通過至 少一個所述凸起部接合到所述增強框架。在此情況下，分離器收集電力， 而不用集電器。根據本發明，可以抑制增強框架的變形。因此，可以抑制由通孔變形 導致的燃料氣體流的不均勻性。並且，可以抑制增強框架和透氫膜的組成 變化。


圖1示出了根據本發明的第一實施例的燃料電池的示意性剖視圖；圖2A和圖2B示出了增強框架的細節；圖3A到圖3C示出了燃料電池的製造流程圖；以及圖4A到圖4C示出了燃料電池的製造流程圖。
具體實施方式
下面將描述用於實現本發明的具體實施方式
。<第一實施例〉圖1示出了根據本發明的第一實施例的燃料電池100的示意性剖視 圖。在此實施例中，透氫膜燃料電池被用作燃料電池。在此，透氫膜燃料 電池具有透氫膜。透氫膜由具有透氫性的金屬構成。透氫膜燃料電池具有 其中具有質子傳導性的電解質被設置在透氫膜上的結構。提供到陽極的一 部分氫通過催化劑反應被轉化為質子。質子在具有質子傳導性的電解質中 被傳導，與提供到陰極的氧反應，並轉化成水。由此產生電力。下面將描 述燃料電池100的結構。如圖1所示，燃料電池100具有分離器1和7，增強框架2，透氫膜 3，電解質4，陰極5以及集電器6。分離器1由諸如不鏽鋼的導電材料構 成。 一凸出部被形成在分離器1的上表面的周邊區域處。多個冷卻水在其 中流動的冷卻水通道11被形成還在分離器1中。增強框架2由諸如不鏽鋼的導電材料構成。增強框架2支撐和增強透 氫膜3和電解質4。在增強框架2的上表面的中心區域形成一凹入。透氫 膜3和電解質4形成在該凹入中。該凹入此後被稱為凹部20。多個凸起部 21被形成在凹部20的下表面上。凸起部21由與增強框架2相同的材料構 成，並且與增強框架2 —體形成。增強框架2通過凸起部21和分離器1的 凸出部接合到分離器1 。多個通孔22被形成在凹部20中。透氫膜3由透氫金屬構成，並且充當燃料氣體被提供到其的陽極。構 成透氫膜3的金屬諸如是鈀、釩、鈦、鉭等。因為透氫膜3被形成在凹部 20上，所以增強框架2的電勢與透氫膜3的電勢基本相同。在此，"基本 相同的電勢"表示其中不考慮接觸電阻的情形。因此，即使由於接觸電阻 而在增強框架2和透氫膜3之間產生電勢差，增強框架2的電勢也與透氫膜3的電勢基本相同。電解質4被層疊在透氫膜3上。電解質4例如由諸如鈣鈦礦型質子導 體(BaCe03等)、固體酸質子導體(CsHS04等)之類的質子導體構成。 陰極5例如由諸如鈷酸鑭、錳酸鑭、銀、鉑、或者擔載鉑的碳之類的導電 材料構成，並且被層疊在電解質4上。集電器6例如由諸如SUS430多孔材料、Ni多孔材料、Pt塗層A1203 多孔材料或者Pt網之類的導電材料構成。集電器6被層疊在陰極5上。分 離器7由諸如不鏽鋼的導電材料構成，並層疊在集電器6上。 一凸出部被 形成在分離器7的下表面的周邊區域處。多個冷卻水在其中流動的冷卻水 通道71被形成在分離器7中。分離器7通過分離器7的凸出部接合到增強 框架2。分離器7和增強框架2之間的接合面經過了絕緣處理。陰極5和集電 器6被形成在電解質4上，從而接觸增強框架2。因此，分離器7與增強 框架2電絕緣。因此，可以防止燃料電池100的發電故障。並且，多個根 據本實施例的燃料電池100被層疊在實際的一個燃料電池中。下面將描述燃料電池100的操作。包括氫在內的燃料氣體被提供到分 離器1的氣體通道。該燃料氣體經由增強框架2的通孔22被提供到透氫膜 3。燃料氣體中的一部分氫在透氫膜3處被轉化為質子。質子在透氫膜3 和電解質4中被傳導，到達陰極5。另一方面，包括氧在內的氧化劑氣體被提供到分離器7的氣體通道。 該氧化劑氣體經由集電器6提供到陰極5。