CN102082281A

CN102082281A - 燃料电池

Info

Publication number: CN102082281A
Application number: CN2010105315762A
Authority: CN
Inventors: 小田优; 渡边康博; 小岛秀忠
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP5180946B2; US8409767B2; JP2011113785A; US20110123898A1; CN102082281B

Abstract

本发明提供一种能够通过简单的结构以同样的流量分布向各电极面内分配氧化剂气体及燃料气体，且能够良好地提高发电性能的燃料电池。构成燃料电池(10)的发电单元(12)具备第一隔板(14)、电解质膜-电极结构体(16)及第二隔板(18)。在第一隔板(14)上设置有将氧化剂气体供给连通孔(30a)和氧化剂气体排出连通孔(30b)连通的氧化剂气体流路(36)，在第二隔板(18)上设置有将燃料气体供给连通孔(32a)和燃料气体排出连通孔(32b)连通的燃料气体流路(44)。氧化剂气体流路(36)设定为中央部侧的流路宽度大于两端部侧的流路宽度，而燃料气体流路(44)设定为中央部侧的流路宽度小于两端部侧的流路宽度。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池层叠有在电解质膜的两侧设置了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板，并沿所述隔板的长度方向设置燃料气体流路及氧化剂气体流路，并且在所述隔板的长度方向两端沿层叠方向贯通形成有燃料气体供给连通孔及燃料气体排出连通孔、氧化剂气体供给连通孔及氧化剂气体排出连通孔。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池具备由一对隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)的单位电池，其中所述电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的两侧分别配设了阳极侧电极及阴极侧电极。燃料电池通常通过层叠规定个数的单位电池，而作为例如车载用燃料电池堆使用。

在上述的燃料电池中，在隔板的面内设置有与阳极侧电极对置的用于使燃料气体流动的燃料气体流路和与阴极侧电极对置的用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体流路。而且，在隔板之间沿所述隔板的面方向设置有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。

通常，在燃料电池中，存在有贯通于隔板的层叠方向的燃料气体供给连通孔、燃料气体排出连通孔、氧化剂气体供给连通孔、氧化剂气体排出连通孔、冷却介质供给连通孔及冷却介质排出连通孔设置在所述燃料电池内部的构成所谓内部分流器的情况。

在此种内部分流器型燃料电池中，难以均匀地向起电部(电极发电面)供给燃料气体或氧化剂气体即反应气体，有可能会降低发电性能。因此，例如，已知有专利文献1所公开的燃料电池。

如图10所示，该燃料电池具备隔板1，向该隔板1供给的气体沿气体流入部2、起电部流入部3、起电部、起电部流出部4及气体流出部5的顺序流动。在从气体流入部2至起电部流入部3的气体流路6上配置有梯形散热片组7a、7b及7c。

梯形散热片组7a、7b及7c分别将多个梯形散热片排列成锯齿状而构成，并对所述梯形散热片的排列方向进行各种选择。由此，起电部流入部3中的气体的压力大致恒定，因此流入所述起电部流入部3的气体流量大致均匀化。

专利文献1：日本特开平6-267559号公报

然而，在上述专利文献1中，在气体流路6上设置有将分别选择了排列方向的多个梯形散热片排列成锯齿状而构成的梯形散热片组7a、7b及7c，从而存在结构相当复杂且不经济的问题。而且，当气体通过梯形散热片组7a、7b及7c而从起电部流入部3向起电部供给时，存在压力损失增大的问题。

此外，为了使气体均匀分配，必须较大地设定气体流路6。因此，存在电极面相对于隔板面积的比例(面积利用率)减小、燃料电池堆整体大型化的问题。

发明内容

本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够通过简单的结构以同样的流量分布向各电极面内分配氧化剂气体及燃料气体，且能够良好地提高发电性能的燃料电池。

本发明涉及燃料电池，其层叠有在电解质膜的两侧设置了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板，并沿所述隔板的长度方向设置有使燃料气体沿一方的电极面直线状地流通的燃料气体流路及使氧化剂气体沿另一方的电极面直线状地流通的氧化剂气体流路，并且在所述隔板的长度方向两端，在所述燃料气体流路的两端对角位置沿层叠方向贯通形成有燃料气体供给连通孔及燃料气体排出连通孔，且在所述氧化剂气体流路的两端对角位置沿所述层叠方向贯通形成有氧化剂气体供给连通孔及氧化剂气体排出连通孔。

在燃料电池中，氧化剂气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度大于流路宽度方向两端部侧的流路宽度，另一方面，燃料气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度小于流路宽度方向两端部侧的流路宽度。

