CN102460798B - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
在构成燃料电池(10)的阴极侧金属隔板(12)的面(12a)上形成有与氧化剂气体入口连通孔(28a)和氧化剂气体出口连通孔(28b)连通的氧化剂气体流路(30)。在阴极侧金属隔板(12)设有从中间高度部(38a、38b)向氧化剂气体流路(30)侧突出而构成连续引导流路(42a、42b)的多个连续的线状引导突起部(40a、40b)。各线状引导突起部(40a、40b)与形成直线状流路(34a)的直线状突起部(34b)的端部连续地连接,并且,具有弯曲部位(41a、41b)且逐级地设定成不同的长度。
Description
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的两面设有电极的电解质-电极结构体和波板形状的金属隔板,在所述金属隔板的一个面上形成有供燃料气体或氧化剂气体流通的反应气体流路,并且形成有沿层叠方向贯通而供所述燃料气体或所述氧化剂气体流通的反应气体连通孔。
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)的单位电池,该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别配设有阳极侧电极及阴极侧电极。此种燃料电池通常通过层叠规定的数目的单位电池而作为燃料电池堆使用。
在上述的燃料电池中,在一方的隔板的面内设有与阳极侧电极对置而用于使燃料气体流动的燃料气体流路,并且在另一方的隔板的面内设有与阴极侧电极对置而用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体流路。另外,在隔板之间,沿所述隔板的面方向设有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。
此时,存在构成所谓内部岐管型燃料电池的情况,该内部岐管型燃料电池在隔板上形成有沿燃料电池的层叠方向贯通而供燃料气体流动的燃料气体连通孔、供氧化剂气体流动的氧化剂气体连通孔及供冷却介质流动的冷却介质连通孔。
作为此种燃料电池,例如已知有日本特开2006-172924号公报。如图10所示,该日本特开2006-172924号公报所公开的隔板1例如设有燃料气体流路2,并且所述燃料气体流路2具有主流路部3。主流路部3经由配流部4及合流部5而与入口岐管6a及出口岐管6b连通。
主流路部3由多个肋7a分割,配流部4及合流部5由多个肋7b、7c分割。各肋7b、7c在长度方向的中途被分割部8a、8b分割成多个。各肋7b、7c的分割部8a、8b与相邻的肋7b、7c的分割部8a、8b在隔板1的长度方向上错开位置配置。
然而,在上述的隔板1中,由于各肋7b、7c被分割部8a、8b分割成多个,因此生成水容易滞留在所述分割部8a、8b。此时,燃料气体或氧化剂气体绕过生成水而在肋7b、7c之间流动,因此所述生成水可能未被排出。由此,燃料气体或氧化剂气体的流动受到阻碍,发电性能下降。
而且,在从燃料电池堆的外部导入水时,该水会滞留而未排出,从而发电性能可能会下降。
此外,由于各肋7b、7c被分割部8a、8b分割成多个,因此实际上对发电不起作用的配流部4及合流部5的面积增大。因此,隔板1整体变得大型化。
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提高反应气体流路侧的生成水的排出性,并且能够良好地实现小型化的燃料电池。
本发明涉及一种燃料电池,其层叠有在电解质的两面设有电极的电解质-电极结构体和波板形状的金属隔板,在所述金属隔板的一个面上形成有供燃料气体或氧化剂气体流通的反应气体流路,并且形成有沿层叠方向贯通而供所述燃料气体或所述氧化剂气体流通的反应气体连通孔。
金属隔板在反应气体流路的端部与反应气体连通孔之间设有缓冲部,所述缓冲部设有多个连续的线状引导突起部,并且所述线状引导突起部具有弯曲部位且逐级地设定成不同的长度。
根据本发明,缓冲部设有多个连续的线状引导突起部,并且,所述线状引导突起部具有弯曲部位且逐级地设定成不同的长度。因此,不会发生反应气体绕过生成水而流通的情况,通过所述反应气体能够容易且可靠地排出所述生成水,并且能够均匀地供给该反应气体,从而能够良好地维持所希望的发电性能。而且,缓冲部能够有效地狭小化,从而容易实现燃料电池整体的小型化。
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是构成所述燃料电池的阴极侧金属隔板的一个面的说明图。
图3是所述阴极侧金属隔板的主要部分放大说明图。
图4是所述阴极侧金属隔板的另一个面的说明图。
图5是所述阴极侧金属隔板的入口缓冲部的局部立体说明图。
图6是所述阴极侧金属隔板的图5中VI-VI线剖视说明图。
图7是构成所述燃料电池的阳极侧金属隔板的正面说明图。
图8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。
图9是构成所述燃料电池的中间金属隔板的正面说明图。
图10是日本特开2006-172924号公报所公开的隔板的说明图。
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设有阴极侧金属隔板12、电解质膜-电极结构体(电解质-电极结构体)(MEA)14及阳极侧金属隔板16。
阴极侧金属隔板12及阳极侧金属隔板16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后的金属板构成。阴极侧金属隔板12及阳极侧金属隔板16通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而具有截面凹凸形状。
电解质膜-电极结构体14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(电解质)18;夹持所述固体高分子电解质膜18的阴极侧电极20及阳极侧电极22。
