CN101828293A - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

通过配设绝热件，抑制燃料电池的内部和外部的热扩散，抑制因温度降低所导致的燃料电池性能的降低，并且通过指定所述绝热件的物理特性，得到在燃料电池中所必需的适当的绝热性，提高起动性。燃料电池1具有层积了多个单位单元的单元层积体10和配设在单元层积体10的单元层积方向两侧的集电板14A和14B，该燃料电池1具备绝热部24，该绝热部24具有绝热件21和从单元层积方向两侧夹持绝热件21的夹持板22和23，由夹持板22和23夹持绝热件21，绝热件21的导热率为0.1W/mK以下、且气孔率为70％以上。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及具有层积了多个单位单元的单元层积体的燃料电池。

背景技术

以往以来，一般的燃料电池的单位单元具备膜-电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly，以下简称为“MEA”)，具有在该MEA的两侧配设有隔板的结构，该MEA具有电解质膜、配置在该电解质膜的一面的阳极电极(阴极)和配置在另一面的阴极电极(阳极)。而且，在燃料电池中，层积多个该单位单元作为单元层积体，在该单元层积体的单元层积方向两端配置有集电板(接线板)、绝缘体、压板和末端板等。

在这样的燃料电池中，存在配设在单元层积体的端部的单位单元(以下称为“端部单元”)的温度比单元层积体的其他的单位单元的温度低这样的情况。这是因为：端部单元受到来自接线板、绝缘体、压板和末端板等的散热的影响，端部冷媒流路的冷媒的温度降低。特别地，已知：在配设在单元层积体的总负极侧的端部的端部单元中，阳极侧的温度变得比阴极侧的温度低。该温度降低有可能招致燃料电池的性能降低。

近年来，介绍了如下燃料电池：通过在比单元层积体的集电板靠单元层积方向外侧配设绝热层(绝热虚设单元)，从而抑制从端部单元的散热，并且提高集电效率。(例如参照专利文献1)。

另外，还介绍了如下燃料电池：具备在单元层积体的单元层积方向的至少一方的端部与发电单元对应配设的虚设单元，至少在所述虚设单元内或虚设单元之间形成绝热空间部，由此使虚设单元自身作为绝热层起作用。(例如参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2006-332006号公报

专利文献2：日本特开2006-147502号公报

发明内容

专利文献1所记载的燃料电池具备配设了绝热层(绝热虚设单元)的单元层积体，但是没有对构成所述绝热层的绝热件的物理特性(例如、导热率等)进行研究。另外，专利文献2所记载的燃料电池组，单元层积体的端部由具备绝热空间部(空气室)的虚设单元构成，但对空气以外的绝热件没有记载，该以往技术也没有对绝热件的物理特性(例如、导热率等)进行研究。因此，难以为了付与在燃料电池中所必需的绝热性而选择具有最优的物理特性的绝热件。

本发明是鉴于这样的情况而做成的，其目的在于提供如下燃料电池：通过配设配置了绝热件的绝热部，可以抑制燃料电池的内部和外部的热扩散，矫正单元面内的温度分布的不均匀，抑制因温度降低所导致的燃料电池性能的降低，并且，通过指定所述绝热件的物理特性，得到在燃料电池中所必需的适当的绝热性，提高起动性。

为了达成该目的，本发明提供如下燃料电池：具有层积了多个单位单元的单元层积体、和配设在该单元层积体的单元层积方向两侧的集电板，该燃料电池具备绝热部，该绝热部具有绝热件和从单元层积方向两侧夹持该绝热件的夹持板，由该夹持板夹持所述绝热件，该绝热件导热率为0.1W/mK以下、且气孔率为70％以上。

