CN101312250A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明供给一种燃料电池，一方的构成发电电池(12)的第一金属隔板(18)以及另一方的构成发电电池(12)的第二金属隔板(20)直接层叠而形成冷却介质流路(54)。在第一金属隔板(18)上，在燃料气体流路(34)和入口缓冲部(36a)之间向冷却介质流路(54)侧突出而成形有压线(38a)。在第二金属隔板(20)上，在氧化剂气体流路(44)和入口缓冲部(46a)之间向冷却介质流路(54)侧突出而成形有压线(48a)。压线(38a、48a)相互接触，限制冷却介质向背面缓冲部(56a)流通。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池层叠了在电解质膜的两侧设置有一对电极的电解质膜-电极结构体和波纹板形状的金属隔板，形成沿着电极面在重力方向或者水平方向供给反应气体的反应气体流路，同时形成使冷却介质在与上述反应气体流路的反应气体流动方向交叉的方向上流动的冷却介质流路。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备：由隔板夹持在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的两侧分别配设有阳极侧电极和阴极侧电极的电解质膜·电极结构体的发电电池。这种的燃料电池通常通过层叠规定数量的发电电池而作为燃料电池组使用。
在上述的燃料电池中，在隔板的面内设置有用于使燃料气体流过阳极侧电极的燃料气体流路(以下也称为反应气体流路)、和用于使氧化剂气体流过阴极侧电极的氧化剂气体流路(以下也称为反应气体流路)。进而，在每个发电电池或多个发电电池上，沿着隔板的面方向设置有用于使冷却介质流过的冷却介质流路。
就燃料电池而言，在隔板的层叠方向贯通的反应气体连通孔和冷却介质连通孔有时构成设置在上述燃料电池的内部的所谓内部歧管(manifold)。此时，通常为了将反应气体分散并均匀供给于上述反应气体流路，在反应气体连通孔和反应气体流路之间设置有缓冲部。
例如，在特表2002-530836号公报中，如图8所示，在金属板单元1的长度方向一端缘部贯通形成有氧化剂气体入口歧管2a、制冷剂入口歧管3a和燃料气体入口歧管4a。在金属板单元1的长度方向另一端缘部贯通形成有氧化剂气体出口歧管2b、制冷剂出口歧管3b和燃料气体出口歧管4b。
在该金属板单元1的冷却面侧形成直线状的波形流路5，同时在上述波形流路5的两端分别设置有由波纹(dimple)或轨道形成的入口缓冲部6a和出口缓冲部6b。入口缓冲部6a和出口缓冲部6b，与未图示的有燃料气体和氧化剂气体流过的各流路的两端设置的入口缓冲部和出口缓冲部对应设置。这是因为冷却介质的流动方向被设定成与燃料气体和氧化剂气体的流动方向一样。
在上述的现有技术中，在金属板单元1的冷却面侧设置有入口缓冲部6a和出口缓冲部6b，从制冷剂入口歧管3a供给的冷却介质从上述入口缓冲部6a经由波形流路5和上述出口缓冲部6b被排出到制冷剂出口歧管3b。
但是，在作为需要冷却的发电部以外的非发电部的入口缓冲部6a和出口缓冲部6b中也会流入冷却介质。为此，必须使发电部的冷却所必需的冷却介质流量以上的冷却介质流过。由此，冷却介质用泵的电力损耗增大，系统效率降低。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种尤其在冷却介质的流动方向和反应气体的流动方向交叉的结构中，可以确实可靠地阻止上述冷却介质被导入到反应气体用缓冲部的背面形状部(以下称为背面缓冲部)而有效且经济地进行发电的燃料电池。
本发明的燃料电池，其将在电解质膜的两侧设置有一对电极的电解质膜-电极结构体和波纹板形状的金属隔板层叠，形成沿着电极面供给反应气体的反应气体流路，同时形成使冷却介质在与上述反应气体流路的反应气体流动方向交叉的方向上流动的冷却介质流路。
金属隔板具有：使反应气体在层叠方向上流过的反应气体连通孔、连通上述反应气体连通孔和反应气体流路的缓冲部、使冷却介质在层叠方向上流过的冷却介质连通孔。此外，至少一方的金属隔板通过在反应气体流路和缓冲部之间向冷却介质流路侧突出成形，由此设置有限制冷却介质向构成上述缓冲部的背面侧的背面缓冲部流通的凸部。
