CN100483827C - 燃料电池及其中使用的框架 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池(10)包括：MEA(膜电极组件)(20)；树脂框架(30)，所述树脂框架(30)设置在MEA(20)的前后表面处且夹持MEA(20)的周缘部并固定该MEA(20)；和导电隔板(40)，所述导电隔板(40)设置在被树脂框架(30)夹持并固定的MEA(20)的前后表面上，与MEA(20)接触，且其上形成有从MEA(20)集电的集电部(48)；并且所述树脂框架夹持并固定MEA(20)的周缘部的一部分，而在导电隔板(40)上，在MEA(20)没有被树脂框架(30)夹持的其它周缘部上形成有集电部(48)。

Description

燃料电池及其中使用的框架
技术领域
本发明涉及一种固态聚合物电解质燃料电池(下文简称为“燃料电池”)，及其中使用的框架；更具体地，涉及这样一种燃料电池及其中使用的框架，该燃料电池具有与包括在该燃料电池中的MEA(膜电极组件)接触的隔板。
背景技术
燃料电池包括在由离子交换层制成的电解质层的表面上具有电极的MEA。这种MEA在其一个表面上包括作为与燃料气体(氢)反应的电极的燃料电极(阳极)，在其另一个表面上包括与氧化气体(氧)反应的氧化电极(阴极)；且在这种MEA上发生预定的化学反应，从而使得能够取出电流(电力，electricity)。
存在这种燃料电池的本身已知的结构，例如如日本专利未审定公开2003-77499中所公开的，包括MEA、设置在该MEA的前后表面上并夹持该MEA的周缘部从而固定该MEA的树脂框架、及设置在其周缘部被树脂框架夹持并固定的MEA的前后表面上且在其上形成与MEA接触的集电部的隔板。
在具有上述结构的燃料电池中，树脂框架夹持并固定MEA的周缘部。为了使预定化学反应在MEA上平稳地进行及取出电流，期望MEA保持平坦，为此，对于上述结构的燃料电池，必须努力防止其周缘部被树脂框架夹持并固定的MEA发生起皱(wrinkling)。
对于上述结构的燃料电池，由于MEA通过其被树脂框架夹持的周缘部固定，因此不能够在MEA的周缘部提供任何集电部。由于这一点，存在即使燃料气体和氧化气体被供给到MEA的周缘部也不能够从该MEA的周缘部集电的问题。
本发明的目的是提供一种其中MEA的周缘部可以用于发电的燃料电池，及其中使用的框架。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供一种燃料电池，包括：膜电极组件，所述膜电极组件包括形成于电解质层的表面上的电极；绝缘框架，所述绝缘框架设置在所述膜电极组件的前后表面处，且通过夹持所述膜电极组件的周缘部固定所述膜电极组件；和导电隔板，所述导电隔板设置在被所述绝缘框架夹持的所述膜电极组件的前后表面处，与所述膜电极组件接触，且限定从所述膜电极组件集电的集电部；其特征在于：所述绝缘框架夹持所述膜电极组件的周缘部的一部分；和所述导电隔板在所述膜电极组件没有被所述绝缘框架夹持的其它周缘部构成所述集电部。
在上述燃料电池中，例如，所述导电隔板可具有凸起部，且在所述膜电极组件的周缘部的所述集电部由与所述膜电极组件接触的所述凸起部构成。
而且，在上述燃料电池中，所述凸起部除了限定所述集电部之外，还可以限定引导冷却剂的冷却剂通道、供给氧化气体的氧化气体供给通道、及供给燃料气体的燃料气体供给通道。
所述绝缘框架可以由树脂制成。
所述导电隔板可以由金属制成。
此外，根据本发明的另一个方面，本发明提供一种用在上述任一段中所述的燃料电池中的框架，其特征在于还包括用于夹持所述膜电极组件的周缘部的夹持部，并且形成有允许所述导电隔板的所述集电部通过所述夹持部的孔部。
而且，根据本发明的又一个方面，本发明提供一种用在上述任一段中所述的燃料电池中的框架，其特征在于还包括用于夹持所述膜电极组件的周缘部的夹持部，并且形成有允许所述导电隔板的所述集电部通过所述夹持部的切口部。
采用本发明的燃料电池和框架，可以利用MEA的周缘部发电。因此，采用本发明的燃料电池和框架，可以利用MEA的整个表面发电。
附图说明
从下面参照附图对优选实施例的说明可更清楚地看出本发明的前述及其他目的、特征和优点，其中，相同的数字表示相同的部件，附图中：
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池的俯视图；