另外，在燃料电池中，氧化剂气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度大于流路宽度方向两端部侧的流路宽度，另一方面，燃料气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路间隔大于流路宽度方向两端部侧的流路间隔。

此外，优选燃料电池具备将氧化剂气体流路和氧化剂气体供给连通孔连通的氧化剂气体导入部和将所述氧化剂气体流路和所述氧化剂气体排出连通孔连通的氧化剂气体导出部，所述氧化剂气体流路的流路宽度方向中央部为将所述氧化剂气体导入部的宽度尺寸向所述氧化剂气体流路的流动方向投影后的区域与将所述氧化剂气体导出部的宽度尺寸向所述氧化剂气体流路的流动方向投影后的区域之间的区域。

另外，在燃料电池中，优选在隔板的一方的面上形成有氧化剂气体流路，并且在所述隔板的另一方的面上形成有燃料气体流路。

发明效果

根据本发明，氧化剂气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度大于流路宽度方向两端部侧的流路宽度，另一方面，燃料气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度小于流路宽度方向两端部侧的流路宽度。因此，能够通过简单的结构使氧化剂气体的流量分配(流配)在电极面内大致均匀，并且能够以同样的流量分布来分配所述氧化剂气体和燃料气体，从而能够良好地提高发电性能。

另外，根据本发明，氧化剂气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度大于流路宽度方向两端部侧的流路宽度，另一方面，燃料气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路间隔大于流路宽度方向两端部侧的流路间隔。因此，能够通过简单的结构使氧化剂气体的流量分配在电极面内大致均匀，并且能够以同样的流量分布来分配所述氧化剂气体和燃料气体，从而能够良好地提高发电性能。

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单元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线剖视说明图。

图3是构成所述发电单元的第一隔板的主视说明图。

图4是构成所述发电单元的第二隔板的主视说明图。

图5是氧化剂气体流路及燃料气体流路的流量分布的说明图。

图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池的发电单元的主要部分分解立体说明图。

图7是所述燃料电池的图6中VII-VII线剖视说明图。

图8是构成所述发电单元的中间隔板的主视说明图。

图9是构成本发明的第三实施方式的燃料电池的发电单元的主要部分剖视说明图。

图10是构成以往的燃料电池的隔板的说明图。

符号说明：

10、60、80 燃料电池

12、62、82 发电单元

14、18、64、84、86 隔板

16、16a、16b 电解质膜-电极结构体

22 固体高分子电解质膜

24 阴极侧电极

26 阳极侧电极

30a 氧化剂气体供给连通孔

30b 氧化剂气体排出连通孔

32a 燃料气体供给连通孔

32b 燃料气体排出连通孔

34a 冷却介质供给连通孔

34b 冷却介质排出连通孔

36、68、88 氧化剂气体流路

36a、36b、44a、44b、66a、66b、68a、68b、88a、88b、90a、90b 流路槽

38、46 入口缓冲部

40、48 出口缓冲部

42a 氧化剂气体导入部

44、66、90 燃料气体流路

50a 燃料气体导入部

50b 燃料气体导出部

52 冷却介质流路

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具备发电单元12，多个所述发电单元12例如沿水平方向(箭头A方向)相互层叠而构成堆(例如车载用燃料电池堆)。此外，发电单元12也可以沿重力方向(箭头C方向)层叠。

如图1及图2所示，发电单元12具备第一隔板(阴极侧隔板)14、电解质膜-电极结构体(MEA)16及第二隔板(阳极侧隔板)18。第一隔板14及第二隔板18例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或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及第二隔板18的平面具有矩形形状并呈纵长形状构成，并且通过将金属制薄板冲压加工成波形状而成形为截面凹凸形状。此外，第一隔板14及第二隔板18也可以由例如碳隔板构成。

电解质膜-电极结构体16例如具备：水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜22、夹持所述固体高分子电解质膜22的阴极侧电极24及阳极侧电极26。

阴极侧电极24及阳极侧电极26具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有白金合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上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22的两面。

如图1所示，在发电单元12的长边方向(箭头C方向)的上端缘部设置有在箭头A方向上彼此连通的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30a及用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体供给连通孔32a。

在发电单元12的长边方向(箭头C方向)的下端缘部设置有在箭头A方向上彼此连通的用于排出燃料气体的燃料气体排出连通孔32b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔30b。氧化剂气体供给连通孔30a和氧化剂气体排出连通孔30b配置在发电单元12的一方的对角位置，并且燃料气体供给连通孔32a和燃料气体排出连通孔32b配置在所述发电单元12的另一方的对角位置。

