CN102195058A - 固体高分子形燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供通过在阴极进行有效冷却，在高电流密度下工作时，电池温度保持适当的小型燃料电池。其是把以电解质膜-电极催化剂接合体、向上述接合体的燃料极供给燃料气体的导电性气体扩散层、具有燃料气体流路的导电性隔膜、以及、向上述接合体的氧化剂极供给氧化剂气体的导电性气体扩散层、具有氧化剂气体供给流路的导电性隔膜、把燃料气体流路与氧化剂气体流路加以隔开的双极板所构成的多个单位发电单元加以层叠的固体高分子形燃料电池，其特征在于，上述燃料气体流路以及氧化剂气体流路以导电性多孔体构成，向上述氧化剂气体流路混入、供给氧化剂气体及液体水。

Description

固体高分子形燃料电池
技术领域
本发明涉及通过氢与氧的化学反应产生电能的固体高分子形燃料电池。
背景技术
对于固体高分子形燃料电池而言，固体高分子电解质膜及其两侧以燃料极催化剂层(下面称作阳极)与氧化剂极催化剂层(下面称作阴极)被覆的电解质膜-电极催化剂接合体(membrane electrodeassembly：MEA)的两侧，以多孔碳材料构成的气体扩散层夹持。另外，把该两侧配置了用于供给燃料气体及氧化剂气体的双极板而构成的多个单位发电单元加以层叠，形成层叠体(下面称作组：stack)，该层叠体的两端用紧固板夹紧，构成燃料电池组(fuel cell stack)。
双极板，一般是其一面具有燃料气体或氧化剂气体的流路，而另一面具有冷却介质流路，例如，把金属薄板通过压制加工成形为凹凸而制成。在采用该双极板的燃料电池中，在阳极侧，燃料气体流路的凸面(下面称作肋部)与气体扩散层连接，而在阴极侧，氧化剂气体流路的肋部与气体扩散层连接。在该接触部分，进行反应产生的电子授受，通过电化学反应产生的热传给冷却介质。另外，燃料气体或氧化剂气体流过凹部，介由气体扩散层供给电极催化剂。
燃料电池，与其他的动力源相比，由于效率高，环境负荷低，故在不断进行作为固定用分散电源或车载用电源的实用化。例如，当用作车载用电源时，要求实现小型、轻量这样的高输出功率密度。因此，要求全部发电面进行一样的发电，减少不直接贡献于发电的部件。原来的双极板是把金属薄板采用压制加工，形成反应气体流路，其作用被分割为仅在与气体扩散层接触的肋部通电，而流路部担起气体扩散的作用，主要通过肋部或流路宽度的大小，产生通电部与气体扩散部的分布。为使均匀发电，必需把肋部与流路的宽度加以细分，但从加工的观点看，细分是有限度的。
考虑了如下方法：反应气体流路采用细孔连通的多孔体，代替这种压制加工双极板。即，当采用多孔体时，作为通电部分的多孔体骨架部与气体扩散部分的细孔可能达到均匀混合。由此，可以谋求发电反应的均匀化，可以期待输出功率的增加。
但是，仅通过反应气体流路多孔化，对实现高输出功率密度也有限度。为要得到更高输出功率，必需谋求反应气体流路以外部分的冷却介质流路中冷却的高冷却密度化，必需削减燃料电池组内的冷却部数目。特别是，如冷却部与发电部达到一体化，则燃料电池可能达到更加紧凑。例如，当向反应气体流路同时导入反应气体与冷却水时，通过反应产生的热使冷却水蒸发，因夺取蒸发潜热而得到冷却效果。
作为向反应气体中供水的方法，专利文献1中公开了通过水分的高压喷射所致的细微水滴的反应气体导入方法。
专利文献1  特开2007-87805号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1公开的细微水滴导入方法，每单位发电单元具有细微水滴导入机构，可以期待各单元中均匀的冷却。但是，为了形成细微水滴，必需以高压喷水，故因辅机及驱动动力的增加而使燃料电池系统的小型化困难。