图2是图1中的燃料电池沿着该图中线A-A所示平面所取的部分的剖视图；
图3是MEA的俯视图；
图4是图3中的MEA沿着该图中线B-B所示平面所取的部分的剖视图；
图5是树脂框架(阴极侧)的俯视图；
图6是夹持MEA的树脂框架的俯视图；
图7是图6中所示夹持MEA的树脂框架沿着该图中线C-C所示平面所取的部分的剖视图；
图8是根据本发明第二实施例的燃料电池的俯视图；
图9是图8中的燃料电池沿着该图中线D-D所示平面所取的部分的剖视图；
图10是根据第二实施例的树脂框架(阴极侧)的俯视图；
图11是根据另一个实施例的树脂框架(阴极侧)的俯视图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的实施例。首先，将参照图1-7说明根据本发明第一实施例的燃料电池10。
如图1中所示，该燃料电池10包括用于向燃料电池10中供给诸如氢等的燃料气体的供给侧燃料气体歧管11A、用于排出已经供给入燃料电池10中的燃料气体的排出侧燃料气体歧管11B、用于向燃料电池10中供给空气(氧)的供给侧氧化气体歧管12A、用于排出已经供给入燃料电池10中的空气等的排出侧氧化气体歧管12B、供给侧冷却剂岐管13A、和用于排出已经供给入燃料电池10中的冷却剂的排出侧冷却剂岐管13B。
如图2中所示，根据该实施例的燃料电池10包括MEA20、设置在MEA20的前后表面上的树脂框架30(30A，30B)、和设置在夹持在树脂框架30之间的MEA20的前后表面上的隔板40(40A，40B)。应当理解，在图2中，为了便于说明，仅示出一个燃料电池10(燃料电池10的单个电池)和在其上面和下面的其它燃料电池10A、10B的一部分，但是通常，可以推想在根据该实施例的燃料电池10的两面都设置有多个其它燃料电池。而且，应当理解，上述树脂框架30(30A，30B)不仅可以由树脂形成，而且可以由任何绝缘材料制成。
在该实施例中，MEA是包括电解质材料和电极的电解质组件。该MEA包括电解质层22和电极28，电极28包括催化剂层24和扩散层26。在电解质层22的一个表面上形成的电极28A是阴极(空气极)，而在其另一个表面上形成的电极28B是阳极(燃料极)。
电解质层22由固态聚合物材料制成，并包括位于聚合物链中的诸如磺酸基等的电解质基。该电解质层22与特定离子稳固地结合，从而具有选择性通过正离子或负离子的特性。诸如预氟磺酸层等的氟型电解质层可以用作该电解质层22。
催化剂层24包括其中诸如铂、金、钯、钌、铱等的贵金属催化剂装在碳中的载有催化剂的碳，和将载有催化剂的碳粘附到电解质层22上的树脂。对于碳没有特殊的限制，可以使用油炉黑、槽黑、热炭黑、乙炔黑等。
至于在该催化剂层中使用的树脂，可以使用包括氟原子的聚合物，例如聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚六氟丙烯(FEP)等，或者这些聚合物的共聚物，或者这些聚合物单体单元与诸如乙烯或苯乙烯等的其它单体的共聚物，或其混合物等。应当理解用在催化剂层24中的树脂不应被认为仅限于这些例子。
MEA 20的周缘部的一部分通过被夹持在树脂框架30(30A，30B)之间而固定。应当理解，这里MEA 20的周缘部表示MEA周围的边缘部分。例如，使用图3中所示MEA 20的俯视图说明这一点，用区域S1、S2、S3和S4表示。应当理解，虽然根据本发明的该实施例的MEA 20具有其中电解质层22的边缘部分比其阴极和其阳极更向外突出的结构，但该电解质层22的边缘部分不是MEA的周缘部。MEA的周缘部表示位于包括电解质层22和电极28(阴极28A和阳极28B)的MEA 20的绝对周围的区域。
夹持MEA 20的树脂框架30包括一对树脂框架30A和30B，树脂框架30A布置在MEA 20的阴极侧，而树脂框架30B布置在MEA 20的阳极侧。应当理解，这些树脂框架30由已知类型的树脂如酚醛树脂等制成。
下面，将以阴极侧树脂框架30A作为例子说明树脂框架30。如图5中所示，该树脂框架30A包括框架部31和位于该框架部31内部用于布置MEA的开口部32。框架部31在供给侧和排出侧分别包括燃料气体岐管33A和33B、氧化气体岐管34A和34B及冷却剂岐管35A和35B。在该示出的阴极侧的树脂框架30A中，特别地，包括用于向MEA 20的阴极28A供给经由氧化气体岐管34A供给的空气的氧化气体供给通路36A，和用于将已经供给至MEA 20的空气和在排出侧生成的水(生成水)排出至氧化气体岐管34B的氧化气体排出通路36B。在该实施例中，氧化气体供给通路36A和氧化气体排出通路36B均由多个凹槽组成。