在发电单元12的短边方向(箭头B方向)的一端缘部设置有在箭头A方向上彼此连通的用于供给冷却介质的冷却介质供给连通孔34a，并且在所述发电单元12的短边方向的另一端缘部设置有用于排出所述冷却介质的冷却介质排出连通孔34b。

如图1及图3所示，在第一隔板14的朝向电解质膜-电极结构体16的面14a上形成有与氧化剂气体供给连通孔30a和氧化剂气体排出连通孔30b相连的氧化剂气体流路36。在氧化剂气体流路36的入口附近及出口附近分别设置有多个具有压花38a、40a的入口缓冲部38及出口缓冲部40。氧化剂气体供给连通孔30a和入口缓冲部38经由氧化剂气体导入部42a连通，而氧化剂气体排出连通孔30b和出口缓冲部40经由氧化剂气体导出部42b连通。

如图2及图3所示，氧化剂气体流路36在流路宽度方向(箭头B方向)中央部侧具有沿箭头C方向直线状延伸的多个第一流路槽36a，在所述第一流路槽36a的流路宽度方向两端部侧具有沿箭头C方向直线状延伸的多个第二流路槽36b。

如图2所示，第一流路槽36a的流路宽度h1设定为大于第二流路槽36b的流路宽度h2(h1＞h2)，所述第一流路槽36a的流路间隔(间距)P1和所述第二流路槽36b的流路间隔(间距)P2设定为相同尺寸(P1＝P2)。第一流路槽36a及第二流路槽36b通过由平坦面36c成形为凹状部而设置。

如图3所示，氧化剂气体流路36的流路宽度方向中央部为将氧化剂气体导入部42a的宽度尺寸向所述氧化剂气体流路36的流动方向投影后的区域a1与将氧化剂气体导出部42b的宽度尺寸向所述氧化剂气体流路36的流动方向投影后的区域a2之间的区域a3。

如图4所示，在第二隔板18的朝向电解质膜-电极结构体16的面18a上形成有将燃料气体供给连通孔32a和燃料气体排出连通孔32b连通的燃料气体流路44。在燃料气体流路44的入口附近及出口附近分别设置有多个具有压花46a、48a的入口缓冲部46及出口缓冲部48。

燃料气体供给连通孔32a和入口缓冲部46经由燃料气体导入部50a连通，而燃料气体排出连通孔32b和出口缓冲部48经由燃料气体导出部50b连通。

燃料气体流路44在流路宽度方向(箭头B方向)中央部侧具有沿箭头C方向直线状延伸的多个第一流路槽44a，并且在流路宽度方向两端部侧分别设置有沿箭头C方向直线状延伸的多个第二流路槽44b。此外，优选在流路宽度方向两端部第二流路槽44b的数目相同。如图2所示，第一流路槽44a的流路宽度h3设定为小于第二流路槽44b的流路宽度h4(h3＜h4)。

如图4所示，燃料气体流路44的流路宽度方向中央部为将燃料气体导入部50a的宽度尺寸向所述燃料气体流路44的流动方向投影后的区域a4与将燃料气体导出部50b的宽度尺寸向所述燃料气体流路44的流动方向投影后的区域a5之间的区域a6。

如图2所示，燃料气体流路44和氧化剂气体流路36在中央部具有流路宽度h1/流路宽度h3＞1的关系，在其两端部具有流路宽度h2/流路宽度h4＜1的关系。

第一流路槽44a及第二流路槽44b通过在平坦面44c上形成的凹状部构成，并且所述平坦面44c隔着电解质膜-电极结构体16与第一隔板14的平坦面36c对置。

如图1所示，在第一隔板14的面14a与第二隔板18的面18b之间形成有冷却介质流路52。冷却介质流路52与冷却介质供给连通孔34a和冷却介质排出连通孔34b连通。

第一密封部件54绕第一隔板14的外周端缘部分别或一体设置在第一隔板14的面14a、14b上。第一密封部件56绕第二隔板18的外周端缘部分别或一体设置在第二隔板18的面18a、18b上。

以下说明如此构成的燃料电池10的动作。

首先，如图1所示，将含氧气体等氧化剂气体(例如空气)向氧化剂气体供给连通孔30a供给，并且将含氢气体等燃料气体向燃料气体供给连通孔32a供给。此外，将纯水或乙二醇、油等冷却介质向冷却介质供给连通孔34a供给。

因此，氧化剂气体从氧化剂气体供给连通孔30a导入到第一隔板14的氧化剂气体流路36。该氧化剂气体沿氧化剂气体流路36向箭头C方向(重力方向)移动，向电解质膜-电极结构体16的阴极侧电极24供给(参照图1及图3)。

