CN102214832B

CN102214832B - 燃料电池

Info

Publication number: CN102214832B
Application number: CN2011100790980A
Authority: CN
Inventors: 福井薰; 宫岛一嘉; 藤原宗
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: CN102214832A

Abstract

本发明提供一种能够以简单的结构尽可能地阻止冷凝水所引起的液体间电路联接的燃料电池。所述燃料电池(10)中，第一金属隔板(16)与第二金属隔板(18)夹持电解质膜-电极结构体(14)，并且以电极面为铅垂面而沿水平方向层叠。在第一金属隔板(16)的面(16a)上设置沿重力方向延伸的氧化剂气体流路(26)、氧化剂气体入口连通孔(20a)及氧化剂气体出口连通孔(20b)。连通氧化剂气体流路(26)与氧化剂气体入口连通孔(20b)的多个出口连结通路(28b)沿水平方向排列而形成。所述出口连结通路(28b)的排列方向正中央部比排列方向两端部向氧化剂气体出口连通孔(20b)侧突出。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池，所述燃料电池中，在电解质的两侧设置有一对电极的电解质-电极结构体与隔板以电极面为铅垂面而沿水平方向层叠，在所述电解质-电极结构体与所述隔板之间设置有沿所述电极向重力方向供给反应气体的反应气体流路，并且，所述燃料电池具有位于所述反应气体流路的上方且沿层叠方向贯通而使所述反应气体流动的反应气体入口连通孔、位于所述反应气体流路的下方且沿所述层叠方向贯通而使所述反应气体流动的反应气体出口连通孔。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池具备通过一对隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)而成的单位电池，所述电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜(电解质)的两侧分别配设有阳极侧电极及阴极侧电极。

通常，在这种燃料电池被用于车载时，为了得到所期望的发电力，形成层叠有规定数量(例如，几十～几百)的单位电池的燃料电池堆而进行使用。此时，燃料电池堆通常采用在隔板的面内设有反应气体流路和反应气体连通孔的所谓内部分流器，其中，该反应气体流路使反应气体沿电极面流动，该反应气体连通孔与所述反应气体流路连通且沿单位电池的层叠方向贯通。

通常，在燃料电池中，通过反应而产生生成水，该生成水冷凝而成的冷凝水容易滞留在反应气体流路中。因此，尤其在内部分流器型燃料电池中，需要将水分从反应气体流路向反应气体连通孔可靠地排出。

因此，例如在专利文献1公开的燃料电池中，其特征在于，具有气体导入分流器孔、气体排出分流器孔及气体流路槽部，且具备连结所述气体导入分流器孔与所述气体流路槽部的气体导入口、连结所述气体排出分流器孔与所述气体流路槽部的气体排出口，并且，所述气体导入口、所述气体排出口中至少一方的气体流通槽的至少气体分流器孔侧的宽度宽。

因此，即使气体中的水分的一部分在气体流路槽部冷凝，由于气体排出口的气体流通槽的气体分流器孔侧的宽度宽，因此也能够容易从所述气体排出口向所述气体分流器孔排出冷凝水。

专利文献1：日本专利第4062797号公报

然而，在上述专利文献1中，由于气体排出口的气体分流器孔侧的宽度宽，因此冷凝水可能沿着所述气体排出口的壁面而向气体分流器孔连续地(相连地)排出。因此，在燃料电池内形成电流经由水滴流动的所谓液体间电路联接路径(日语：液

路)，尤其在使用了金属隔板时，存在容易因电位差而在所述金属隔板表面产生腐蚀电流这样的问题。

发明内容

本发明为了解决此种问题而提出，其目的在于提供一种能够以简单的结构尽可能地阻止冷凝水所引起的液体间电路联接的燃料电池。

本发明所涉及一种燃料电池，在电解质的两侧设置有一对电极的电解质-电极结构体与隔板沿水平方向层叠，在所述电解质-电极结构体与所述隔板之间设置有沿所述电极向重力方向供给反应气体的反应气体流路，并且，所述燃料电池具有位于所述反应气体流路的上方且沿层叠方向贯通而使所述反应气体流动的反应气体入口连通孔、位于所述反应气体流路的下方且沿所述层叠方向贯通而使所述反应气体流动的反应气体出口连通孔。

该燃料电池中，在反应气体流路与反应气体出口连通孔之间沿水平方向排列而形成有多个连结通路，且多个连结通路沿重力方向延伸，并且，所述连结通路的排列方向中间部分比排列方向两端部向所述反应气体出口连通孔侧突出。