本发明是鉴于这些课题提出的，本发明的目的是提供一种采用简易的冷却结构、实现小型化的燃料电池。
用于解决课题的手段
本发明的固体高分子形燃料电池，其是把以电解质膜-电极催化剂接合体、向上述接合体的燃料极供给燃料气体的导电性气体扩散层、具有燃料气体流路的导电性隔膜，以及，向上述接合体的氧化剂极供给氧化剂气体的导电性气体扩散层、具有氧化剂气体供给流路的导电性隔膜、把燃料气体流路与氧化剂气体流路隔开的双极板所构成的多个单位发电单元加以层叠的固体高分子形燃料电池，其具有以下的特征：
1)其特征在于，反应气体流路(燃料气体流路及氧化剂气体流路)由导电性多孔体的连通细孔构成，向阴极侧气体流路混入、供给氧化剂气体与液体水。
2)其特征在于，对与构成阴极侧气体流路的多孔体的发电面侧相反的面实施沟加工。
3)其特征在于，把阳极侧气体流路与阴极侧气体流路加以隔开的双极板是与反应气体流路的多孔体相比气体透过系数小的多孔板。
4)其特征在于，上述多孔板为亲水性的。
发明效果
按照本发明，制成反应气体流路由多孔体构成，与双极板接触的面上具有流路沟的结构，与电解质膜-电极催化剂接合体相向的面，可以全面地与多孔体接触，通过该细孔，把反应气体供给电极催化剂的全部面上，因此，可在电极催化剂的全部面上进行反应。另外，氧化剂气体中混入液体水，由于可通过蒸发潜热进行冷却，从而可以减少冷却元件，使燃料电池组薄型化。
附图说明
图1为本发明涉及的燃料电池的第一实施方案中采用的单位电池的部分断面模拟图。
图2为本发明涉及的燃料电池的第二实施方案中采用的单位电池的部分断面模拟图。
图3为表示本发明涉及的燃料电池的实施方案中采用的含多孔气体流路的双极板的结构的模拟平面图。以具有多孔气体流路沟的面作为基准的模拟图，波纹线为含有供给-排出反应气体的集合管的双极板的投影图。
图4为本发明涉及的燃料电池的实施方案中采用的燃料电池组构成与系统的概略图。
【符号的说明】
1    固体高分子电解质膜
2    阳极
3    阴极
4    阳极侧气体扩散层
5    阴极侧气体扩散层
6    阳极侧多孔气体流路
7    阴极侧多孔气体流路
8    多孔双极板
9    双极板
10   阴极侧流路沟
11   阳极侧流路沟
12   电解质膜-电极催化剂接合体
21   氧化剂气体供给集合管
22   燃料气体供给集合管
23   氧化剂气体排出集合管
24   燃料气体排出集合管
25   密封垫
51   液体水注入泵
52   氧化剂气体风机
53   热交换器
54   冷凝水回收罐
具体实施方式
下面对本发明的燃料电池参照附图对实施例加以说明。
实施例1
图1为本发明涉及的燃料电池的第一实施方案中采用的单位电池的断面模拟图，为相对反应气体的流向成直角的断面。单位电池由固体高分子电解质膜1、固体高分子电解质膜1的两面上配置的由催化剂层的阳极2、阴极3构成的电解质膜-电极催化剂接合体12，于催化剂层2、3的外侧分别配置的气体扩散层4、5，多孔气体流路6，7及多孔双极板8所构成。其中，有时省略气体扩散层。另外，未加以图示，单位电池上具有用于防止反应气体与冷却水的泄漏的密封垫部件。
固体高分子电解质膜1由含烃的固体高分子材料构成，电极-催化剂层2及3为负载了铂等催化剂的碳糊膏，气体扩散层4及5由使碳纤维粘接的碳糊膏或碳毡构成。本发明中使用的电解质膜-电极催化剂接合体12采用耐80℃以上、最好耐90℃以上的燃料电池运行温度的材料。下面，对燃料气体为氢、氧化剂气体为空气加以说明，只要燃料气体为富氢的气体即可，氧化剂气体最好为氧。
多孔气体流路6，7为由金属材料构成的多孔体，作为材料，可以选自钛，铝，镁，镍，铬，钼及含它们一部分的例如SUS等合金等。采用发泡或烧结，细微金属纤维的粘接等加以制造，采用空隙率在75％以上，含气孔径在200μm以上的细孔的多孔体。
