CN102130353B - 固体高分子型燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固体高分子型燃料电池，其能够以简单且经济性的结构阻止水集中而滞留在电解质膜的下端部附近，尽可能地阻止因所述电解质膜的溶胀而引起的劣化。燃料电池(10)通过利用第一隔板(14)及第二隔板(16)夹持电解质膜-电极结构体(12)而构成。电解质膜-电极结构体(12)具备固体高分子电解质膜(26)、阴极侧电极(28)及阳极侧电极(30)。第一隔板(14)上设有氧化剂气体流路(34)，另一方面，第二隔板(16)上设有燃料气体流路(40)。燃料气体流路40的下端位置(40b)与氧化剂气体流路(34)的下端位置(34b)设定为在重力方向上不同的位置。

Description

固体高分子型燃料电池

技术领域

本发明涉及层叠有在电解质膜的两侧配设了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板的固体高分子型燃料电池。

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)的发电单元，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。这种燃料电池通常通过层叠规定数量(例如几百)的发电单元，而作为车载用燃料电池堆使用。

在上述燃料电池中，通过经由燃料气体流路供给到阳极侧电极的燃料气体(例如主要含有氢的气体)与经由氧化剂气体流路供给到阴极侧电极的氧化剂气体(例如主要含有氧的气体或空气)的电化学反应，而获得电力。

因此，在燃料电池发电时，在阴极侧电极生成水，另一方面，所述水通过反扩散向阳极侧电极透过。从而，结露水特别容易滞留在氧化剂气体流路及燃料气体流路各自的下游侧，在电极部与水滞留部重叠的区域，通常在电极端部，电解质膜显著溶胀(膨潤)而导致燃料气体向阴极侧电极的穿透泄漏增大，所述电解质膜可能会劣化。

因此，例如已知有专利文献1所公开的燃料电池的单元。这种燃料电池的单元具备：电解质膜；膜电极接合体，其具有接合在该电解质膜的一面而供给空气的阴极、接合在该电解质膜的另一面而供给燃料的阳极；成对的导电性材料制的隔板，其以在该阴极侧形成空气室且在该阳极侧形成燃料室的方式夹持该膜电极接合体。

并且，在空气室及燃料室的至少一方的出口设有连通面积缩小了的节流部。例如，对于空气室而言，由于空气的流速在出口变大，适当地除去空气室内的水滴，因此，对于单元来说，即使动作条件不同，也不会对空气向阴极的供给产生阻碍，从而阴极整体适当地进行反应，单元电压稳定。

专利文献1：日本特开2007-234352号公报

然而，在上述专利文献1中，由于在空气室及燃料室的至少一方的出口设有节流部，因此在该节流部压力损失增大，燃料电池系统的效率可能会降低。并且，存在结构复杂化、制造成本高的问题。

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出，其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性的结构阻止水集中而滞留在电极发电部的端部附近，尽可能地阻止因与所述电极发电部的端部附近对应的电解质膜的溶胀而引起的劣化。

本发明提供一种固体高分子型燃料电池，其层叠有在电解质膜的两侧配设了阳极侧电极及阴极侧电极的电解质膜-电极结构体和隔板，且在所述阳极侧电极与一方的隔板之间形成有使燃料气体沿重力方向流通的燃料气体流路，在所述阴极侧电极与另一方的隔板之间形成使氧化剂气体沿所述重力方向流通的氧化剂气体流路。

该燃料气体流路的下端位置与氧化剂气体流路的下端位置被设定为在重力方向上不同的位置。

另外，优选电解质膜-电极结构体的构成电极的催化剂涂敷区域的下端位置设定为比燃料气体流路的下端位置及氧化剂气体流路的下端位置靠上方且离开燃料气体流路的下端位置及氧化剂气体流路的下端位置的位置。

发明效果

根据本发明，燃料气体流路的下端位置与氧化剂流露的下端位置在重力方向上不同，因此各自的水滞留位置在所述重力方向上错开。从而，能够抑制水集中而滞留在电极发电部的端部附近的情况，且能够以简单且经济性的结构尽可能地阻止因所述电解质膜的溶胀引起的劣化。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式所涉及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线剖面说明图。

图3是构成所述燃料电池的电解质膜-电极结构体的主视说明图。

图4是构成所述燃料电池的第二隔板的主视说明图。

图5是所述电解质膜-电极结构体的催化剂涂敷区域与氧化剂气体流路及燃料气体流路的关系说明图。

图6是本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池的主要部分分解说明图。

符号说明：

10、60  燃料电池

12、62  电解质膜-电极结构体

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

34b、40b  下端位置

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所涉及的燃料电池10通过利用第一隔板14及第二隔板16夹持电解质膜-电极结构体12而构成。

在燃料电池10的长边方向(箭头C方向)的上端缘部设有沿箭头A方向相互连通的氧化剂气体入口连通孔20a、燃料气体入口连通孔22a，其中，所述氧化剂气体入口连通孔20a用于供给氧化剂气体、例如含氧气体，所述燃料气体入口连通孔22a用于供给燃料气体、例如含氢气体。