具有该结构的燃料电池具备由夹持板夹持绝热件的单元层积方向两侧而成的绝热部，因此能够抑制燃料电池的内部和外部的热扩散，能够矫正单元面内的温度分布的不均匀，抑制因温度降低所导致的燃料电池性能的降低。而且，所述绝热件具有导热率为0.1W/mK以下且气孔率为70％以上的物理特性，因此能够得到在燃料电池中所必需的适当的绝热性，能够提高燃料电池的起动性。

若所述绝热件的导热率超过0.1W/mK，则难以得到燃料电池中所必需的适当的绝热性。另外，若所述绝热件的气孔率不足70％，则在导热率发明容易产生不均。

作为本发明所涉及的燃料电池的一种实施方式，能够具备如下结构：该燃料电池具有用于发电的发电单元和不用于发电的非发电单元，所述绝热部被配设于该非发电单元。在该结构的情况下，所述非发电单元可以配设在所述集电板的所述单元层积方向内侧。而且，在该结构的情况下，可以在构成所述单元层积体的单位单元中将分别配设在该单元层积体的单元层积方向两端的端部单元设为所述非发电单元。

在此，在燃料电池中，关于位于单元层积体的单元层积方向端部附近的发电单元，由于从取出电力用的终终端电极(集电板)和/或为了保持层积的发电单元而设置的末端板等的散热，容易发生温度降低。而且，发生了温度降低的发电单元，容易发生因水蒸气的凝结所导致的结露，因此有可能招致发电性能的降低。在本发明中，通过将所述端部单元设为所述非发电单元，从而在该端部单元配设绝热部，因此，除了所述优点之外，还可以高效地降低所述热扩散，进一步抑制温度降低。

另外，作为本发明所涉及的燃料电池的一种实施方式，所述非发电单元也可以是被所述发电单元夹着的绝热单元，在该结构的情况下，构成所述单元层积体的单位单元中的分别配设在该单元层积体的单元层积方向两端的端部单元也可以由所述非发电单元构成。

而且，另外，作为本发明所涉及的燃料电池的一种实施方式，也可以具备如下结构：所述单元层积体，在包括所述非发电单元且配设在单元层积方向两端的端部单元之间，配设有：层积了所述多个发电单元的发电单元层积体；配设在该发电单元层积体的总负极侧的端部的所述绝热单元；和配设在该绝热单元的与所述发电单元层积体相反侧的发电单元。通过如此构成，除了所述优点之外，还能够更高效地抑制从阳极侧的温度容易变得比阴极侧的温度低的总负极侧的端部的热扩散，抑制发电性能的降低。

而且，此外，作为本发明所涉及的燃料电池的一种实施方式，也可以具备如下结构：所述非发电单元配设在所述集电板的所述单元层积方向外侧。另外，在该结构的情况下，在所述集电板的所述单元层积方向内侧还可配设所述非发电单元。

优选所述绝热件具有导电性。优选该导电性在载荷为0.2MPa时为400mΩ以下。

本发明所涉及的燃料电池具备绝热部，该绝热部为由夹持板夹持具有导热率为0.1W/mK以下且气孔率为70％以上的物理特性的绝热件，因此，能够得到燃料电池所必需的适当的绝热性。因此，能够抑制燃料电池的内部和外部的热扩散，能够矫正单元面内的温度分布的不均匀，提高起动性。其结果，能够提供可靠性高的高性能的燃料电池。

附图说明

图1是示意表示本发明的实施方式所涉及的燃料电池的剖视图。

图2是放大表示配设在图1所示的燃料电池的端部单元的一部分的剖视图。

图3是作为配设在图1所示的燃料电池的端部单元的构成要素的绝热部的平面图。

图4是表示绝热件的导热率(W/mK)和气孔率(％)的关系的图。

图5是示意表示本发明的另一实施方式所涉及的燃料电池的剖视图。

图6是放大表示配设在图5所示的燃料电池的绝热单元的一部分的剖视图。

图7是示意表示本发明的另一实施方式所涉及的燃料电池的剖视图。

附图标记说明：

1：燃料电池；2：单元层积体；11：发电单元层积体；12：发电单元；13A、13B：端部单元(非发电单元)；14A、14B：集电板；20：绝热单元(非发电单元)；21：绝热件；22、23：夹持板；24、27：绝热部。