另外，该燃料电池中，优选连结通路的排列方向正中央部分比排列方向两端部向反应气体出口连通孔侧突出。

该燃料电池中，还优选形成反应气体出口连通孔且构成与连结通路的交界部位的上侧内壁面从所述连结通路的所述排列方向两端部朝向排列方向正中央部分向下方且平滑地连续。

发明效果

根据本发明，沿着反应气体流路向重力方向流动的冷凝水沿着在所述反应气体流路的下方设置的多个连结通路而向重力方向下方移动。此时，连结通路的排列方向中间部分比排列方向两端部向反应气体出口连通孔侧突出。从而，冷凝水向连结通路的排列方向中间部分侧移动而集中后，向反应气体出口连通孔落下，因此能够切断连续性(相连)，能够良好地抑制形成液体间电路联接路径的情况。由此，能够以简单的结构尽可能地阻止冷凝水所引起的液体间电路联接。

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是所述燃料电池的截面说明图。

图3是构成所述燃料电池的第一金属隔板的主视说明图。

图4是所述第一金属隔板的主要部分放大说明图。

图5是构成所述燃料电池的第二金属隔板的主视说明图。

图6是构成本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池的第一金属隔板的主要部分放大说明图。

图7是本发明的第三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8是构成所述燃料电池的第一金属隔板的主要部分放大说明图。

图9是构成本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池的第二金属隔板的主要部分放大说明图。

符号说明：

10、70…燃料电池

14、72…电解质膜-电极结构体

16、18、60、74、76、90…金属隔板

20a…氧化剂气体入口连通孔

20b…氧化剂气体出口连通孔

22a…冷却介质入口连通孔

22b…冷却介质出口连通孔

24a…燃料气体入口连通孔

24b…燃料气体出口连通孔

26…氧化剂气体流路

28a、40a、80a…入口连结通路

28b、40b、80b…出口连结通路

32、42…密封构件

34a、34b、44a、44b、82a、82b…流路形成构件

36…上侧内壁面

38…燃料气体流路

50…固体高分子电解质膜

52…阳极侧电极

54…阴极侧电极

78a…供给孔部

78b…排出孔部

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的第一实施方式涉及的燃料电池10中，电解质膜-电极结构体(电解质-电极结构体)14被第一金属隔板16与第二金属隔板18夹持。电解质膜-电极结构体14、第一金属隔板16及第二金属隔板18以电极面为铅垂面而沿水平方向(箭头A方向)层叠。

第一金属隔板16及第二金属隔板18具有沿重力方向延伸的纵长形状。第一金属隔板16及第二金属隔板18例如由钢板、不锈钢板、铝板或镀敷处理钢板等构成，平面具有矩形形状，并且，通过将金属制薄板冲压加工成波板状而成型为截面凹凸形状。需要说明的是，也可以取代第一金属隔板16及第二金属隔板18而使用例如碳隔板(未图示)。

在燃料电池10的重力方向(箭头C方向)上端缘部，沿箭头B方向(水平方向)排列设置有在作为层叠方向的箭头A方向上相互连通的用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔20a、用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔22a以及用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔24a。

在燃料电池10的重力方向下端缘部，沿箭头B方向排列设置在箭头方向A上相互连通的用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔24b、用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔22b以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔20b。

在第一金属隔板16的电解质膜-电极结构体14侧的面16a上设置有沿重力方向延伸的直线状的氧化剂气体流路(反应气体流路)26。需要说明的是，氧化剂气体流路26的平面形状也可以为波形形状。

氧化剂气体流路26具备通过将第一金属隔板16沿厚度方向成形为波形形状而设置的多个槽部，所述氧化剂气体流路26与氧化剂气体入口连通孔20a及氧化剂气体出口连通孔20b经由后述的多个入口连结通路28a及出口连结通路28b连通。

在第一金属隔板16的面16a、16b上，绕该第一金属隔板16的外周端部通过烧结或注射模塑成型将第一密封构件32一体化。第一密封构件32例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等密封材料、缓冲材料或填充材料。优选使用具有防水作用的橡胶构件、例如硅橡胶(硅酮等)。

第一密封构件32在面16a侧绕外周缘部而形成与氧化剂气体入口连通孔20a及氧化剂气体出口连通孔20b连通的氧化剂气体流路26，另一方面，在面16b侧绕外周缘部而形成与冷却介质入口连通孔22a及冷却介质出口连通孔22b连通的冷却介质流路30。该冷却介质流路30具有氧化剂气体流路26的背面形状，冷却介质的流动方向设定为沿重力方向。