阴极侧多孔气体流路7中，在与多孔双极板8相向的面上，通过压制加工或切削加工等形成多个阴极侧流路沟10。阴极侧流路沟10，在图3中在气流方向成直线形状，但又不限于直线状，包含曲线的形状，由直线与曲线构成的沟等也适用。从如图3的虚线所图示的氧化剂气体供给集合管21，使作为反应气体的空气与供给的液体水，在阴极侧流路沟10中流通。为使氧化剂空气，在多孔气体流路7的细孔中流动，向阴极3有效供给气体，作为阴极流路沟10的尺寸，希望深度在阴极侧多孔气体流路7的1/2以下。另外，在图1所示的断面中，流路沟断面积的总和，希望在阴极侧多孔气体流路7的断面积的1/4以下。另外，为使供给多个阴极侧流路沟10的液体水在发电面内均匀分配，在阴极侧流路沟10的出入口部也可设置未图示的整流部。供给的液体水量由电极面积、最大工作电流密度来决定，使其为对发电时的发热量可通过蒸发潜热加以冷却的量。
把混合了液体水的氧化剂空气，导入由多孔体构成的阴极侧多孔气体流路7。阴极侧多孔气体流路7，从电解质膜-电极催化剂接合体12，把通过发电产生的热加以传导，供给的液体水通过与形成阴极侧多孔气体流路7的金属多孔体骨架部分接触而蒸发。此时，由于从多孔体骨架夺取蒸发潜热，故在反应气体中的冷却成为可能。与原来的流路沟结构相比，形成比表面积可增大的多孔流路，在本发明中是必要的。蒸发的水蒸气与残留的反应气体一起从反应气体排出集合管26排出。由此，不另外设置冷却元件，也可把燃料电池保持在规定的温度，对燃料电池的小型化有效果。
特别是燃料电池运行温度在90℃以上时，可仅通过蒸发潜热的冷却效果进行冷却，通过渗出供给反应气体中的液体水的流量，与原来独立地采用冷却元件，利用液体水的显热冷却的燃料电池相比，可大幅减少。
多孔双极板8，由上述多孔气体流路6、7中使用的金属材料或碳作为主原料的材料等形成，气体透过系数与上述多孔气体流路6、7或气体扩散层4及5相比要小。通过采用这种构成，可把供给阴极侧多孔气体流路7中形成的多个阴极侧流路沟10的液体水或因电化学反应生成的水加以吸收，通过毛细管力保持水分。通过这样，多孔双极板8变成不透气，作为燃料气体的氢与作为氧化剂气体的空气可被分离。从保持水的观点考虑，希望多孔双极板8的润湿性为亲水性。保持的水分可介由阳极侧多孔气体流路6供给阳极，可以防止高电流密度工作中固体高分子电解质膜1的干燥。
当阳极侧多孔气体流路6与阴极侧多孔气体流路7中产生显著的压力损失不同时，则担心气体从压力高的一侧泄漏。当处于该工作条件时，压力损失低的多孔气体流路的多孔体，与压力损失高的多孔气体流路的多孔体相比，通过气孔率、气孔径的组合，使气体透过系数变小。另外，即使多孔气体流路的厚度变薄，气体透过系数仍可变小，以使阳极侧多孔气体流路6与阴极侧多孔气体流路7中的压力损失变小。
图4为表示本实施例使用的组的一部分的断面图。图4为表示图3的隔膜加以组化时的A-A断面。电池的层叠显示与图1同样，夹持固体高分子电解质膜1，形成上部为阳极、下部为阴极的构成例。图4的组部分，从上往下依次为阳极侧多孔流路6、阳极侧气体扩散层4、电解质膜-电极催化剂接合体12、阴极侧气体扩散层5、阴极侧多孔流路7、双极板8，然后，为阳极侧多孔流路6，成为这样的重复过程。另外，通过密封垫25，防止反应气体向外部泄漏以及在集合管周边的燃料气体与氧化剂气体的混入。电解质膜-电极催化剂接合体12，在发电部分涂布电极催化剂，而在集合管周边部，与密封垫25接触的部分，不涂布电极催化剂。
向燃料电池组的气体供给系统，包含供给氧化剂空气的氧化剂气体风机52、向氧化剂空气供给液体水的液体水注入泵51以及连结氧化剂气体供给集合管21的配管系统、从氧化剂气体排出集合管23排出未反应气体和水蒸气的配管系统。对燃料系统未加以图示，但供给通过风机或氢气瓶的压力来进行。