具体实施方式

接着，参照附图，对本发明的优选的实施方式所涉及的燃料电池进行说明。以下记载的实施方式是为用于说明本发明的例示，本发明并非仅限于这些实施方式。因此，本发明在不脱离其要旨的范围内能够以各种方式实施。

图1是示意表示本发明的实施方式所涉及的燃料电池的剖视图，图2是放大表示配设在图1所示的燃料电池的端部单元的一部分的剖视图，图3是作为配设在图1中所示的燃料电池的端部单元的构成要素的绝热部的平面图。在所述各图中，为了使说明容易理解，各部件的厚度和/或尺寸、放大缩小率等，以与实际不一致的方式进行了记载。

如图1～图3所示，本实施方式所涉及的燃料电池1构成为具备：单元层积体10，其具有层积了多个用于燃料电池1的发电的发电单元12的发电单元层积体11、和配设在发电单元层积体11的单元层积方向两侧的端部单元13A和13B；分别配设在单元层积体10的单元层积方向外侧的集电板14A和14B；分别配设在集电板14A和14B的单元层积方向外侧的绝缘体15A和15B；以及分别配设在绝缘体15A和15B的单元层积方向外侧的末端板16A和16B。

发电单元12由膜-电极接合体和从外侧夹持该膜-电极接合体的一对隔板构成，该膜-电极接合体包括含有离子交换膜的电解质膜和从两面夹持该电解质膜的一对电极。隔板是以例如金属为基材的导电体，具有用于向各电极供给空气等阴极气体和氢气等阳极气体的气体流路，起到隔断向相互邻接的发电单元12供给的不同种类的流体的混合的作用。采用该构成，在发电单元12的膜-电极接合体内产生电化学反应而得到电动势。另外，该电化学反应为发热反应，因此，在隔板设置有用于使燃料电池冷却用的冷媒(冷却水等)流通的冷媒流路。另外，在发电单元12穿设有歧管形成用的未图示的贯通孔，在使多个发电单元12重叠而形成了发电单元层积体11时，通过使这些贯通孔重叠，从而在单元层积方向贯通形成阳极气体流通用、阴极气体流通用和冷媒流通用的未图示的歧管。

端部单元13A和13B是不用于燃料电池1的发电的非发电单元，特别如图2所示，具有如下结构：具有绝热部24，该绝热部24具备片状的绝热件21、配设在该绝热件21的单元层积方向的一面的夹持板22、和配设在绝热件21的单元层积方向的另一面的夹持板23，具有从单元层积方向两侧由夹持板22和23夹持绝热件21、且在夹持板22的端部和夹持板23的端部之间插入树脂件32的结构，在该绝热部24的夹持板22侧的面上隔着隔板36配设形成有阴极气体流路37的隔板35。

绝热件21具有如下物理特性：导热率为0.1W/mK以下、且气孔率为70％以上，导电性在载荷为0.2MPa时为约250mΩ，在本实施方式中，作为构成绝热件21的材料，例如使用碳等导电材料、和热可塑性树脂作为其粘结剂。另外，在本实施方式中，将绝热件21的厚度(单元层积方向的厚度)设定为约2mm。

夹持板22由具有导电性的材料(在本实施方式中为不锈钢)形成，在其中央部形成有用于载置绝热件21的凹状的挖入部26(参照图3)。另外，在夹持板22上，如图3所示，形成有歧管形成用的多个贯通孔27A～27F。贯通孔27A、27B、27C是分别用于形成阴极气体供给用、冷媒供给用、阳极气体供给用的歧管的贯通孔；27D、27E、27F是分别用于形成阴极气体排出用、冷媒排出用、阳极气体排出用的歧管的贯通孔。在夹持板22的与形成挖入部26的面相反侧的面上形成有阳极气体流路28。