在燃料电池10的长边方向(箭头C方向)的下端缘部设有沿箭头A方向相互连通的燃料气体出口连通孔22b、氧化剂气体出口连通孔20b，其中，所述燃料气体出口连通孔22b用于排出燃料气体，所述氧化剂气体出口连通孔20b用于排出氧化剂气体。

在燃料电池10的短边方向(箭头B方向)的一端缘部设有沿箭头A方向相互连通的用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔24a，且在所述燃料电池10的短边方向上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-电极结构体12具备例如水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜26、夹持所述固体高分子电解质膜26的阴极侧电极28及阳极侧电极30。构成阳极侧电极30的表面及比阴极侧电极28的表面积小的所谓的阶梯型MEA。

如图2所示，阴极侧电极28具有由碳素纸等构成的气体扩散层28a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28a的表面上而形成的电极催化剂层28b。阳极侧电极30具有由碳素纸构成的气体扩散层30a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30a的表面上而形成的电极催化剂层30b。

电极催化剂层28b、30b形成在固体高分子电解质膜26的两面。如后所述，电极催化剂层28b、30b中的任一方形成在固体高分子电解质膜26的两面上的规定的催化剂涂敷区域H内(参照图3)。即，电极催化剂层28b、30b的下端位置在重力方向上相互错开，一方形成在催化剂涂敷区域H内，另一方形成在所述催化剂涂敷区域H外(下方)。具体而言，优选构成阳极侧电极30的电极催化剂层30b形成在催化剂涂敷区域H外，构成阴极侧电极28的电极催化剂层28b形成在所述催化剂涂敷区域H内。

第一隔板14及第二隔板件16例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或对该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。就第一隔板14及第二隔板16来说，平面为长方形状，且具有纵长形状，并且通过将金属制薄板冲压加工成波形状，由此成形为截面凹凸形状。需要说明的是，也可以代替金属隔板，例如由碳隔板构成第二隔板14及第二隔板16。

如图1所示，在第一隔板14的朝向电解质膜-电极结构体12的面14a上形成有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的氧化剂气体流路34。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的入口附近及出口附近分别设有多个具有压花的入口缓冲部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与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-电极结构体12的面16a上形成有连通燃料气体入口连通孔22a与燃料气体出口连通孔22b的氧化剂气体流路40。氧化剂气体流路40具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部40a，且在所述燃料气体流路40的入口附近及出口附近分别设有多个具有压花的入口缓冲部42a及出口缓冲部42b。燃料气体的流动方向与氧化剂气体的流动方向设定为相同方向。

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的多个供给孔部44a、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5所示，燃料气体流路40的下端位置40b与氧化剂气体流路34的下端位置34b在重力方向(箭头方向C)上的位置不同。在第一实施方式中，燃料气体流路40的下端位置40b设定为比氧化剂气体流路34的下端位置34b向下方突出距离h1的位置。氧化剂气体流路34的下端位置34b设定为比电解质膜-电极结构体12的催化剂涂敷区域H的下端位置向下方突出距离h2的位置。

具体而言，催化剂涂敷区域H的上端位置设定为与氧化剂气体流路34及燃料气力流路40的上端位置相同的位置。另一方面，催化剂涂敷区域H的下端位置设定为比氧化剂气体流路34的下端位置34b及所述燃料气体流路40的下端位置40b靠上方的位置。

如图1所示，在第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间形成连通冷却介质入口连通孔24a与冷却介质出口连通孔24b的冷却介质流路46。冷却介质流路46是波状流路槽部34a、40a的背面形状，通过这些槽部重叠来设置沿箭头B方向延伸的流路槽部(未图示)。

如图1及图2所示，第一密封部件50围绕该第一隔板14的外周端缘部而独立或一体地设置在第一隔板14的面14a、14b上。第二密封部件52围绕该第二隔板16的外周端缘部而独立或一体地设置在第二隔板16的面16a、16b上。

第一密封部件50围绕电解质膜-电极结构体12的外周外方，且具有连通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的突起部50a。如图2及图4所示，第二密封部件52具有沿构成电解质膜-电极结构体12的固体高分子电解质膜26的外周缘部抵接的突起部52a。

以下，对这样构成的燃料电池10的动作进行说明。

首先，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔20a供给含氧气体等氧化剂气体，且向燃料气体入口连通孔22a供给含氢气体等燃料气体，进而，向冷却介质入口连通孔24a供给纯水或乙二醇、油等冷却介质。

因此，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而被向氧化剂气体流路34引导。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，而被向电解质膜一电极结构体12的阴极侧电极28供给。

另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔22a通过供给孔部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40在重力方向(箭头C方向)上移动，而被向电解质膜-电极结构体12的阳极侧电极30供给(参照图1)。