質子與提供到陰極5的氧化劑 氣體中的氧反應。由此產生水和電力。所產生的電力經由凸起部21、集電 器6以及分離器1和7收集。利用上述操作，燃料電池100產生電力。冷 卻水在冷卻水通道11和71中流動。燃料電池100由此保持給定溫度。在此實施例中，凸起部21導引在分離器1和增強框架2之間流動的燃 料氣體。由此，燃料氣體被提供到透氫膜3。並且，因為多個凸起部21被 形成在凹部20的下表面上，所以凹部20的強度被提高。由此，可以抑制 凹部20的變形。在此情況下，可以抑制由凹部20的變形導致的氣體外 洩。並且，減小了施加到透氫膜3和電解質4的應力。因此，可以抑制電解質4的分離。並且，可以減小凹部20的厚度。可以抑制增強框架2的熱容的增大。可以在燃料電池100的溫度升高的情況下抑制凹部20的翹曲。因 此，即使凹部20、透氫膜3和電解質4的厚度被減小，也可以抑制電解質 4由於溫度升高而與透氫膜3分離的問題。因為凸起部21與增強框架2 —體形成，所以凸起部21和增強框架2 之間沒有接觸電阻。由此，減小了燃料電池100的接觸電阻。並且，因為 凸起部21被直接接合到分離器1，所以不必在增強框架2和分離器1之間 設置集電器。因此，燃料電池100具有成本優勢。圖2A和圖2B示出了增強框架2的細節。圖2A示出了增強框架2的 下表面的局部省略的頂視圖。圖2B示出了沿圖2A的線A-A所取的剖視 圖。如圖2A所示，通孔22具有六邊形形狀。形成通孔22的六邊形的每 一條邊的長度例如為0.2 mm。通孔22中的每一個以給定間距(例如0.2 mm)周期性排列。並且，通孔22中的每一個被形成為彼此相鄰的通孔22 的相對的邊彼此平行。在此，彼此相鄰的三個通孔22的中心點被稱為點CP。在此情況下， 凸起部21被形成在彼此相鄰的點CP中的一個處。凸起部21沿從點CP出 發平行於彼此相鄰的通孔22的相對側邊的三個方向延伸。三個延伸部分 中的每一個例如具有0.15 mm的寬度。凸起部21的高度為例如0.5 mm。對通孔22的形狀沒有限制，並且通孔22可以具有多邊形或圓形形 狀。通孔22可以具有彼此不同的形狀。通孔22中的每一個可以不是周期 性排列的。增強框架2中的通孔22的面積比為例如約40%。對凸起部21 的形狀沒有限制，凸起部21可以具有多邊稜柱形狀、圓柱形狀或鰭狀形 狀。凸起部21可以具有彼此不同的形狀。凸起部21中的每一個可以不是 周期性排列的。對凸起部21的數量沒有限制。下面將描述製造燃料電池100的方法。圖3A到圖4C示出了燃料電池 100的製造流程圖。圖3A示出了增強框架2的剖視圖和頂視圖。如圖3A 所示，增強框架2的一個面經過半刻蝕處理，並且多個凹入23被形成。 凹入23對應於圖2A和圖2B所示的通孔22。因此，凹入23具有與通孔22相同的形狀。凹入23的位置與通孔22的相同。增強框架2例如具有 0.7mm的厚度。凹入23例如具有0.2mm的深度。接著，如圖3B所示，在30(TC以下的溫度下，利用冷軋方法將透氫膜 3接合到增強框架2的上表面。覆層工藝可以被用作冷軋方法。然後，如 圖3C所示，對增強框架2進行刻蝕處理。在此情況下，利用掩模等對增 強框架2進行半刻蝕處理，使得透氫膜3如圖2A和圖2B所示通過通孔 22暴露，並且形成凸起部21。在此情況下，因為凹入23形成在增強框架 2上，所以防止了由於過度半刻蝕損傷透氫膜3。接著，如圖4A所示，增強框架2被接合到分離器1。在此情況下，利 用釺焊材料等將凸起部21接合到分離器1。然後，如圖4B所示，將電解 質4形成在透氫膜3上。接著，如圖4C所示，陰極5和集電器6被形成 在電解質4上。