CN102035003A - 固体高分子型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

提供一种固体高分子型燃料电池，其能够以简单且经济的结构可靠阻止反应气体流路的水滞留部与电极重合，从而尽可能阻止电解质膜劣化。燃料电池(10)通过用第一隔板(14)及第二隔板(16)夹持电解质膜电极构造体(12)而构成。电解质膜电极构造体(12)具有固体高分子电介质膜(26)、阴极侧电极(28)及阳极侧电极(30)。电解质膜电极构造体(12)构成为：阴极侧电极(28)的电极催化剂层(28b)及阳极侧电极(30)的电极催化剂层(30b)的催化剂涂敷区域(H)的终端位于比氧化剂气体流路(34)及燃料气体流路(40)的下端向上方离开的位置。

Description

固体高分子型燃料电池
技术领域
本发明涉及一种对在电解质膜的两侧配置有一对电极的电解质膜电极构造体与隔板进行层叠的固体高分子型燃料电池。
背景技术
固体高分子型燃料电池例如具有发电单元，发电单元用一对隔板夹持电解质膜电极构造体(MEA)，电解质膜电极构造体在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的两侧分别配置了阳极侧电极以及阴极侧电极。这种燃料电池通常通过层叠规定数量(例如数百)的发电单元，例如用作车载用燃料电池堆。
在上述的燃料电池中，通过经燃料气体流路供应给阳极侧电极的燃料气体(例如主要含有氢的气体)与经氧化剂气体流路供应给阴极侧电极的氧化剂气体(例如主要含有氧的气体或空气)之间的电化学反应，可得到电力。
因此，在燃料电池发电时，在阴极侧电极生成水，另一方面，在阳极侧电极引起所述水的逆扩散。因此，氧化剂气体流路以及燃料气体流路尤其在各自的下游侧容易滞留凝结水，在电极端部和水滞留部重合的区域，电解质膜显著膨润，燃料气体向阴极侧电极的交叉泄漏(cross leak)增大，存在所述电解质膜劣化的顾虑。
因此，例如公知有一种专利文献1公开的燃料电池的元件。该燃料电池的元件具备：电解质膜；膜电极接合体，其具有接合于该电解质膜的一面并供应空气的阴极以及接合于该电解质膜的另一面并供应燃料的阳极；以及成对的导电性材料制的隔板，其夹持该膜电极接合体，使得在该阴极侧形成空气室，并且在该阳极侧形成燃料室。
而且，在空气室以及燃料室的至少一方的出口设有对连通面积进行节流的节流部。因此，在空气室中，在出口空气的流速变大，适于排除空气室内的水滴，因此在元件中，即使动作条件不同，也难以阻碍对阴极供应空气，由此阴极整体适于反应，元件电压稳定。
专利文献1：日本特开2007-234352号公报
但是，在上述专利文献1中，由于在空气室以及燃料室的至少一方的出口设有节流部，所以在该节流部压力损失增大，作为燃料电池系统的效率下降。而且，还存在结构复杂、制造成本高的问题。
发明内容
本发明解决该问题，目的在于提供一种固体高分子型燃料电池，其能够以简单且经济的结构来阻止反应气体流路的水滞留部与电极端部重合，并且能够尽可能阻止电解质膜劣化。
本发明涉及一种对在电解质膜的两侧配置有一对电极的电解质膜电极构造体与隔板进行层叠的固体高分子型燃料电池
隔板设有使反应气体沿隔板面流向重力方向的反应气体流路以及与所述反应气体流路的下端连通的出口缓冲部，同时电解质膜电极构造体构成为：构成电极的催化剂涂敷区域的终端位于比所述反应气体流路的下端向上方离开的位置。
另外，电解质膜电极构造体优选被设定成从重力方向中心位置的上方侧的催化剂涂敷区域比重力方向中心位置的下方侧的催化剂涂敷区域大。
发明效果
根据本发明，构成电极的催化剂涂敷区域的终端位于比反应气体流路的下端向上方离开的位置，因此，能够可靠地阻止所述反应气体流路的水滞留部与电极端部重合。因此，能够以简单且经济的结构尽可能阻止电解质膜的劣化。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池的主要部分分解立体说明图；