如图6中所示，树脂框架30A包括夹持MEA 20的周缘部的夹持部37。这些夹持部37位于矩形树脂框架30A的短边区域上，与MEA 20邻接，并布置成彼此互相相对。应当理解，在该实施例中，在树脂框架30的短边中的这些区域为存在岐管侧的区域，而另一方面，在长边中的区域表示不存在岐管侧的区域。在该实施例中，阴极侧的树脂框架30A的夹持部37A，和阳极侧的树脂框架30B的夹持部37B，在MEA 20的垂直方向(例如，图2中)夹持MEA 20的周缘部S1和S2，从而保持MEA 20固定。在图7中，示出MEA 20的周缘部S2被阴极侧的树脂框架30A的夹持部37A和阳极侧的树脂框架30B的夹持部37B夹持的状态。
应当理解，关于阳极侧的树脂框架30B，虽然没有给出其俯视图，但与阴极侧的树脂框架30A一样，该树脂框架30B包括框架部、位于供给侧和排出侧的燃料气体岐管、氧化气体岐管及冷却剂岐管、以及夹持部。而且，对于阳极侧的该树脂框架30B，设有用于向MEA 20的阳极供给经由氧化气体岐管供给的燃料气体的燃料气体供给通路，和用于将已经供给至MEA的未反应燃料气体等排出至排出侧燃料气体岐管的燃料气体排出通路。
隔板40由一对隔板40A和40B组成，MEA 20的阴极侧的一个隔板40A位于MEA 20的阴极侧，而阳极侧的另一个隔板40B位于MEA 20的阳极侧。
下面，将利用图1和2，以阴极侧的隔板40A作为例子，说明这些隔板40。应当理解，尽管如上所述图1是根据该实施例的燃料电池10的俯视图，但它也构成阴极侧的隔板40A的俯视图。在图2中，阴极侧的隔板40A布置在MEA 20的上侧。该隔板40A在图2中看时在其上侧(在图1中看时在其前侧)包括用于引导诸如水等冷却剂的冷却剂通道41。在该实施例中，这些冷却剂通道41为多个沿着矩形隔板40A的长边方向平行布置的凹槽。冷却剂从供给侧冷却剂岐管13A供给至冷却剂通道41，而在供给侧冷却剂岐管13A与冷却剂通道41之间设有冷却剂供给通路42A，用于向冷却剂通道供给冷却剂。由于该冷却剂供给通路42A的存在，已经从供给侧冷却剂岐管13A供给的冷却剂可以通过由多个凹槽组成的冷却剂通道41。已通过冷却剂通道41的冷却剂从排出侧冷却剂岐管13B排出。在排出侧冷却剂岐管13B与冷却剂通道41之间设有冷却剂排出通路42B，已通过冷却剂通道41的冷却剂由该冷却剂排出通路42B收集并排出至排出侧冷却剂岐管13B。而且，阴极侧的隔板40A在图2中其下侧表面上设有用于向MEA 20的阴极28A供给氧化气体的氧化气体供给通道44。氧化气体从供给侧氧化气体岐管34A沿着阴极侧树脂框架30A的框架部31中的氧化气体供给通路36A流动，并供给至氧化气体供给通道44。应当理解，沿着氧化气体供给通道44通过的未反应的氧化气体等沿着树脂框架30A的氧化气体排出通路36B流动，并排出至排出侧氧化气体岐管34B。
另一方面，阳极侧的隔板40B布置在MEA 20的下侧。阳极侧的隔板40B与阴极侧的隔板40A具有相同的基本结构。在图2中隔板40B的下侧设有用于引导诸如水等的冷却剂的冷却剂通道41，而在其上侧设有用于向MEA 20的阳极供给燃料气体的燃料气体供给通道45。
隔板40由诸如铝或不锈钢等的导电材料制成，且其一部分与MEA 20接触，并形成为用于从MEA 20集电的集电部48。通常这种集电部48设置在MEA 20上的多个位置处。在本发明的该实施例中，阴极侧的隔板40A的凸起部47A和阳极侧的隔板40B的凸起部47B与MEA的两侧接触，并构成集电部48。应当理解，在该实施例中，沿着这些构成集电部48的凸起部47，它们还构成冷却剂通道41、氧化气体供给通道44及燃料气体供给通道45。
特别地，根据该实施例的燃料电池10包括MEA的周缘部处的集电部50；具体地说，这些集电部50设置成(参考图2和图3)位于MEA的周缘部S3和S4处。这些集电部50除了在这些周缘部S3和S4处集电之外，还通过在其前后表面上接触MEA而保持MEA 20固定。因此，在本发明的该实施例的MEA 20中，MEA 20的周缘部S1和S2被树脂框架30的夹持部37夹持，由此MEA 20被固定，而且其周缘部S3和S4与隔板40A的凸起部47A和隔板40B的凸起部47B接触，由此MEA 20被固定。因此，MEA 20中难以发生起皱。