通过本发明，在冷却介质连通孔和背面缓冲部之间，借助凸部限制冷却介质的流通，所以上述冷却介质可以沿着冷却介质流路确实可靠且良好地流动。由此，可以良好地削减冷却介质流量，削减冷却介质用泵的电力损耗，容易地提高系统效率。
而且，冷却介质流路侧的凸部构成反应气体流路侧的凹部。因此，可以良好地实现反应气体流路中反应气体的均匀分配，所以可以有效提高发电性能。进而，冷却介质相对于发电部的流量分配变得均匀，所以可以阻止局部过热点的发生，抑制电解质膜的温度劣化。
根据与附加的附图协同的下述的优选实施方式例子的说明，可以进一步清楚上述的目的、特征以及优点。
附图说明
图1是构成本发明的第一实施方式的燃料电池的发电电池的分解概略立体图。
图2是上述燃料电池的图1中的II-II线剖面说明图。
图3是构成上述燃料电池的第一金属隔板的一个面的主视图。
图4是上述第一金属隔板的另一个面的主视图。
图5是本发明的第二实施方式的燃料电池的主要部分剖面说明图。
图6是本发明的第三实施方式的燃料电池的主要部分剖面说明图。
图7是构成本发明的第四实施方式的燃料电池的第一金属隔板的主视说明图。
图8是特表2002-530836号公报中公开的金属板单元的主视说明图。
具体实施方式
本发明的第一实施方式的燃料电池10，如图1和图2所示，在箭头A方向上层叠多个发电电池12，同时在层叠方向两端配置端板(未图示)。端板通过未图示的拉杆固定，或者被收容于未图示的外壳内，由此向层叠的多个发电电池12赋予箭头A方向的规定的紧固负荷。
就发电电池12而言，电解质膜-电极结构体16由阳极侧的第一金属隔板18和阴极侧的第二金属隔板20夹持。第一以及第二金属隔板18、20，通过对金属制薄板进行冲压加工并加工成波纹形状而具有截面凹凸形状。
此外，第一以及第二金属隔板18、20是由例如钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或者已对其金属表面实施防蚀用的表面处理的金属板构成。
在发电电池12的长边方向(图1中的箭头C方向)的上端缘部，设置有在箭头A方向上相互连通并用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体供给连通孔(反应气体连通孔)22a和用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体供给连通孔(反应气体连通孔)24a。
在发电电池12的长边方向的下端缘部，设置有在箭头A方向上相互连通并用于排出燃料气体的燃料气体排出连通孔(反应气体连通孔)24b和用于排出氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔(反应气体连通孔)22b。
在发电电池12的短边方向(箭头B方向)的一端缘部，设置有在箭头A方向上相互连通并用于供给冷却介质的冷却介质供给连通孔26a，同时在短边方向的另一端缘部设置有用于排出上述冷却介质的冷却介质排出连通孔26b。
电解质膜-电极结构体16例如具备：在全氟磺酸的薄膜中浸渗有水的固体高分子电解质膜28、夹持上述固体高分子电解质膜28的阳极侧电极30和阴极侧电极32。阳极侧电极30具有小于阴极侧电极32的表面积。
阳极侧电极30和阴极侧电极32具有：由复写纸等形成的气体扩散层(未图示)、和将表面担载有铂合金的多孔碳粒子均匀地涂敷在上述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜28的两面。
如图3所示，在第一金属隔板18的朝向电解质膜-电机结构体16的面18a上，形成连通燃料气体供给连通孔24a和燃料气体排出连通孔24b的燃料气体流路34。该燃料气体流路34具有在箭头C方向上延伸的多个波纹状流路槽34a，在位于上述波纹状流路槽34a的箭头C方向上端和下端的位置设置有入口缓冲部36a和出口缓冲部36b。
入口缓冲部36a和出口缓冲部36b具有多个压纹(emboss)37a、37b，同时具有宽度方向中央部向上方以及下方突出的大致三角形状。燃料气体流路34和入口缓冲部36a以及出口缓冲部36b之间，向后述的冷却介质流路54侧(面18b侧)突出而冲压成形有压线(凸部)38a、38b(参照图2)。