图2是所述燃料电池的、图1中II-II线截面说明图；
图3是构成所述燃料电池的电解质膜电极构造体的正面说明图；
图4是构成所述燃料电池的第二隔板的正面说明图；
图5是所述电解质膜电极构造体的催化剂涂敷区域与反应气体流路的关系说明图；
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池的主要部分分解立体说明图。
符号说明
10、60-燃料电池
12、62-电解质膜电极构造体
14、16、64、66-隔板
20a-氧化剂气体入口连通孔
20b-氧化剂气体出口连通孔
22a-燃料气体入口连通孔
22b-燃料气体出口连通孔
24a-冷却介质入口连通孔
24b-冷却介质出口连通孔
26-固体高分子电解质膜
28-阴极侧电极
28a、30a-气体扩散层
28b、30b-电极催化剂层
30-阳极侧电极
34-氧化剂气体流路
34a、40a-波状流路槽部
36a、42a-入口缓冲部
36b、42b-出口缓冲部
40-燃料气体流路
46-冷却介质流路
50、52-密封部件
具体实施方式
如图1所示，本发明的第一实施方式的燃料电池10是利用第一隔板14和第二隔板16夹持电解质膜电极构造体12而构成的。
在燃料电池10的长边方向(箭头C方向)的上端缘部设有：在箭头A方向上互相连通的、用于供应氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔20a以及用于供应燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔22a。
在燃料电池10的长边方向(箭头C方向)的下端缘部设有：在箭头A方向上互相连通的、用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔22b以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔20b。
在燃料电池10的短边方向(箭头B方向)的一端缘部设有在箭头A方向上互相连通的、用于供应冷却介质的冷却介质入口连通孔24a，并且在所述燃料电池10的短边方向的另一端缘部设有用于排出所述冷却介质的冷却介质出口连通孔24b。
如图1～图3所示，电解质膜电极构造体12例如包括在全氟磺酸的薄膜中含浸有水的固体高分子电解质膜26和夹持所述固体高分子电解质膜26的阴极侧电极(第一电极)28及阳极侧电极(第二电极)30。阳极侧电极30具有的表面积小于阴极侧电极28的表面积，构成所谓的台阶型MEA。
如图2所示，阴极侧电极28具有气体扩散层28a和电极催化剂层28b，气体扩散层28a由碳纸等构成，电极催化剂层28b是将表面带有白金合金的多孔质碳粒子均匀涂敷在所述气体扩散层28a的表面上而形成的。阳极侧电极30具有气体扩散层30a和电极催化剂层30b，气体扩散层30a由碳纸等构成，电极催化剂层30b是将表面带有白金合金的多孔质碳粒子均匀涂敷在所述气体扩散层30a的表面上而形成的。
电极催化剂层28b、30b形成在固体高分子电解质膜26的两面。电极催化剂层28b、30b如后所述，在固体高分子电解质膜26的两面形成在规定的催化剂涂敷区域H内(参考图3)。
第一隔板14以及第二隔板16例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀处理钢板或者对其金属表面实施了防腐蚀用的表面处理的纵长形状的金属板构成。第一隔板14以及第二隔板16的平面具有矩形形状，且具有纵长形状，并且是通过将金属制薄板冲压加工成波形，而成形为截面呈凹凸形状。另外，第一隔板14以及第二隔板16也可以不由金属隔板构成，而例如由碳隔板构成。
