CN101199071B - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池(100)，其特征在于包括：电解质(30)；以及电解质增强构件(10)，其具有穿透部分(11)并且增强所述电解质。所述电解质(30)在其与所述电解质增强基板(100)相反一侧的面处具有高电流密度区域和低电流密度区域，所述高电流密度区域的电流密度高于所述电解质(30)的平均电流密度，所述低电流密度区域的电流密度低于所述平均电流密度。所述穿透部分(11)面对所述高电流密度区域的面积大于所述穿透部分(11)面对所述低电流密度区域的面积。
Description
技术领域
本发明一般地涉及具有电解质的燃料电池。
背景技术
一般来说，燃料电池是由燃料(氢和氧)获得电力的装置。因为燃料电池具有环境优异性并且可以实现高的能量效率，所以燃料电池正被广泛开发作为能量供应装置。
燃料电池具有如下结构：多个发电器在分离器被插入其间的情况下层叠，该发电器具有其中阳极和阴极将电解质保持在其间的结构。凹槽被形成在分离器上，并且被用作从外部提供的反应剂气体的通道。利用该结构，从外部提供到分离器的反应剂气体被提供到阳极和阴极，并且燃料电池产生电力。
专利文件1公开了一种具有分离器和增强电解质的增强基板的燃料电池。利用该燃料电池，因为构件被电接触，所以接触电阻被减小。因此，燃料电池的发电效率提高。
专利文件1：日本专利申请公布No.3-110761
发明内容
本发明要解决的问题
然而，利用在专利文件1中所公开的技术，凹入和凸起被无序布置在分离器上，并且孔被无序地形成在增强基板中。因此，在电力发生器中存在有效发电面积被减小的情形。
本发明的目的是提供在电力发生器中具有大的有效发电面积的燃料电池。
解决该问题的技术手段
根据本发明的燃料电池的特征在于包括电解质，电解质增强构件和电极。所述电解质增强构件具有通孔并且增强所述电解质。所述电极设置在所述电解质的与所述电解质增强基板相反一侧上。所述电极具有高电流密度区域和低电流密度区域，所述高电流密度区域的电流密度高于所述电极的平均电流密度，所述低电流密度区域的电流密度低于所述平均电流密度。所述通孔面对所述高电流密度区域的面积大于所述通孔面对所述低电流密度区域的面积。
利用根据本发明的燃料电池，燃料气体经由通孔被提供到电解质。在电解质的电解质增强构件一侧的面上，通孔处的电流密度增大。在此情况下，因为通孔面对高电流密度区域的面积大于通孔面对低电流密度区域的面积，所以有效发电面积增大。因此，根据本发明的燃料电池的发电效率被提高。
所述通孔可以布置成仅面对所述高电流密度区域。在此情况下，在电解质的电解质增强基板一侧的面处的高电流密度区域与在电解质的与电解质增强基板相反一侧的面处的高电流密度区域相对应。可以最大程度地增大根据本发明的燃料电池的发电效率。
所述燃料电池可以包括分离器，其设置在所述电极的与所述电解质相反一侧上，并且在所述分离器的靠近所述电解质的一侧形成有凹入部分和凸起部分。所述高电流密度区域可以是所述电极上的与所述分离器的所述凸起部分接触的区域。在此情况下，即使电流因为分离器的凹入部分和凸起部分而变化，也可以增大有效发电面积。
本发明的效果
根据本发明，有效发电面积被增大。因此，发电效率被提高。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池的示意性剖视图；
图2A和图2B示出了说明通孔和接触部分的形成的视图；
图3A和图3B示出了说明增强基板和分离器的形状的视图；
图4A和图4B示出了说明增强基板和分离器的形状的视图；
图5A和图5B示出了说明增强基板和分离器的形状的视图；
图6示出了根据本发明的第二实施例的燃料电池的示意性剖视图；
图7示出了根据本发明的第三实施例的燃料电池的示意性剖视图；
图8A和图8B示出了说明通孔位置和接触部分位置之间的关系的视图；
图9示出了根据本发明的第四实施例的燃料电池的示意性剖视图；以及
图10示出了具有设置在增强基板之下的分离器的燃料电池的示意性剖视图。
具体实施方式
下面将描述用于实现本发明的具体实施方式。
<第一实施例>