另一方面，燃料气体从燃料气体供给连通孔32a沿第二隔板18的燃料气体流路44向重力方向(箭头C方向)移动，向电解质膜-电极结构体16的阳极侧电极26供给(参照图1及图4)。

因此，在电解质膜-电极结构体16中，向阴极侧电极24供给的氧化剂气体和向阳极侧电极26供给的燃料气体在电极催化剂层内由于电化学反应而被消耗，从而进行发电。

接下来，向电解质膜-电极结构体16的阴极侧电极24供给而消耗的氧化剂气体沿氧化剂气体排出连通孔30b向箭头A方向排出。另一方面，向电解质膜-电极结构体16的阳极侧电极26供给而消耗的燃料气体沿燃料气体排出连通孔32b排出。

另外，向冷却介质供给连通孔34a供给的冷却介质导入到在构成一方的发电单元12的第一隔板14及构成另一方的发电单元12的第二隔板18之间形成的冷却介质流路52。因此，从冷却介质供给连通孔34a向冷却介质流路52供给的冷却介质沿箭头B方向移动而将发电单元12冷却后，向冷却介质排出连通孔34b排出。

这种情况下，在第一实施方式中，如图2及图3所示，氧化剂气体流路36设定为流路宽度方向中央部侧的第一流路槽36a的流路宽度h1大于两端部侧的第二流路槽36b的流路宽度h2(参照图5)。

因此，在氧化剂气体流路36中，通过将中央部侧的流路宽度h1设定为大于两端部侧的流路宽度h2，能够增加所述中央部侧的流量，从而能够在所述氧化剂气体流路36整个区域上减少流量差(参照图5)。由此，提高低负荷下的发电稳定性，尤其能够抑制高负荷下的浓度过电压过大引起的性能下降。

另一方面，在燃料气体流量小的燃料气体流路44中，如图2及图4所示，将流路宽度方向中央部侧的第一流路槽44a的流路宽度h3设定为小于两端部侧的第二流路槽44b的流路宽度h4。因此，如图5所示，能够在燃料气体流路44的整个区域上最小限度地抑制流量差，能得到与氧化剂气体流路产生的流量分布同样的流量分布。因此，能够在电解质膜-电极结构体16的发电面整个区域上维持良好的发电，能得到实现发电性能提高的这一效果。

此外，在第一实施方式中，如图3所示，氧化剂气体流路36的第一流路槽36a设定在对应于氧化剂气体导入部42a的宽度尺寸的区域a1与对应于氧化剂气体导出部42b的宽度尺寸的区域a2之间的区域a3。由此，能够与氧化剂气体难以流动的中央部相对应而设置第一流路槽36a，能够将氧化剂气体均匀地分配给整个氧化剂气体流路36。

图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池60的发电单元62的主要部分分解立体说明图。

此外，对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照符号，省略其详细的说明。而且，在以下说明的第三实施方式中也同样地，省略其详细的说明。

发电单元62设置有第一隔板14、第一电解质膜-电极结构体(MEA)16a、中间隔板64、第二电解质膜-电极结构体16b及第二隔板18(参照图6及图7)。该发电单元62具有所谓拉长间隔冷却结构。

如图8所示，在中间隔板64的朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面64a上形成有将燃料气体供给连通孔32a和燃料气体排出连通孔32b连通的燃料气体流路66。燃料气体流路66与燃料气体流路44同样，具有设置在区域a6上的直线状的多个第一流路槽66a和分别设置在区域a4、a5上的直线状的多个第二流路槽66b。此外，优选在流路宽度方向两端部第二流路槽66b的数目相同。

如图6所示，在中间隔板64的朝向第二电解质膜-电极结构体16b的面64b上形成有将氧化剂气体供给连通孔30a和氧化剂气体排出连通孔30b连通的氧化剂气体流路68。氧化剂气体流路68与氧化剂气体流路36同样，具有设置在区域a1上的直线状的多个第一流路槽68a和分别设置在区域a2、a3上的直线状的多个第二流路槽68b。此外，优选在流路宽度方向两端部第二流路槽68b的数目相同。

如图7所示，在中间隔板64中，氧化剂气体流路68的第一流路槽68a的流路宽度h1设定为大于第二流路槽68b的流路宽度h2，而燃料气体流路66的第一流路槽66a的流路宽度h3设定为小于第二流路槽66b的流路宽度h4。