由此，在电解质膜-电极结构体12中，向阴极侧电极28供给的氧化剂气体与向阳极侧电极30供给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。

接下来，供给到电解质膜-电极结构体12的阴极侧电极28而消耗的氧化剂气体沿氧化剂气体出口连通孔20b向箭头A方向排出。另一方面，供给到电解质膜一电极结构体12的阳极侧电极30而消耗的燃料气体通过排出孔部44b而被向第二隔板16的面16b侧引导。向面16侧导出的燃料气体被向燃料气体出口连通孔22b排出。

另外，供给到冷却介质入口连通孔24a的冷却介质如图1所示那样被导入在构成一个燃料电池10的第一隔板14与构成另一个燃料电池10的第二隔板16之间形成的冷却介质流路46。因此，从冷却介质入口连通孔24a向冷却介质流路46供给的冷却介质沿箭头B方向移动而冷却燃料电池10后，被向冷却介质出口连通孔24b排出。

这种情况下，在第一实施方式中，如图5所示，燃料体流路40的下端位置40b比氧化剂气体流路34的下端位置34b向下方突出距离h1。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的下游侧的各水滞留部在重力方向上的相同高度位置重叠。

从而，在电解质膜-电极结构体12中，在能够抑制水与各水滞留部对应地集中而滞留在电极发电部的端部附近的情况。由此，固体高分子电解质膜26不会显著溶胀，能够可靠地阻止大量的燃料气体向阴极侧电极28穿透泄漏(cross leak)的情况。

因此，能够以简单且经济性的结构尽可能地阻止固体高分子电解质膜26的劣化。从而，获得能够抑制燃料电池10的发电性能降低这样的效果。

进而，如图5所示，氧化剂气体流路34的下端位置34b比电解质膜-电极结构体12的催化剂涂敷区域H的下端位置向下方突出距离h2。由此，氧化剂气体流路34的下端位置34b与催化剂涂敷区域H的下端位置错开，因此能够抑制水的滞留。从而，能够可靠地阻止容易形成在氧化剂气体流路34的下端位置34b的水滞留部与催化剂涂敷区域H重叠，能够良好地阻止固体高分子电解质膜26的显著溶胀。

另外，电极催化剂层28b、30b的下端位置在重力方向上错开，一方形成在催化剂涂敷区域H内，另一方形成在所述催化剂涂敷区域H外(下方)。具体而言，构成阳极侧电极30的电极催化剂层30b形成在催化剂涂敷区域H外，构成阴极侧电极28的电极催化剂层28b形成在所述催化剂涂敷区域H内。因此，能够有效地防止水集中在固体高分子电解质膜20的表背。

图6是本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池60的主要部分分解立体说明图。需要说明的是，对与第一实施方式所涉及的燃料电池10相同的结构要素标注相同的参考符号，而省略详细的说明。

燃料电池60通过利用第一隔板64及第二隔板66夹持电解质膜-电极结构体62而构成。电解质膜-电极结构体62中，通过阴极侧电极28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和阳极侧电极30设定为相同的表面积，且固体高分子电解质膜26设定为比所述阴极侧电极28及所述阳极侧电极30的表面积大的表面积。

燃料气体流路40的下端位置与氧化剂气体流路34的下端位置34b在重力方向(箭头C方向)上的位置不同。在第二实施方式中，氧化剂气体流路34的下端位置34b比燃料气体流路40的下端位置40b向下方突出距离h1。

在第二实施方式中，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的下游侧的各水滞留部在重力方向上的相同高度位置重叠的情况。因此，固体高分子电解质膜26不会显著溶胀，能够以简单且经济性的结构尽可能地阻止所述固体高分子电解质膜26的劣化等，获得与上述第一实施方式相同的效果。

需要说明的是，在第一实施方式及第二实施方式中，氧化剂气体流路34及燃料气体流路40构成为波状，但也可以构成为直线状。

Claims (2)

1.一种固体高分子型燃料电池，其层叠有在电解质膜的两侧配设了阳极侧电极及阴极侧电极的电解质膜-电极结构体和隔板，且在所述阳极侧电极与一方的隔板之间形成有使燃料气体沿重力方向流通的燃料气体流路，在所述阴极侧电极与另一方的隔板之间形成有使氧化剂气体沿所述重力方向流通的氧化剂气体流路，所述固体高分子型燃料电池的特征在于，

所述燃料气体流路的下端位置与所述氧化剂气体流路的下端位置被设定为在所述重力方向上不同的位置，

所述阳极侧电极的电极催化剂层的下端位置与所述阴极侧电极的电极催化剂层的下端位置在重力方向上错开。

2.根据权利要求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-电极结构体的构成电极的催化剂涂敷区域的下端位置设定为比所述燃料气体流路的下端位置及所述氧化剂气体流路的下端位置靠上方且离开所述燃料气体流路的下端位置及所述氧化剂气体流路的下端位置的位置。

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