如图3所示，多个入口连结通路28a通过多个流路形成构件34a形成，并且，所述流路形成构件34a分别沿重力方向延伸，且例如与密封构件32一体成形。

流路形成构件34a除了使用上述的具有防水作用的橡胶构件外，还适合使用树脂材料、例如PPS(聚苯硫醚)树脂或PEEK(聚醚醚酮)树脂等。需要说明的是，以下所说明的流路形成构件34b及流路形成构件44a、44b也同样。

出口连结通路28b通过沿重力方向延伸的多个流路形成构件34b形成，并且，所述流路形成构件34b例如与第一密封构件32一体成形。此外，流路形成构件34b可以与第一密封构件32不同体成形而与所述第一密封构件32接合。另外，流路形成构件34b可以通过对第一金属隔板16进行冲压成形而形成，或者也可以通过在碳隔板上一体地进行槽加工而形成。

如图4所示，多个出口连结通路28b沿水平方向排列，并且所述出口连结通路28b的排列方向(箭头B方向)中间部分(两端部之间的部分)、优选正中央部分比排列方向两端部向氧化剂气体出口连通孔20b侧突出。具体而言，形成氧化剂气体出口连通孔20b且构成与出口连结通路28b的交界部位的上侧内壁面36从所述出口连结通路28b的排列方向两端部朝向排列方向中间部分、优选正中央部分向下方且平滑地连续。此外，上侧内壁面36形成为直线状或曲线状。

这里，优选将各出口连结通路28b的宽度尺寸S设定为小的尺寸。其原因在于，由于向氧化剂气体出口连通孔20b的内部露出的水滴的表面积变小，因此落下的水滴直径变小，沿着上侧内壁面36流动的可能性降低，且落下时的相连距离变短。

优选将流路形成构件34b间的距离P设定得小。原因在于，即使冷凝水未落下而沿着出口连结通路28b的壁面下降，水滴彼此也会在相邻的出口连结通路28b之间一体化，从而能够使所述水滴落下。优选将各流路形成构件34b的长度l设定为相同的尺寸。这是出于能够使各出口连结通路28b中的压力损失均匀。

优选将配置在排列方向两端部的出口连结通路28b与上侧内壁面36的角部端部的距离L设定得大。特别是设定为距离L＞宽度尺寸S。原因在于，即使冷凝水沿着上侧内壁面36流动，只要距离L在水滴直径以上，就能够切断冷凝水的连接，能够防止在燃料电池10与地面(ground)之间电流经由水滴流动的所谓接地(日语：地

)。

优选将上侧内壁面36的相对于水平方向的倾斜角度α°设定为大的角度(车辆的最大倾斜角度以上)。原因在于，尤其在燃料电池10搭载于车辆时，即使在该车辆的左右的最大倾斜时，也需要具有切断冷凝水的连续性的功能的角度。

如图5所示，在第二金属隔板18的电解质膜-电极结构体14侧的面18a上形成有与燃料气体入口连通孔24a和燃料气体出口连通孔24b连通且沿箭头C方向(重力方向)延伸的直线状的燃料气体流路(反应气体流路)38。需要说明的是，燃料气体流路38的平面形状也可以为波形形状。

燃料气体流路38具备通过将第二金属隔板18沿厚度方向成形为波形形状而设置的多个槽部，并且，所述燃料气体流路38与燃料气体入口连通孔24a及燃料气体出口连通孔24b经由后述的多个入口连结通路40a及出口连结通路40b连通。

如图1所示，在第二金属隔板18的与面18a相反的面18b和第一金属隔板16的面16b之间形成有与冷却介质入口连通孔22a和冷却介质出口连通孔22b连通的冷却介质流路30。

在第二金属隔板18的面18a、18b上，绕该第二金属隔板18的外周端部而将第二密封构件42一体化。该第二密封构件42由与上述第一密封构件32相同的材料构成。

第二密封构件42在面18a侧绕外周缘部而形成与燃料气体入口连通孔24a及燃料气体出口连通孔24b连通的燃料气体流路38，另一方面，在面18b侧绕外周缘部而形成与冷却介质入口连通孔22a及冷却介质出口连通孔22b连通的冷却介质流路30。

如图5所示，多个入口连结通路40a通过沿重力方向延伸的多个流路形成构件44a形成，并且所述流路形成构件44a与第二密封构件42一体成形。同样，多个出口连结通路44a通过沿重力方向延伸的多个流路形成构件44b形成，并且所述流路形成构件44b与第二密封构件42一体化。需要说明的是，流路形成构件44b可以与第二密封构件42不同体成形而与所述第二密封构件42接合。另外，流路形成构件44b也可以通过对第二金属隔板18进行冲压成形而形成，或者也可以通过在碳隔板上一体地进行槽加工而形成。