夹持板23由具有导电性的材料(在本实施方式中为不锈钢)形成，在其中央部形成有用于载置绝热件21的凹状的挖入部29(参照图2)。另外，在夹持板23上，与夹持板22同样，形成有歧管形成用的多个贯通孔(未图示)。在夹持板23的与形成挖入部29的面相反侧的面上形成有冷却水流路31。

需说明的是，在隔板35和隔板36上，也与夹持板22和23同样地形成有歧管形成用的多个贯通孔(未图示)。

集电板14A和14B为取出电力用的终端电极，由例如铁、不锈钢、铜、铝等金属形成为板状。本实施方式中的集电板14A和14B以分别与端部单元13A和13B直接接触的方式配置。在这些集电板14A和14B的与端部单元13A和13B接触侧的各个的表面上，实施了使用例如金、银、铝、镍、锌、锡等的镀金处理等表面处理，通过该表面处理，确保集电板14A与端部单元13A的接触电阻以及集电板14B与端部单元13B的接触电阻。另外，在集电板14A和14B的两方或任何一方上，与发电单元12和/或夹持板22以及夹持板23等同样地形成有歧管形成用的孔。

需说明的是，在末端板16A和16B架设有未图示的张力板，通过将这些张力板以螺栓固定于末端板16A和16B，从而使得在燃料电池1的单元层积方向上施加规定的压缩力(缔结载荷)。

具备该结构的燃料电池1，单元层积体10的单元层积方向两端部包括端部单元13A和13B，在该端部单元13A和13B配设有绝热部24，因此，可以抑制因从集电板14A和14B和/或末端板16A和16B等的散热等所导致的温度降低，可以高效地抑制燃料电池1的内部和外部之间的热扩散。因此，不用说在常温环境下，即使在低温环境下也能够提高燃料电池1的起动性。

接着，研究绝热件21的导热率(W/mK)和气孔率(％)的关系，将其结果用×描绘在图4所示的图中。从图4可知：绝热件21的气孔率(％)越低，则导热率(W/mK)产生的不均越大。具体来说，可知：若绝热件21的气孔率(％)不足70％，则导热率(W/mK)越容易产生不均，若绝热件21的气孔率(％)为70％以上，则导热率(W/mK)的不均越小。

需说明的是，在本实施方式中，对在发电单元层积体11的单元层积方向两侧分别配设了作为非发电单元的端部单元13A和13B、且在端部单元13A和13B的单元层积方向外侧分别配设了集电板14A和14B的情况进行了说明，但不限于此，例如，如图5所示，也可以在发电单元层积体11的总负极侧配设作为非发电单元的绝热单元20，在绝热单元20的与配设有发电单元层积体11的一侧相反侧配设发电单元12，在该发电单元12的总负极侧配设端部单元13B，在发电单元层积体11的总正极侧配设端部单元13A。绝热单元20如图6所示具有绝热部27，该绝热部27具备绝热件21和分别配设在绝热件21的单元层积方向两面的夹持板23，具有从单元层积方向两侧用各个夹持板23夹持绝热件21、且在夹持板23彼此的端部插入树脂件32的结构。在该结构的情况下，绝热单元20和端部单元13B位于单元层积体10的总负极侧，因此，能够进一步高效地抑制燃料电池1的内部和外部之间的热扩散。

另外，本发明所涉及的燃料电池1如图7所示，也可以在集电板14A和14B的单元层积方向外侧分别配设端部单元13A和13B。在这种情况下也与所述实施方式同样地能够抑制因从集电板14A和14B和/或末端板16A和16B等的散热所导致的温度降低，能够高效地抑制燃料电池1的内部和外部之间的热扩散。因此，不用说常温环境下、即使在低温环境下也能够提高燃料电池1的起动性。在该结构的情况下，还可以在集电板14A和14B的单元层积方向内侧配设绝热单元20。