从氧化剂气体风机52供给的空气，在途中配管处，与从液体水注入泵51供给的液体水合流，供给氧化剂气体供给集合管。在集合管中把氧化剂气体与液体水供给各自的电池，如图1的说明所述，通过液体水蒸发，可把电池内温度保持一定。排出气体从氧化剂气体排出集合管23，通过排出系统配管向组外部排出。
液体水也可从外部供给，而排出气体中的水分，介由热交换器53冷凝，存入冷凝水回收罐54而再利用，由此，发电反应中生成的水可有效利用，使系统的紧凑化成为可能。
在上述实施方案中，反应气体流路由多孔体构成，通过采用与双极板接触的面上具有流路沟的结构，与夹持电解质膜-电极催化剂接合体12的气体扩散层5相向的面，由于可遍及全面地与多孔体接触，反应气体可供给电极催化剂的全面，故在电极催化剂全面上可形成均匀的反应。另外，由于氧化剂气体中混入液体水，通过蒸发潜热进行冷却，故可削减冷却元件，使燃料电池组的薄型化成为可能。
实施例2
图2为表示本发明涉及的燃料电池的第二实施方案中采用的单位电池断面的一部分的模拟图，其为相对反应气体的流向成直角的断面。作为本发明的第二实施例，提供一种在阳极侧多孔气体流路6中，在与双极板9相向的面上，具有阳极侧流路沟11，并且具有由金属平板构成的双极板9的燃料电池。
双极板9，采用厚度0.2mm以下的纯金属或合金、或这些的多块金属板加以层叠、压延成的金属包层材料。作为材质，例如，可以采用钛、SUS、铝、镁等。
当双极板9采用金属平板时，供给阴极侧气体流路7的液体水或发电反应所致的生成水，不能供给阳极侧流路11。因此，在与阳极侧多孔气体流路6的双极板9相向的面上也设置阳极侧流路沟11，与阴极侧流路沟10同样供给液体水。供给的液体水一部分发生蒸发，可用于阳极的保湿。与可靠地进行冷却的阴极侧流路沟10相比，供给的水量可进一步减少。因此，阳极侧流路沟11与阴极侧流路沟10相比，图2所示的断面中，设定的每条流路沟的断面积变小。此时，设定的流路宽度以及流路深度比阴极侧流路沟10小。另外，设定的由多个构成的阳极侧流路沟11的总断面积也变小。
采用这样的构成时，通过使用金属板构成的双极板9可以可靠地实现不透气。另外，也向阳极侧流路沟11供水，在发电反应中，补充质子及向阴极侧移动的水分，可以防止固体高分子电解质膜1的阳极侧的干燥。

Claims (7)

1.固体高分子形燃料电池，其是把以电解质膜-电极催化剂接合体、向上述接合体的燃料极供给燃料气体的导电性的气体扩散层、燃料气体流路、以及、向上述接合体的氧化剂极供给氧化剂气体的导电性的气体扩散层、氧化剂气体供给流路、把燃料气体流路与氧化剂气体流路加以隔开的双极板所构成的单位发电单元多个加以层叠的固体高分子形燃料电池，其特征在于，上述燃料气体流路以及氧化剂气体流路以导电性多孔体构成，向上述氧化剂气体流路混入、供给氧化剂气体及液体水。
2.按照权利要求1所述的固体高分子形燃料电池，其特征在于，在与构成上述氧化剂气体流路的多孔体的发电面侧相反的面上实施沟加工。
3.按照权利要求2所述的固体高分子形燃料电池，其特征在于，把上述燃料气体流路与氧化剂气体流路隔开的双极板，与构成燃料气体流路及氧化剂气体流路的多孔体相比，为气体透过系数小的多孔板。
4.按照权利要求3所述的固体高分子形燃料电池，其特征在于，上述多孔板为亲水性的。
5.按照权利要求2所述的固体高分子形燃料电池，其特征在于，在与构成上述燃料气体流路的多孔体的发电面侧相反的面上实施沟加工。
6.按照权利要求5所述的固体高分子形燃料电池，其特征在于，燃料气体流路上形成的沟的断面积比氧化剂气体流路上形成的沟的断面积小。
7.按照权利要求5所述的固体高分子形燃料电池，其特征在于，把上述燃料气体流路与氧化剂气体流路隔开的双极板以金属板构成。
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