图1示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池100的示意性剖视图。在此实施例中，透氢膜燃料电池被用作燃料电池。在此，透氢膜燃料电池具有透氢膜。透氢膜由具有透氢性的金属构成。透氢膜燃料电池具有其中具有质子传导性的电解质被设置在透氢膜上的结构。提供到阳极的一些氢通过催化剂反应被转化为质子。质子在具有质子传导性的电解质中被传导，与提供到阴极的氧反应，并转化成水。
如图1所示，燃料电池100具有其中透氢膜20、电解质30、阴极40和分离器50被依次层叠在增强基板10上的结构。增强基板10由其中形成有多个通孔11的金属基板制成。增强基板10由诸如不锈钢之类的导电材料构成。增强基板10与透氢膜20接触的区域被称为增强部分12。
透氢膜20充当燃料气体被提供到其的阳极，并且由透氢金属构成。构成透氢膜20的金属诸如是钯、钒、钛、钽等。电解质30例如由诸如钙钛矿型质子导体(BaCeO3等)、固体酸质子导体(CsHSO4等)之类的质子导体构成。
阴极40是氧化剂气体被提供到其的电极。阴极40例如由诸如钴酸镧、锰酸镧、银、铂、或者担载铂的碳之类的导电材料构成。分离器50由诸如不锈钢之类的导电材料构成。多个沟槽被形成在分离器50的阴极40侧。沟槽被称为气体通道51。并且，分离器50与阴极40接触的区域被称为接触部分52。在此实施例中，增强基板10和分离器50被形成为使得通孔11面对接触部分52，增强部分12面对气体通道51。
接着将描述燃料电池100的操作。包括氢在内的燃料气体被提供到增强基板10。该燃料气体经由通孔11被提供到透氢膜20。燃料气体中的一些氢在透氢膜20处被转化为质子。质子在透氢膜20和电解质30中被传导，到达阴极40。
另一方面，包括氧在内的氧化剂气体被提供到分离器50的气体通道51。此提供到气体通道51的氧化剂气体扩散到阴极的与接触部分52接触的区域。在阴极40的整个上部面提供氧化剂气体。质子与提供到阴极40的氧化剂气体中的氧反应。由此产生水和电力。所产生的电力由分离器50的接触部分52收集。
因为提供到气体通道51的氧化剂气体被提供到阴极40的上部面的整个面积，所以在阴极40的上部面的整个面积上产生电力。具体地，因为阴极40通过接触部分52与分离器50接触，所以在阴极40的与接触部分52接触的区域处最有效地产生电力。在阴极40处，与接触部分52接触的区域的电流密度大于气体通道51的区域的电流密度。
另一方面，燃料气体经由通孔11提供到透氢膜20。在透氢膜20处，在对应于通孔11的区域处的电流密度高于在与增强部分12接触的区域处的电流密度。因为在此实施例中，在燃料电池100中，通孔11面对接触部分52，所以电流密度较高的区域彼此面对。因此，减小了电解质30的电阻的影响。根据本实施例的燃料电池100的发电效率被提高。
图2A和图2B示出了说明通孔11和接触部分52的形状的视图。图2A示出了增强基板10的顶视图。图2B示出了分离器50的底视图。如图2A所示，多个通孔11被形成在增强基板10中。如图2B所示，由多个凸起构成的接触部分52被形成还在分离器50上。优选的是，分离器50上的接触部分52的面积比率约为1％到10％。增强基板10上的通孔11的面积比率处于相同的范围中。
增强基板10和分离器50在将透氢膜20、电解质30和阴极40保持在其间的情况下被层叠，使得通孔11面对接触部分52。接触部分52和通孔11可以不以均匀的间隔布置在分离器50的下部面上和增强基板10中。在此情况下，当接触部分52面对通孔11时，实现了本发明的效果。
通孔11的开口区域可以不与接触部分52的接触区域相对应。例如，如果接触部分52面对通孔11而被装配到通孔11中，则即使接触部分52的接触区域小于通孔11的开口区域，透氢膜20的发电区域也在最大程度上得到使用。另一方面，如果通孔11面对接触部分52而被装配到接触部分52中，则即使通孔11的开口区域小于接触部分52的接触区域，阴极40的发电区域也在最大程度上得到使用。
图3A至图5B分别示出了作为增强基板10的另一个实例的增强基板10a至10c的形状和作为分离器50的另一个实例的分离器50a至50c的形状。图3A示出了增强基板10a的顶视图。图3B示出了分离器50a的底视图。如图3A所示，具有条纹形状的通孔11a被形成在增强基板10a的中心部分中。如图3B所示，具有条纹形状的接触部分52a被形成在分离器50a的底面上。通孔11a的宽度例如为约0.5mm到2mm。各通孔11a之间的平均间隔例如为约5mm到20mm。