下面，将参照图1、图2和图5简单说明由根据该实施例的燃料电池10发电的原理。供给至燃料电池10(燃料电池组)中的燃料气体通过供给侧燃料气体岐管11A并被供给至每一燃料电池10(单个电池)中。该燃料气体通过该燃料电池10的树脂框架30B(阳极侧)中的燃料气体供给通路(图中未表示)，并进一步被供给至MEA 20的阳极28B，同时通过隔板40B(阳极侧)的燃料气体供给通道45。应当理解，通常，该燃料气体以被加湿状态供给。另一方面，氧化气体经由供给侧氧化气体岐管12A被供给至每一燃料电池。该氧化气体通过燃料电池10的树脂框架30A(阴极侧)的氧化气体供给通路36A，并进一步被供给至MEA 20的阴极28A，同时通过隔板40A(阴极侧)的氧化气体供给通道44。
当该氧化气体被供给至MEA 20的阴极28A时，阳极28B处的燃料气体在MEA 20中经历以下化学反应。已经供给至阳极28B的该燃料气体被分成质子和电子。这样生成的质子在电解质层22中移动，从阳极28B到达阳极28B相对侧的阴极28A。电子在隔板40B中从集电部48(凸起部47B)迁移，并且通过与该隔板40B邻接的、电池组中下一燃料电池10A的阴极侧的隔板40A″。另一方面，已经供给至阴极28A的氧化气体(氧)通过与在电解质层22中移动的质子结合而生成水。尽管氧与这些质子的结合需要电子，但这些电子是由与阴极侧的该隔板40A邻接的、下一燃料电池10A的阳极侧的隔板40B′提供的电子。通过这一系列生成水的化学反应，可以从燃料电池取出电流。
由于根据该第一实施例的燃料电池10在MEA 20的周缘部S3和S4的区域(参考图3)包括集电部47，因此上述化学反应也可以在周缘部S3和S4的区域进行。
下面，将参照图8-10说明本发明的第二实施例。
根据该第二实施例的燃料电池110与上述根据第一实施例的燃料电池10具有相同的基本结构。对于相同的元件，在该第二实施例的图中采用与第一实施例有关的图中相同的附图标记。第二实施例的燃料电池110不同于第一实施例的燃料电池10的主要特征在于绕MEA 20的周缘部形成的集电部的结构。如图8中所示，对于根据该第二实施例的燃料电池110，在MEA 20的周缘部上的位置处具有多个单独的集电部50。
如图9中所示，该第二实施例的燃料电池110包括MEA 20、布置在MEA 20前后表面上的树脂框架130(130A，130B)、和布置在夹持于树脂框架130之间的MEA 20前后表面上的隔板140(140A，140B)。此外，在该第二实施例中，也可以推想在图中所示的燃料电池110上方和下方布置有图中未示出的其它燃料电池。
在位于MEA 20上方的阴极侧的隔板140A的两个表面上设有多个凹槽，其中上侧凹槽限定冷却剂通道41，而下侧凹槽限定氧化气体供给通道44。而且，在位于MEA 20下方的阳极侧的隔板140B的两个表面上设有多个凹槽，其中下侧凹槽限定冷却剂通道41，而上侧凹槽限定燃料气体供给通道45。此外，阴极侧的隔板上的凸起部47A和阳极侧的隔板上的凸起部47B限定与MEA 20接触的集电部48。
除上述集电部48以外，根据该第二实施例的燃料电池110还具有多个位于MEA 20的周缘部处的集电部50。这些集电部50由集电凸部49A、49B限定，集电凸部49A、49B分别形成在分别从上侧和下侧与MEA 20接触的阴极侧的隔板140A上和阳极侧的隔板140B上。
下面，将说明根据该第二实施例的燃料电池110的树脂框架130。这些树脂框架130作为一对分别位于阴极侧和阳极侧的树脂框架130A和130B而设置，且MEA 20的周缘部的预定位置在前后表面上被该对树脂框架130A、130B夹持。由于这两个树脂框架130A和130B的基本结构相同，因此仅说明用作阴极侧的树脂框架130A的树脂框架130的结构。如图10中所示，根据该第二实施例的阴极侧的树脂框架130A不仅包括沿着树脂框架130A的短边布置的夹持部而且包括沿着其长边布置的夹持部38作为夹持MEA 20的夹持部，从而，在这方面，该结构不同于上述根据第一实施例的燃料电池10的结构。根据该第二实施例的MEA 20与已经参照图3说明的上述第一实施例的MEA 20相同。MEA 20的周缘部S1和S2的区域被夹持在沿着树脂框架130的短边的夹持部37之间，而周缘部S3和S4的区域被沿着其长边的夹持部38夹持。因为这样，与上述第一实施例的情况相比，该结构确保MEA 20更难以发生起皱。如图10中所示，沿着树脂框架130的长边的夹持部38设有多个孔部39，上述集电部50设置在这些孔部39的位置。应当理解，尽管图10中所示的框架130是阴极侧的树脂框架130A，但以类似方式，图中未示出的阳极侧的树脂框架130B中也形成有同样的孔部。