如图1所示，在第一隔板14的朝向电解质膜电极构造体12的面14a上形成氧化剂气体流路34，氧化剂气体流路34连通氧化剂气体入口连通孔20a与氧化剂气体出口连通孔20b。氧化剂气体流路34具有沿箭头C方向(重力方向)延伸的多个波状流路槽部34a。在氧化剂气体流路34的入口附近以及出口附近分别设有具有多个压纹(emboss)的入口缓冲部36a及出口缓冲部36b。
在入口缓冲部36a与氧化剂气体入口连通孔20a之间形成多个入口连结通路38a。在出口缓冲部36b和氧化剂气体出口连通孔20b之间形成多个出口连结通路38b。
如图4所示，在第二隔板16的朝向电解质膜电极构造体12的面16a上形成燃料气体流路40，燃料气体流路40连通燃料气体入口连通孔22a与燃料气体出口连通孔22b。燃料气体流路40具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部40a，并且在燃料气体流路40的入口附近以及出口附近分别设有具有多个压纹的入口缓冲部42a及出口缓冲部42b。
第二隔板16具有：连通燃料气体入口连通孔22a及燃料气体流路40的多个供应孔部44a；以及连通燃料气体出口连通孔22b及所述燃料气体流路40的多个排出孔部44b。
如图1所示，在第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间形成冷却介质流路46，冷却介质流路46连通冷却介质入口连通孔24a和冷却介质出口连通孔24b。冷却介质流路46设有流路槽部(未图示)，流路槽部是波状流路槽部34a、40a的背面形状，且通过它们重合而沿箭头B方向延伸。
如图1及图2所示，在第一隔板14的面14a、14b上，围绕该第一隔板14的外周端缘部而分体或者一体地设有第一密封部件50。在第二隔板16的面16a、16b上，围绕该第二隔板16的外周端缘部而分体或者一体地设有第二密封部52。
第一密封部件50具有突起部50a，突起部50a围绕电解质膜电极构造体12的外周外侧，并且将氧化剂气体入口连通孔20a及氧化剂气体出口连通孔20b与氧化剂气体流路34连通起来。第二密封部件52如图2及图4所示具有突起部52a，突起部52a沿构成电解质膜电极构造体12的固体高分子电解质膜26的外周缘部抵接。
如图5所示，电解质膜电极构造体12构成为：电极催化剂层28b、30b的催化剂涂敷区域H的终端位于比氧化剂气体流路34及燃料气体流路40的下端向上方离开的位置。
具体地说，电极催化剂层28b、30b的催化剂涂敷区域H的上端位置被设定为与氧化剂气体流路34及燃料气体流路40的上端位置相同的位置；另一方面，所述催化剂涂敷区域H的下端位置被设定为比所述氧化剂气体流路34及所述燃料气体流路40的下端位置更靠上方。而且，优选将电极催化剂层28b、30b的下端位置错开。这是为了防止水集中在固体高分子电解质膜20的表背面。
如图3所示，电解质膜电极构造体12在长边方向上重力方向中心位置O的上方侧的催化剂涂敷区域HA被设定成大于重力方向中心位置O的下方侧的催化剂涂敷区域HB(HA＞HB)。电解质膜电极构造体12的气体扩散层28a、30a具有上下对称形状，相对于中心位置O为非对称。
以下说明这样构成的燃料电池10的动作。
首先，如图1所示，对氧化剂气体入口连通孔20a供应含氧气体等氧化剂气体，并且对燃料气体入口连通孔22a供应含氢气体等燃料气体。进而对冷却介质入口连通孔24a供应纯水或甘醇、油等冷却介质。
为此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔20a通过第一隔板14的入口连结通路38a被导入向氧化剂气体流路34。该氧化剂气体沿氧化剂气体流路34在箭头C方向(重力方向)上移动，被供应给电解质膜电极构造体12的阴极侧电极28。
另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔22a通过供应孔部44a向第二隔板16的面16a侧移动。如图4所示，燃料气体沿燃料气体流路36在重力方向(箭头C方向)上移动，被供应给电解质膜电极构造体12的阳极侧电极30。