图4A示出了增强基板10b的顶视图。图4B示出了分离器50b的底视图。如图4A所示，多个具有圆柱形状的通孔11b被形成在增强基板10b中。如图4B所示，由多个具有圆柱形状的凸起构成的接触部分52b被形成在分离器50b上。通孔11b的直径例如为约0.5mm到5mm。各通孔11b之间的平均间隔例如为约5mm到50mm。
图5A示出了增强基板10c的顶视图。图5B示出了分离器50c的底视图。如图5A所示，多个具有多棱柱形状的通孔11c被形成在增强基板10c中。如图5B所示，由多个具有多棱柱形状的凸起构成的接触部分52c被形成在分离器50c上。通孔11c的侧边长度例如为约0.5mm到5mm。各通孔11c之间的平均间隔例如为约5mm到50mm。
下面描述增强基板10的通孔11和分离器50的接触部分52的形状。通孔11和接触部分52的形状不限于上述的形状。如果通孔11和接触部分52被形成为彼此面对，则即使通孔11和接触部分52具有其它形状，也可以实现本发明的效果。如果通孔11的开口区域和接触部分52的接触区域被设为使得通孔11和接触部分52中的一个被形成为装配到另一个中，则即使通孔11的开口区域与接触部分52的接触区域不同，也可以实现本发明的效果。在此实施例中，通孔11对应于穿透部分，增强基板10对应于电解质增强构件，接触部分52对应于凸起部分，阴极40对应于正极。
<第二实施例>
在此，在气体通道中流动的氧化剂气体中的氧在燃料电池的发电反应中被消耗。越靠近氧化剂气体的出口端口，在气体通道中流动的氧化剂气体中的氧的浓度越小。因此，即使氧被提供到处于气体通道处的阴极，也存在没有将足够氧提供到处于氧化剂气体的出口端口附近的阴极和分离器之间的接触区域的情形。结果，存在在气体通道处的阴极的发电效率高于阴极和分离器之间的接触部分的发电效率的情形。在此实施例中，将描述考虑到了上述问题的燃料电池。
图6示出了根据本发明的第二实施例的燃料电池100a的示意性剖视图。在燃料电池100a中，设置增强基板10d代替增强基板10，设置分离器50d代替分离器50，这不同于图1所示的燃料电池100。增强基板10d由与增强基板10相同的材料构成，并且具有通孔11d和增强部分12d。分离器50d由与分离器50相同的材料构成，并且具有气体通道51d和接触部分52d。
在此实施例中，在提供氧化剂气体一侧，增强基板10d的通孔11d面对分离器50d的接触部分52d。在排出氧化剂气体一侧，通孔11d面对气体通道51d。即使氧化剂气体的氧在燃料电池100a的发电反应中被消耗，透氢膜20的高电流密度区域也面对阴极40的高电流密度区域。结果，燃料电池100a的发电效率被提高。
<第三实施例>
存在分离器的下部面处的接触部分的面积比率不同于增强基板的开口面积比率的情形。在此情况下，存在分离器的接触部分不面对增强基板的通孔的情形。在第三实施例中，将描述分离器的接触部分的一部分不面对增强基板的通孔的情形。
图7示出了根据本发明的第三实施例的燃料电池100b的示意性剖视图。在燃料电池100b中，设置增强基板10e代替增强基板10，设置分离器50e代替分离器50，这不同于图1所示的燃料电池100。增强基板10e由与增强基板10相同的材料构成，并且具有通孔11e和增强部分12e。分离器50e由与分离器50相同的材料构成，并且具有气体通道51e和接触部分52e。
增强基板10e的通孔11e的面积比率为约40％到80％。分离器50e的下部面的接触部分52e的面积比率为约5％到50％。在此实施例中，将描述增强基板10e的通孔11e的面积比率大于分离器50e的下部面的接触部分52e的面积比率的情形。
在此实施例中，因为增强基板10e的通孔11e的面积比率不同于分离器50e的下部面处的接触部分52e的面积比率，所以增强基板10e的通孔11e不总是对应于分离器50e的接触部分52e。因此，增强基板10e的增强部分12e不总是面对分离器50e的气体通道51e。下面将描述通孔11e的位置和接触部分52e的位置之间的关系。