在第一金属隔板18的面18a上，形成连通燃料气体供给连通孔24a和入口缓冲部36a的连通路形成用的多个接受部40a、和连通燃料气体排出连通孔24b和出口缓冲部36b的连通路形成用的多个接受部40b。在接受部40a、40b的附近分别形成有多个供给孔部42a和排出孔部42b。供给孔部42a在面18b侧与燃料气体供给连通孔24a连通，另一方面，排出孔部42b同样在上述面18b侧与燃料气体排出连通孔24b连通(参照图4)。
如图1所示，在第二金属隔板20的朝向电解质膜-电极结构体16的面20a上，形成连通氧化剂气体供给连通孔22a和氧化剂气体排出连通孔22b的氧化剂气体流路44。该氧化剂气体流路44具有在箭头C方向上延伸的多个波纹状流路槽44a，在位于上述波纹状流路槽44a的箭头C方向上端和下端的位置设置有入口缓冲部46a和出口缓冲部46b。
入口缓冲部46a和出口缓冲部46b具有多个压纹47a、47b，同时具有宽度方向中央部向上方以及下方突出的大致三角形状。氧化剂气体流路44和入口缓冲部46a以及出口缓冲部46b之间，向后述的冷却介质流路54侧(面20b侧)突出而冲压成形有压线(凸部)48a、48b(参照图2)。
在面20a上设置连通氧化剂气体供给连通孔22a和入口缓冲部46a的连通路形成用的多个接受部50a、和连通氧化剂气体排出连通孔22b和出口缓冲部46b的连通路形成用的多个接受部50b。
如图1和图2所示，在第一金属隔板18的面18b和第二金属隔板20的面20b之间形成与冷却介质供给连通孔26a和冷却介质排出连通孔26b连通的冷却介质流路54。该冷却介质流路54通过燃料气体流路34的背面形状和氧化剂气体流路44的背面形状相互重叠而在箭头B方向上延伸形成。具体地说，通过该燃料气体用波纹状流路槽34a和该氧化剂气体用波纹状流路槽44a的背面形状的重叠，形成该冷却介质流路54。
如图1和图4所示，在第一金属隔板18的面18b上，在冷却介质流路54的箭头C方向上端和下端，与入口缓冲部36a和出口缓冲部36b的背面形状对应设置大致三角形状的背面缓冲部56a、56b。背面缓冲部56a、56b具有多个压纹58a、58b。此外，第二金属隔板20的面20b的结构与上述的第一金属隔板18的面18b一样，省略对其的详细说明。
如图2所示，一方的构成发电电池12的第一金属隔板18和另一方的构成发电电池12的第二金属隔板20直接层叠而形成冷却介质流路54。各压线38a、38b和各压线48a、48b相互接触，由此限制冷却介质向背面缓冲部56a、56b流通。
在第一金属隔板18的面18a、18b上，围绕该第一金属隔板18的外周端缘部而一体成形有第一密封构件62。在第二金属隔板20的面20a、20b上，围绕该第二金属隔板20的外周端缘部而一体成形有作为平面密封的第二密封构件64。作为第一以及第二密封构件62、64，例如可以使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟硅酮橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁橡胶或丙烯酸橡胶等密封材料、缓冲材料、或者填料。
如图3所示，第一密封构件62具有在面18a侧围绕燃料气体流路34而设置的内侧密封部62a、和在该内侧密封部62a的外方设置的外侧密封部62b。内侧密封部62a构成围绕燃料气体流路34、入口缓冲部36a、出口缓冲部36b、供给孔部42a和排出孔部42b的凸状密封。
如图4所示，第一密封构件62具有在面18b侧围绕冷却介质流路54而设置的内侧密封部62c、和在该内侧密封部62c的外方设置的外侧密封部62d。内侧密封部62a和内侧密封部62c、以及外侧密封部62b和外侧密封部62d分别被设置在相对于层叠方向大致相互对应的位置。
内侧密封部62c在围绕冷却介质流路54、冷却介质供给连通孔26a以及冷却介质排出连通孔26b的同时覆盖背面缓冲部56a、56b(参照图4)。冷却介质供给连通孔26a以及冷却介质排出连通孔26b、和冷却介质流路54分别借助多条连结流路66a、66b连通。
关于该燃料电池10的动作，进行以下说明。