而且，此外，本发明所涉及的燃料电池1也可以根据要求使用没有配设绝热部21的通常的端部单元，仅配设绝热单元20。

另外，不言而喻本发明也能够应用于具有通过连接板电连接了多个单元层积体的结构的燃料电池1

而且，另外，在本实施方式中，对由不锈钢形成了夹持板22和23的情况进行了说明，但不限于此，夹持板22和23也可由具有导电性且不会对燃料电池1的功能产生障碍的材料的树脂等其他材料形成。特别是在使用导电性树脂作为形成夹持板22和23的材料的情况下，可以通过例如喷射成型等来简单形成夹持板22和23，可以提高加工性。

另外，导电性树脂的绝热性比不锈钢优越，因此与不锈钢制的夹持板22和23相比，还可提高绝热性。因此，不需要在使用不锈钢制的夹持板22和23时，由于对单元层积方向大致垂直的方向上付与绝热性的目的，在夹持板22和23之间插入的树脂件32，因此可以削减部件数量，并且，可以简化组装工序。另外，通过由导电性树脂形成夹持板22和23，可以抑制夹持板22和23的热容量的增加，还可以提高低温起动时的发电效率。另外，还可降低夹持板22和23的自重。

此外，在本实施方式中，对作为构成绝热件21的材料例如使用了碳等导电材料和热可塑性树脂作为其粘结剂的情况进行了说明，但是，不限于此，绝热件21，导热率为0.1W/mK以下且其气孔率为70％以上，只要不对燃料电池1的性能产生障碍，能够使用例如使发泡镍材料和/或为了确保导电性而进行了表面处理的多孔质材料、或碳等导电材料(导电性炭黑)和氟树脂混合而制作出的片；使石墨、碳纳米管、化学修饰炭黑、或金属粉(例如金、银、铂等)与PTFE、ETFE、PVdF、PFA等单体或多种氟树脂混合而制作出的片等其他材料。

另外，在本实施方式中，使用具有导电性在载荷为0.2MPa时为约250mΩ的物理特性的绝热件21，但不限于此，绝热件21的导电性可以根据要求来选择，但优选例如在载荷为0.2MPa时为约400mΩ以下。此外，在本实施方式中，对将绝热件21的厚度设定为约2mm的情况进行了说明，但不限于此，绝热件21的厚度，根据绝热件21的导热率和/或气孔率、燃料电池组的构造、其他使用条件等，可以任意设定为能够确保要求的绝热性的厚度。

Claims (9)

1.一种燃料电池，具有层积了多个单位单元的单元层积体、和配设在该单元层积体的单元层积方向两侧的集电板，

所述燃料电池具备绝热部，该绝热部具有绝热件和从单元层积方向两侧夹持该绝热件的夹持板，由该夹持板夹持所述绝热件，

该绝热件的导热率为0.1W/mK以下、且气孔率为70％以上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，具备用于发电的发电单元和不用于发电的非发电单元，所述绝热部被配设于该非发电单元。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述非发电单元配设在所述集电板的所述单元层积方向内侧。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述非发电单元是分别配设在所述单元层积体的单元层积方向两端的端部单元。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的燃料电池，其中，所述非发电单元是被所述发电单元夹着的绝热单元。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述单元层积体，在包括所述非发电单元且配设在单元层积方向两端的端部单元之间，配设有：层积了所述多个发电单元的发电单元层积体；配设在该发电单元层积体的总负极侧的端部的所述绝热单元；和配设在该绝热单元的与所述发电单元层积体相反侧的发电单元。

7.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其中，所述非发电单元配设在所述集电板的所述单元层积方向外侧。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的燃料电池，其中，所述绝热件具有导电性。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述导电性在载荷为0.2MPa时为400mΩ以下。

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