图8A和图8B示出了说明通孔11e的位置和接触部分52e的位置之间的关系的视图。图8A示出了增强基板10e的顶视图。图8B示出了分离器50e的底视图。面对通孔11e的各个接触部分52e的区域被称为区域X。面对增强部分12e的各个部分接触部分52e的区域被称为区域Y。在此实施例中，接触部分52e和通孔11e被形成为使得区域X的总和大于区域Y的总和。
在常规燃料电池中，因为接触部分和通孔被无序地布置，所以区域X的总和基本等于区域Y的总和。因此，常规燃料电池的发电效率不高。另一方面，在此实施例中，区域X的总和大于区域Y的总和。因此，根据此实施例的燃料电池的发电效率高于常规燃料电池的发电效率。
<第四实施例>
接着将描述本发明被应用于不同于透氢膜燃料电池的另一种类型的燃料电池的情形。在此实施例中，将描述不同于透氢膜燃料电池并且具有增强电解质的增强基板的燃料电池。图9示出了根据本发明的第四实施例的燃料电池200的示意性剖视图。如图9所示，燃料电池200具有其中阳极220、电解质230、阴极240和分离器250被依次层叠在增强基板210上的结构。
增强基板210由其中形成有多个通孔211的金属基板制成。诸如不锈钢之类的金属基板可以用作增强基板210。增强基板210与阳极220接触的部分被称为增强部分212。阳极220是燃料气体被提供到其的电极。阴极240是氧化剂气体被提供到其的电极。电解质230是质子或者氧离子在其中被传导的电解质。分离器250由诸如不锈钢之类的导电材料构成。多个沟槽被形成在分离器250的阴极240侧。沟槽被称为气体通道251。分离器250与阴极240接触的区域被称为接触部分252。
因为氧化剂气体不仅被提供到气体通道251，而且被提供到接触部分252，并且接触部分252与分离器250中的阴极240接触，所以在接触部分252与阴极240接触的区域最有效地产生电力。在阳极220中，燃料气体被提供到增强基板210的通孔211。
在此实施例中，通孔211面对接触部分252，并且增强基板210和分离器250被形成为使得增强部分212面对气体通道251。这导致具有高电流密度区域彼此面对。因此，电解质230的电阻的影响被减小。因而，燃料电池200的发电效率被提高。
设置在增强基板210之下的分离器的气体通道可以面对通孔211。图10示出了该情形。图10示出了具有设置在增强基板210之下的分离器的燃料电池200a的示意性剖视图。如图10所示，分离器260设置至增强基板210之下。除了分离器260之外，燃料电池200a具有与图9所示的燃料电池200相同的结构。
气体通道261和与增强基板210接触的接触部分262被形成在分离器260的上部面上。接触部分262被形成为面对增强部分212。在此情况下，提供到气体通道261的燃料气体容易被提供到阳极220。这导致燃料电池200a的发电效率提高。
如上所述，如果阳极侧分离器的气体通道、增强基板的通孔以及阴极侧分离器的接触部分彼此对应，则燃料电池的发电效率被提高。增强基板210可以被设置在阴极240和分离器250之间。在此情况下，如果分离器260的接触部分262、增强基板210的通孔211以及分离器250的气体通道251彼此对应，则燃料电池200a的发电效率被提高。
Claims (3)
1.一种燃料电池，其特征在于包括：
电解质；
电解质增强构件，其具有通孔并且增强所述电解质；以及
电极，设置在所述电解质的与所述电解质增强构件相反一侧上，
其中：
所述电极具有高电流密度区域和低电流密度区域，所述高电流密度区域的电流密度高于所述电极的平均电流密度，所述低电流密度区域的电流密度低于所述平均电流密度；以及
所述通孔面对所述高电流密度区域的面积大于所述通孔面对所述低电流密度区域的面积。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述通孔布置成仅面对所述高电流密度区域。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于还包括：
分离器，其设置在所述电极的与所述电解质相反一侧上，并在所述分离器的靠近所述电解质的一侧形成有凹入部分和凸起部分，其中，所述高电流密度区域是所述电极上的与所述分离器的所述凸起部分接触的区域。
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