出口连结通路40b沿水平方向排列，并且与上述出口连结通路28b同样地构成，省略对其的详细说明。

如图1所示，电解质膜-电极结构体14具备例如将水浸渗到全氟磺酸的薄膜中而成的固体高分子电解质膜50、夹持所述固体高分子电解质膜50的阳极侧电极52及阴极侧电极54。

阳极侧电极52及阴极侧电极54具有由碳素纸等构成的气体扩散层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。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜50的两面。

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24a供给含氢气体等燃料气体，并且，向冷却介质入口连通孔22a供给纯水或乙二醇、油等冷却介质。

因此，如图1及图3所示，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔20a导入第一隔板16的入口连结通路28a。氧化剂气体通过入口连结通路28a后沿着氧化剂气体流路26向重力方向移动，向电解质膜-电极结构体14的阴极侧电极54供给。

另一方面，如图5所示，燃料气体从燃料气体入口连通孔24a导入第二金属隔板18的入口连结通路40a。燃料气体通过入口连结通路40a后沿着燃料气体流路38向重力方向移动，向电解质膜-电极结构体14的阳极侧电极52供给。

由此，在各电解质膜-电极结构体14中，向阴极侧电极54供给的氧化剂气体与向阳极侧电极52供给的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应而被消耗，从而进行发电。

另外，如图1所示，冷却介质从冷却介质入口连通孔22a向第一金属隔板16与第二金属隔板18之间的冷却介质流路30导入。冷却介质沿着冷却介质流路30向重力方向移动，将电解质膜-电极结构体14的发电面冷却后向冷却介质出口连通孔22b排出。

如图3所示，沿着氧化剂气体流路26流动的氧化剂气体通过多个出口连结通路28b而向氧化剂气体出口连通孔20b排出。另外，如图5所示，沿着燃料气体流路38流动的燃料气体通过多个出口连结通路40b而向燃料气体出口连通孔24b排出。

其中，在氧化剂气体流路26中，从氧化剂气体入口连通孔20a输送的氧化剂气体用于发电反应且生成水。这些生成水伴随使用完的氧化剂气体一起向氧化气体出口连通孔20b排出。

这种情况下，如图4所示，在第一实施方式中，多个出口连结通路28b沿水平方向排列而形成，并且所述出口连结通路28b的排列方向正中央部分(中间部分)比排列方向两端部向氧化剂气体出口连通孔20b侧突出。

因此，沿着氧化剂气体流路26向重力方向流动的冷凝水沿着设置在所述氧化剂气体流路26的下方的多个出口连结通路28b而向重力方向下方移动。此时，冷凝水向出口连结通路28b的排列方向正中央部分(中间部分)侧移动而集中，向氧化剂出口连通孔20b落下。并且，冷凝水不会沿着形成氧化剂气体出口连通孔20b的两侧的内壁面(铅垂面)流动。

从而，能够切断冷凝水的连续性(相连)，能够抑制形成燃料电池10内电流经由水滴流动的所谓液体间电路联接路径。由此，能够取得如下效果：能够以简单的结构尽可能地阻止因发电生成的水引起的液体间电路联接。

并且，形成氧化剂气体出口连通孔20b的上侧内壁面36从出口连结通路28b的排列方向两端部朝向排列方向正中央部分(中间部分)向下方且平滑地连续。因此，沿着各出口连结通路28b流动的冷凝水能够沿着上侧内壁面36的倾斜顺畅且可靠地向排列方向正中央部分(中间部分)侧集中而合流。尤其在使冷凝水集中到不易发生与壁面的液体的相连的氧化剂气体出口连通孔20b的正中央后，冷凝水通过自重而落下。由此，具有如下优点：无需使用向氧化气体出口连通孔20b突出的突起等，能够有效地避免压力损失的降低，尽可能地阻止液体间电路联接及接地的路径的形成。

需要说明的是，在燃料气体出口连通孔24b中，也能够取得与氧化剂气体出口连通孔20b同样的效果。

图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池的第一金属隔板60的主要部分放大说明图。需要说明的是，对与构成第一实施方式的燃料电池10的第一金属隔板16同样的结构要素标注相同的参照符号，而省略其详细说明。