首先，如图1所示，在燃料电池10中，向氧化剂气体供给连通孔22a供给含氧气体等氧化剂气体，同时向燃料气体供给连通孔24a供给含氢气体等燃料气体。进而，向冷却介质供给连通孔26a供给纯水或乙二醇等冷却介质。为此，对于在箭头A方向上重叠的多个发电电池12，分别在箭头A方向上供给氧化剂气体、燃料气体以及冷却介质。
氧化剂气体从氧化剂气体供给连通孔22a被导入到第二金属隔板20的氧化剂气体流路44，沿着电解质膜-电极结构体16的阴极侧电极32在重力方向上移动。
此时，在第二金属隔板20的面20a，流过氧化剂气体供给连通孔22a的氧化剂气体通过多个接受部50a之间被供给到入口缓冲部46a。被供给到该入口缓冲部46a的氧化剂气体在箭头B方向上分散，同时沿着构成氧化剂气体流路44的多个波纹状流路槽44a在垂直方向上向下流动，被供给到电解质膜-电极结构体16的阴极侧电极32。
另一方面，燃料气体如图1和图3所示在第一金属隔板18的面18b，从燃料气体供给连通孔24a通过多个供给孔部42a被供给到面18a侧。该燃料气体通过接受部40a之间被导入到入口缓冲部36a。在入口缓冲部36a向箭头B方向分散的燃料气体，沿着构成燃料气体流路34的多个波纹状流路槽34a在垂直方向上向下移动，供给到电解质膜-电极结构体16的阳极侧电极30。
因此，在各电解质膜-电极结构体16中，被供给到阴极侧电极32的氧化剂气体和被供给到阳极侧电极30的燃料气体，在电极催化剂层内通过电化学反应而消耗，进行发电(参照图2)。
接着，被供给到阴极侧电极32而被消耗的氧化剂气体被运送至与氧化剂气体流路44的下部连通的出口缓冲部46b。进而，氧化剂气体从出口缓冲部46b沿着多个接受部50b之间被排出到氧化剂气体排出连通孔22b。
同样地，被供给到阳极侧电极30而被消耗的燃料气体，如图1和图3所示，被运送至与燃料气体流路34的下部连通的出口缓冲部36b，然后在多个接受部40b之间流动。燃料气体通过多个排出孔部42b向面18b侧移动，被排出到燃料气体排出连通孔24b。
另外，冷却介质从冷却介质供给连通孔26a被导入到第一以及第二金属隔板18、20之间的冷却介质流路54，然后沿着箭头B方向(水平方向)流动。该冷却介质在将电解质膜-电极结构体16冷却了之后从冷却介质排出连通孔26b排出。
此时，在第一实施方式中，如图2所示，一方的构成发电电池12的第一金属隔板18和另一方的构成发电电池12的第二金属隔板20，直接层叠而形成有冷却介质流路54。此时，各压线38a、38b和各压线48a、48b相互接触，由此限制冷却介质向背面缓冲部56a、56b流通。
为此，如图4所示，对于从冷却介质供给连通孔26a通过多个连结流路66a被供给到冷却介质流路54的冷却介质，可以确实可靠地阻止其被导入到背面缓冲部56a、56b。
由此，冷却介质可以沿着冷却介质流路54确实可靠且良好地流动，而不会没有必要地向背面缓冲部56a、56b流通，可以良好地削减冷却介质流量。因此，可以有效削减未图示的冷却介质用泵的电力损耗，容易地实现燃料电池10整体的系统效率的提高。
而且，压线38a、48a构成冷却介质流路54侧的凸部，另一方面，构成燃料气体流路34和氧化剂气体流路44侧的凹部。因此，可以确实可靠地实现燃料气体流路34和氧化剂气体流路44中的燃料气体和氧化剂气体的均匀分配，良好地提高发电性能。
进而，相对于电解质膜-电极结构体16的发电部，冷却介质的流量分配变得均匀。由此，有效阻止局部过热点的发生，特别是可以抑制固体高分子电解质膜28的温度劣化。
另外，在第一实施方式中，燃料气体流路34和氧化剂气体流路44的气体流动方向被设定成重力方向(箭头C方向)，另一方面，冷却介质流路54的制冷剂流动方向被设定成水平方向(箭头B方向)，但也可以与此相反，将上述气体流动方向设为水平方向，且将上述制冷剂流动方向设为重力方向。
图5是本发明的第二实施方式的燃料电池80的主要部分截面说明图。其中，对于与第一实施方式的燃料电池10相同的构成要素附加相同的参照符号，并省略对其的详细说明。另外，在以下说明的第三以及第四实施方式中，同样省略对其的详细说明。
燃料电池80是在箭头A方向上层叠多个发电电池82而构成的，同时上述发电电池82是在第一金属隔板84和第二金属隔板86之间夹持电解质膜-电极结构体16。