如上所述，这些设置在MEA 20的周缘部上的集电部50形成在沿着树脂框架130的长边的夹持部38的孔部39的位置。如图9中所示，阴极侧的隔板140A的集电凸部49A和阳极侧的隔板140B的集电凸部49B分别嵌入阴极侧的树脂框架130A的孔部39和阳极侧的树脂框架130B的孔部中，并且接触MEA 20，从而在MEA 20的周缘部上形成集电部50。应当理解，尽管在该第二实施例中，集电部50设置在沿着MEA 20的周缘部的长边的区域S3和S4中，但根据需要，也可以将这种集电部布置在沿着MEA20的周缘部的短边的区域S1和S2中。
尽管在上述第二实施例中，在树脂框架130的夹持部38中设有孔部39，但在其它实施例中，也可以代替这种孔部39设置切口部39C(参考图11)。在这种情况下，集电部将由具有与切口部39C的形状对应的形状的集电凸部构成。应当理解，上述各实施例中说明的集电凸部可以理解为权利要求中的“凸起部”。
尽管已经结合其实施例对本发明进行了说明，但应当理解本发明并不局限于这些实施例或结构。相反，本发明意图覆盖各种修改和等价布置。此外，尽管实施例中的各元件以各种组合和构造表示，但这些组合和构造是示例性的，其它包括更多、更少或者仅单个元件的组合和构造，也处于本发明的精神和范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池，包括：
膜电极组件(20)，所述膜电极组件(20)包括形成于电解质层的表面上的电极；
绝缘框架(30A)，所述绝缘框架(30A)设置在所述膜电极组件(20)的前后表面处，且通过夹持所述膜电极组件(20)的周缘部固定所述膜电极组件(20)；和
导电隔板(40)，所述导电隔板(40)设置在被所述绝缘框架(30A)夹持的所述膜电极组件(20)的前后表面处，与所述膜电极组件(20)接触，且限定从所述膜电极组件(20)集电的集电部(50)；
其特征在于：
所述绝缘框架(30A)夹持所述膜电极组件(20)的周缘部的一部分；和
所述导电隔板(40)在所述膜电极组件(20)的没有被所述绝缘框架(30A)夹持的其它周缘部构成所述集电部(50)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述导电隔板(40)具有凸起部(47A，47B)，且所述集电部(50)由与所述膜电极组件(20)接触的所述凸起部(47A，47B)构成。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述凸起部(47A，47B)除了限定所述集电部(50)之外，还限定引导冷却剂的冷却剂通道(41)、供给氧化气体的氧化气体供给通道(44)、及供给燃料气体的燃料气体供给通道(45)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述绝缘框架(30A)由树脂制成。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述导电隔板(40)由金属制成。
6.一种在根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池中使用的框架，包括用于夹持所述膜电极组件(20)的周缘部的夹持部(37)，并且形成有允许所述导电隔板(40)的所述集电部(50)通过所述夹持部(37)的孔部(39)。
7.一种在根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池中使用的框架，包括用于夹持所述膜电极组件(20)的周缘部的夹持部(37)，并且形成有允许所述导电隔板(40)的所述集电部(50)通过所述夹持部(37)的切口部(39C)。
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