因此，在电解质膜电极构造体12中，供应给阴极侧电极28的氧化剂气体和供应给阳极侧电极30的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，从而进行发电。
接着，供应给电解质膜电极构造体12的阴极侧电极28而消耗了的氧化剂气体沿氧化剂气体出口连通孔20b在箭头A方向上被排出。另一方面，供应给电解质膜电极构造体12的阳极侧电极30而消耗了的燃料气体通过排出孔部44b被导出到第二隔板16的面16b侧。导出到面16b侧的燃料气体被排出到燃料气体出口连通孔22b。
另外，如图1所示，供应给冷却介质入口连通孔24a的冷却介质被导入到一方的构成燃料电池10的第一隔板14与另一方的构成燃料电池10的第二隔板16之间形成的冷却介质流路46中。因此，从冷却介质入口连通孔24a供应给冷却介质流路46的冷却介质在箭头B方向上移动，将燃料电池10冷却后，被排出到冷却介质出口连通孔24b。
此时，在第一实施方式中，如图5所示，电解质膜电极构造体12构成为：电极催化剂层28b、30b的催化剂涂敷区域H的终端位于比氧化剂气体流路34及燃料气体流路40的下端(与出口缓冲部36b、42b的边界部位)向上方离开的位置。
因此，能够可靠地阻止容易形成在氧化剂气体流路34及燃料气体流路40的下游侧的水滞留部WR与电极催化剂层28b、30b的催化剂涂敷区域H重合。
因此，在电解质膜电极构造体12中，固体高分子电解质膜26不会因为水滞留部WR的水而显著膨润，能够阻止多数量的燃料气体交叉泄漏到阴极侧电极28。
由此，能够以简单且经济的结构尽可能地阻止固体高分子电解质膜26劣化。因此，能够得到如下效果：能够可靠地避免因燃料电池10的发电性能的下降或固体高分子电解质膜26的破损引起的发电停止。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池60的主要部分分解立体说明图。而且，对于与第一实施方式的燃料电池10相同的构成要素标注相同的参考符号，省略其详细的说明。
燃料电池60是利用第一隔板64以及第二隔板66夹持电解质膜电极构造体62而构成的。电解质膜电极构造体62利用阴极侧电极28以及阳极侧电极30夹持固体高分子电解质膜26。阴极侧电极28以及阳极侧电极30被设定成相同的表面面积，并且固体高分子电解质膜26被设定成大的表面面积。
电解质膜电极构造体62构成为：电极催化剂层28b、30b的催化剂涂敷区域H的终端位于比氧化剂气体流路34及燃料气体流路40的下端、即比水滞留部WR向上方离开的位置。
在该第二实施方式中，可得到如下等与上述第一实施方式同样的效果：固体高分子电解质膜26不会因为水滞留部WR的水而显著膨润，能够以简单且经济的结构尽可能地阻止所述固体高分子电解质膜26劣化。
此外，在第一及第二实施方式中，虽然氧化剂气体流路34等气体流路构成为波状，但是也可以构成为直线状。另外，催化剂层端部除了直线状以外，还可以是凹凸形状。

Claims (2)

1.一种固体高分子型燃料电池，对在电解质膜的两侧配置有一对电极的电解质膜电极构造体与隔板进行层叠，其特征在于，
所述隔板设有反应气体流路和出口缓冲部，所述反应气体流路使反应气体沿隔板面在重力方向上流通，所述出口缓冲部与所述反应气体流路的下端连通，
所述电解质膜电极构造体构成为：构成所述电极的催化剂涂敷区域的终端位于比所述反应气体流路的下端向上方离开的位置。
2.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，
所述电解质膜电极构造体的重力方向中心位置的上方侧的所述催化剂涂敷区域被设定得大于所述电解质膜电极构造体的重力方向中心位置的下方侧的所述催化剂涂敷区域。
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