第一金属隔板84在燃料气体流路34和入口缓冲部36a之间向冷却介质流路54侧突出而冲压成形有压线(凸部)88。该压线88具有上述压线38a的大致两倍的高度。第二金属隔板86没有设置压线48a而设置成平坦面。
在该第二实施方式中，一方的构成发电电池82的第一金属隔板84和另一方的构成发电电池82的第二金属隔板86直接层叠。由此，第一金属隔板84的压线88与第二金属隔板86的平坦面接触，限制冷却介质向背面缓冲部56a流通。因此，得到与第一实施方式相同的效果。
图6是本发明的第三实施方式的燃料电池90的主要部分截面说明图。
燃料电池90采用所谓间隔冷却结构，具有第一金属隔板18、第一电解质膜-电极结构体16a、中间金属隔板92、第二电解质膜-电极结构体16b以及第二金属隔板20，它们在箭头A方向上层叠。
中间金属隔板92在朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面上形成燃料气体流路34，同时在与第二电解质膜-电极结构体16b对置的面上形成氧化剂气体流路44。
在该第三实施方式中，在第一金属隔板18和第二金属隔板20直接层叠而形成冷却介质流路54时，压线38a、48a相互接触而限制冷却介质向背面缓冲部56a流通。由此，可以得到与第一以及第二实施方式相同的效果。
图7是构成本发明的第四实施方式的燃料电池的第一金属隔板100的主视说明图。
设置在第一金属隔板100上的背面缓冲部56a、56b在压线38a、38b的附近设置多个压纹58a、58b。特别是在背面缓冲部56a、56b的中央部致密地配置有压纹58a、58b。其中，虽未图示，但在第二金属隔板中也为同样结构。
在该第四实施方式中，在压线38a、38b的附近，进一步优选集中于容易发生表面压力泄漏的背面缓冲部56a、56b的中央部，致密地配置压纹58a、58b。为此，可以限制冷却介质向背面缓冲部56a、56b流通，同时可以确实可靠且良好地向燃料电池整体施加紧固负荷。

Claims (5)

1.一种燃料电池，其将在电解质膜(28)的两侧设置有一对电极(30、32)的电解质膜-电极结构体(16)和波纹板形状的金属隔板(18)层叠，形成沿着电极面供给反应气体的反应气体流路(34)，并且形成使冷却介质在与所述反应气体流路(34)的反应气体流动方向交叉的方向上流动的冷却介质流路(54)，所述燃料电池的特征在于，
所述金属隔板(18)具有：
使所述反应气体在层叠方向上流过的反应气体连通孔(24a)；
连通所述反应气体连通孔(24a)和所述反应气体流路(34)的缓冲部(36a)；以及
使冷却介质在所述层叠方向上流过的冷却介质连通孔(26a)，并且，
至少一方的所述金属隔板(18)在所述反应气体流路(34)和所述缓冲部(36a)之间向所述冷却介质流路(54)侧突出成形，由此设置限制所述冷却介质向构成所述缓冲部(36a)的背面侧的背面缓冲部(56a)流通的凸部(38a)。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
在一方的构成燃料电池的第一金属隔板(18)以及另一方的构成燃料电池的第二金属隔板(20)上，向在所述第一金属隔板(18)和所述第二金属隔板(20)之间形成的所述冷却介质流路(54)的一侧突出而成形第一凸部(38a)和第二凸部(48a)，并且，
所述第一凸部(38a)和所述第二凸部(48a)相互接触，限制所述冷却介质向所述背面缓冲部(56a)流通。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述凸部(38a)由压线构成。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述缓冲部(36a)具有多个压纹(37a)，并且，
集中于所述凸部(38a)的附近中央而配置所述压纹(37a)。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述反应气体流路具有多个燃料气体用波纹状流路槽(34a)和多个氧化剂气体用波纹状流路槽(44a)，
通过所述燃料气体用波纹状流路槽(34a)和所述氧化剂气体用波纹状流路槽(44a)的背面形状的重叠，形成所述冷却介质流路(54)。
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