分離器7被設置在集電器6上和增強框架2上。利用上述 工藝，製造了燃料電池IOO。因為在本實施例中，在利用覆層工藝將增強框架2接合到透氫膜3之 後形成通孔22，所以不存在由覆層工藝導致的通孔22變形。因此，可以 抑制燃料氣體到透氫膜3的提供效率的下降。如果利用擴散接合將增強框 架2接合到透氫膜3，則可能改變增強框架2和透氫膜3的組成。但是， 因為利用覆層工藝將增強框架接合到透氫膜，所以可以抑制增強框架和透 氫膜的組成變化。因為在將增強框架2接合到分離器1之後形成電解質 4，所以還可以防止由在接合過程中的壓力導致的對電解質4的損傷。上 述刻蝕處理可以是幹法刻蝕處理或者溼法刻蝕處理。因為凸起部21用半刻蝕處理形成，所以增強框架2和凸起部21具有 一體的結構。在此情況下，凹部20的強度被提高。因此，可以抑制凹部 20的變形。並且，在凸起部21和增強框架2之間沒有接觸電阻。燃料電 池100的接觸電阻可以被減小。因為凸起部21被直接接合到分離器1，所 以省略在增強框架2和分離器1之間設置集電器的工藝。
權利要求
1.一種製造燃料電池的方法，其特徵在於包括利用半刻蝕處理在增強框架的一側上形成至少一凹部的第一步驟；利用覆層工藝將透氫膜接合到所述增強框架的所述一側的第二步驟；以及對從所述增強框架的另一側的對應於所述凹部的區域到所述凹部的區域進行半刻蝕處理的第三步驟。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第三步驟包括對所述增 強框架的所述另一側的除對應於所述凹部的所述區域之外的給定區域進行 半刻蝕處理並在所述增強框架的所述另一側上形成至少一凸起部的步驟。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述增強框架具有導電性。
4. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於還包括將所述增強框架通過 所述凸起部接合到分離器的第四步驟。
5. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於還包括在所述第四步驟之後 在所述透氫膜的一側上形成具有質子傳導性的電解質的第五步驟。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於還包括在所述電解質的另一 側上依次設置陰極、集電器和分離器的第六步驟。
7. —種燃料電池，其特徵在於包括電力發生器，其具有透氫膜、具有質子傳導性的電解質和陰極；以及 增強框架，其增強所述透氫膜和所述電解質，其中，於與所述透氫膜相反的一側在所述增強框架上設置有至少一凸 起部。
8. 如權利要求7所述的燃料電池，其特徵在於 所述增強框架具有導電性；並且 所述增強框架的電勢與所述透氫膜的電勢基本相同。
9. 如權利要求8所述的燃料電池，其特徵在於還包括分離器，所述分 離器通過所述至少一凸起部接合至所述增強框架。
全文摘要
本發明提供了一種製造燃料電池(100)的方法，包括利用半刻蝕處理在增強框架(2)的一側上形成至少一凹部(23)的第一步驟；利用覆層方法將透氫膜(3)接合到所述增強框架(2)的所述一側的第二步驟；以及用於對所述增強框架(2)的另一側的對應於所述凹部(23)的區域到所述凹部(23)進行半刻蝕的第三步驟。
文檔編號H01M8/12GK101283472SQ20068003738
公開日2008年10月8日 申請日期2006年9月26日 優先權日2005年10月7日
發明者伊澤康浩 申請人:豐田自動車株式會社