因此，在第二实施方式中，能够通过简单的结构使氧化剂气体的流量分配在电极面内大致均匀，并且能够以同样的流量分布向各电极面内分配所述氧化剂气体和燃料气体，从而能够良好地提高发电性能等，能得到与上述第一实施方式同样的效果。

图9是构成本发明的第三实施方式的燃料电池80的发电单元82的主要部分剖视说明图。

发电单元82具备第一隔板(阴极侧隔板)84、电解质膜-电极结构体16及第二隔板(阳极侧隔板)86。此外，发电单元82也可以与第二实施方式的发电单元62同样，采用拉长间隔冷却结构。

在第一隔板84的朝向电解质膜-电极结构体16的面上设置有氧化剂气体流路88。氧化剂气体流路88具有配设在区域a3上的多个直线状的第一流路槽88a和设置在两端部的区域a1、a2上的多个直线状的第二流路槽88b。第一流路槽88a的流路宽度h1设定为大于第二流路槽88b的流路宽度h2。

在第二隔板86的朝向电解质膜-电极结构体16的面上形成有燃料气体流路90。燃料气体流路90具有配设在区域a6上的多个直线状的第一流路槽90a和配设在两端部侧的区域a4、a5上的多个直线状的第二流路槽90b。

第一流路槽90a的流路宽度h3设定为与第二流路槽90b的流路宽度h4为同一尺寸，并且所述第一流路槽90a的流路间隔P3设定为大于第二流路槽90b的流路间隔P4。隔着电解质膜-电极结构体16，第一流路槽88a、90a彼此对置，并且第二流路槽88b、90b彼此对置。

在如此构成的第三实施方式中，氧化剂气体流路88设定为中央部侧的第一流路槽88a的流路宽度h1大于两端部侧的第二流路槽88b的流路宽度h2。另一方面，燃料气体流路90中，中央部侧的第一流路槽90a和两端部侧的第二流路槽90b设定为相同的流路宽度h3、h4(h3＝h4)，并且所述第一流路槽90a的流路间隔P3设定为大于所述第二流路槽90b的流路间隔P4。

由此，能够使氧化剂气体的流量分配在电极面内大致均匀，并且能够以同样的流量分布来分配所述氧化剂气体和燃料气体(参照图5)。因此，能够通过简单的结构得到与上述第一及第二实施方式同样的效果。

Claims

1.一种燃料电池，其层叠有在电解质膜的两侧设置了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板，并沿所述隔板的长度方向设置有使燃料气体沿一方的电极面直线状地流通的燃料气体流路及使氧化剂气体沿另一方的电极面直线状地流通的氧化剂气体流路，并且在所述隔板的长度方向两端，在所述燃料气体流路的两端对角位置沿层叠方向贯通形成有燃料气体供给连通孔及燃料气体排出连通孔，且在所述氧化剂气体流路的两端对角位置沿所述层叠方向贯通形成有氧化剂气体供给连通孔及氧化剂气体排出连通孔，所述燃料电池的特征在于，

所述氧化剂气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度大于流路宽度方向两端部侧的流路宽度，另一方面，所述燃料气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度小于流路宽度方向两端部侧的流路宽度。

2.一种燃料电池，其层叠有在电解质膜的两侧设置了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板，并沿所述隔板的长度方向设置有使燃料气体沿一方的电极面直线状地流通的燃料气体流路及使氧化剂气体沿另一方的电极面直线状地流通的氧化剂气体流路，并且在所述隔板的长度方向两端，在所述燃料气体流路的两端对角位置沿层叠方向贯通形成有燃料气体供给连通孔及燃料气体排出连通孔，且在所述氧化剂气体流路的两端对角位置沿所述层叠方向贯通形成有氧化剂气体供给连通孔及氧化剂气体排出连通孔，所述燃料电池的特征在于，

所述氧化剂气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路宽度大于流路宽度方向两端部侧的流路宽度，另一方面，所述燃料气体流路设定为流路宽度方向中央部侧的流路间隔大于流路宽度方向两端部侧的流路间隔。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，

具备将所述氧化剂气体流路和所述氧化剂气体供给连通孔连通的氧化剂气体导入部和将所述氧化剂气体流路和所述氧化剂气体排出连通孔连通的氧化剂气体导出部，所述氧化剂气体流路的流路宽度方向中央部为将所述氧化剂气体导入部的宽度尺寸向所述氧化剂气体流路的流动方向投影后的区域与将所述氧化剂气体导出部的宽度尺寸向所述氧化剂气体流路的流动方向投影后的区域之间的区域。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其特征在于，

在所述隔板的一方的面上形成有所述氧化剂气体流路，并且在所述隔板的另一方的面上形成有所述燃料气体流路。