在第一金属隔板60中，多个出口连结通路28b沿水平方向排列，并且，所述出口连结通路28b的排列方向(箭头B方向)中间部分、具体而言从正中央偏离的部分比排列方向两端部向氧化剂气体出口连通孔20b侧突出。即，形成氧化剂气体出口连通孔20b且构成与出口连结通路28b的交界部位的上侧内壁面36从所述出口连结通路28b的排列方向两端部朝向排列方向中间部分、具体而言从正中央偏离的部分向下方且平滑地连续。

在这样构成的第二实施方式中，出口连结通路28b的排列方向(箭头B方向)中间部分比排列方向两端部向氧化剂气体出口连通孔20b侧突出，能够取得与上述第一实施方式相同的效果。需要说明的是，虽然未图示，但第二金属隔板18也与第一金属隔板60同样地构成，能够取得与上述第一实施方式同样的效果。

图7是本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池70的主要部分立体说明图。需要说明的是，对与第一实施方式的燃料电池10相同的结构要素标注相同的参照符号，而省略其详细说明。

燃料电池70中，电解质膜-电极结构体(电解质-电极结构体)72被第一金属隔板74与第二金属隔板76夹持。电解质膜-电极结构体72具备夹持固体高分子电解质膜50的阳极侧电极52及阳极侧电极54，并且电解质膜-电极结构体72构成所述阳极侧电极52具有比所述阴极侧电极54及所述固体高分子电解质膜50小的表面积的所谓阶梯型MEA。

第二金属隔板76中，在与电解质膜-电极结构体72对置的面76a上设置有燃料气体流路38，另一方面，在相反的面76b上形成有冷却介质流路30。在第二金属隔板76上形成连通燃料气体入口连通孔24a与燃料气体流路38的多个供给孔部78a、连通燃料气体出口连通孔24b与所述燃料气体流路38的多个排出孔部78b。

在第二金属隔板76的面76b上，将燃料气体入口连通孔24a与供给孔部78a相连的多个入口连结通路80a通过多个流路形成构件82a形成。在第二金属隔板76的面76b上，将燃料气体出口连通孔24b与排出孔部78b相连的多个出口连结通路80b通过多个流路形成构件82b形成。

如图8所示，各出口连结通路80b在各排出孔部78b的铅垂下方向延伸，沿水平方向排列，并且，所述出口连结通路80b的排列方向(箭头B方向)中间部分、优选正中央部分比排列方向两端部向燃料气体出口连通孔24b侧突出。

需要说明的是，也可以与上述第二金属隔板76同样，在第一金属隔板74侧接近氧化剂气体入口连通孔20a及氧化剂气体出口连通孔20b而形成供给孔部及排出孔部。

在这样构成的第三实施方式中，沿着燃料气体流路38流动的燃料气体通过排出孔部78b而从面76a向面76b移动，之后通过多个出口连结通路80b而向燃料气体出口连通孔24b排出。从而，在第三实施方式中，取得与上述第一实施方式相同的效果。

图9是构成本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池的第二金属隔板90的主要部分放大说明图。需要说明的是，对与构成第三实施方式所涉及的燃料电池70的第二金属隔板76同样的结构要素标注相同的参照符号，而省略其详细说明。

在第二金属隔板90中，各流路形成构件82b的长度l1设定为相同的尺寸。因此，在第四实施方式中，除了取得与上述第三实施方式同样的效果外，还能够使各出口连结通路80b的压力损失均匀。

Claims

1.一种燃料电池，在电解质的两侧设置有一对电极的电解质-电极结构体与隔板沿水平方向层叠，在所述电解质-电极结构体与所述隔板之间设置有沿所述电极向重力方向供给反应气体的反应气体流路，并且，所述燃料电池具有位于所述反应气体流路的上方且沿层叠方向贯通而使所述反应气体流动的反应气体入口连通孔、位于所述反应气体流路的下方且沿所述层叠方向贯通而使所述反应气体流动的反应气体出口连通孔，所述燃料电池的特征在于，

在所述反应气体流路与所述反应气体出口连通孔之间沿水平方向排列而形成有多个连结通路，所述多个连结通路沿重力方向延伸，并且，

所述连结通路的排列方向中间部分比排列方向两端部向所述反应气体出口连通孔侧突出，

形成所述反应气体出口连通孔且构成与所述连结通路的交界部位的上侧内壁面从所述连结通路的所述排列方向两端部朝向所述排列方向中间部分向下方且平滑地连续。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

所述连结通路的排列方向正中央部分比排列方向两端部向所述反应气体出口连通孔侧突出。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，

所述上侧内壁面从所述连结通路的所述排列方向两端部朝向所述排列方向正中央部分向下方且平滑地连续。