阴极侧电极20及阳极侧电极22具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有铂合金的多孔质碳粒子同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18的两面。
在燃料电池10的长边方向(箭头B方向)的一端缘部设有沿着箭头A方向相互连通的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、用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔26b、及用于排出氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体出口连通孔28b。
在燃料电池10的长边方向(箭头B方向)的另一端缘部设有沿着箭头A方向相互连通的用于供给氧化剂气体的氧化剂气体入口连通孔28a、用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔26a、及用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔24b。
氧化剂气体入口连通孔28a具有大致三角形形状,并且设有与夹着燃料电池10的角部的两边平行的两边。与这两边相连的斜边如后述那样与入口缓冲部36a的外形线37c平行。需要说明的是,氧化剂气体出口连通孔28b、燃料气体入口连通孔24a及燃料气体出口连通孔24b与上述的氧化剂气体入口连通孔28a同样地构成。
如图1及图2所示,在阴极侧金属隔板12的朝向电解质膜-电极结构体14的面12a上形成有与氧化剂气体入口连通孔28a和氧化剂气体出口连通孔28b连通的氧化剂气体流路(反应气体流路)30。在阴极侧金属隔板12的另一面12b上形成有作为氧化剂气体流路30的背面形状的冷却介质流路32。
氧化剂气体流路30具有:沿着发电面在箭头B方向上延伸且在箭头C方向上排列的多根直线状流路34a;在所述直线状流路34a的入口附近及出口附近设置的入口缓冲部(配流部)36a及出口缓冲部(合流部)36b。直线状流路34a形成在向面12a侧突出的直线状流路突起部(线状流路突起部)34b之间。需要说明的是,也可以取代直线状流路突起部34b,而采用曲线状、弯曲线状或波线状突起部(未图示)。
需要说明的是,本发明至少适用于入口缓冲部36a或出口缓冲部36b中的任一者,但以下的说明适用于所述入口缓冲部36a及所述出口缓冲部36b这双方。
入口缓冲部36a具有正面观察下大致梯形形状(多边形形状)的外形线37a、37b及37c。外形线37a与燃料气体出口连通孔24b的内侧壁面平行,外形线37b与冷却介质入口连通孔26a的内侧壁面(铅垂面)平行,而且,外形线37c与氧化剂气体入口连通孔28a的内侧壁面平行。需要说明的是,外形线37a~37c也可以是三角形或长方形等。
入口缓冲部36a具备从中间高度部38a向氧化剂气体流路30侧突出的多个连续的线状引导突起部40a,通过所述线状引导突起部40a形成连续引导流路42a。
如图2及图3所示,各线状引导突起部40a与形成直线状流路34a的规定位置的直线状流路突起部34b的端部连续地连接,并且,具有弯曲部位41a且逐级地设定成不同的长度。各线状引导突起部40a的突起宽度设定为彼此相同,另一方面,设定成比直线状流路突起部34b的突起宽度窄或相同的宽度尺寸。
与接近氧化剂气体入口连通孔28a的直线状流路突起部34b连接的线状引导突起部40a比与离开所述氧化剂气体入口连通孔28a的所述直线状流路突起部34b连接的线状引导突起部40a短。线状引导突起部40a的直线部分40aa与外形线37a平行,所述线状引导突起部40a的直线部分40ab与外形线37b平行。
如图3所示,各线状引导突起部40a中,与直线状流路突起部34b连结的连结部分之间设定成相同的距离L1,弯曲部位41a之间设定成相同的距离L2,铅垂部分之间设定成相同的距离L3,而且,氧化剂气体入口连通孔28a侧的端部之间设定成相同的距离L4。需要说明的是,各线状引导突起部40a优选分别设定成相同的距离L1~L4,但也可以设定成不同的距离。
入口缓冲部36a经由桥部44a与氧化剂气体入口连通孔28a连通。桥部44a例如通过将密封构件成形为凹凸形状而构成。以下,在其他的桥部中也同样。
如图2所示,出口缓冲部36b构成为与入口缓冲部36a呈点对称形状,在正面观察下具有大致梯形形状(多边形形状)的外形线37d、37e及37f。外形线37d与燃料气体入口连通孔24a的内侧壁面平行,外形线37e与冷却介质出口连通孔26b的内侧壁面(铅垂面)平行,而且,外形线37f与氧化剂气体出口连通孔28b的内侧壁面平行。
出口缓冲部36b具备从中间高度部38b向氧化剂气体流路30侧突出的线状引导突起部40b,通过所述线状引导突起部40b形成连续引导流路42b。出口缓冲部36b经由桥部44b与氧化剂气体出口连通孔28b连通。需要说明的是,出口缓冲部36b与上述的入口缓冲部36a同样构成,省略其详细说明。
如图4所示,在阴极侧金属隔板12的另一个面12b上形成有作为氧化剂气体流路30的背面形状的冷却介质流路32。冷却介质流路32具有:沿着发电面在箭头B方向上延伸且在箭头C方向上排列的多根直线状流路46a;在所述直线状流路46a的入口附近及出口附近设置的入口缓冲部48a及出口缓冲部48b。
直线状流路46a形成在向面12b侧突出的直线状流路突起部(线状流路突起部)46b之间。直线状流路46a是直线状流路突起部34b的背面形状,另一方面,直线状流路突起部46b是直线状流路34a的背面形状。入口缓冲部48a是入口缓冲部36a的背面形状,另一方面,出口缓冲部48b是出口缓冲部36b的背面形状(参照图5)。
如图5及图6所示,入口缓冲部48a具备从中间高度部38a向冷却介质流路32侧突出的压花部50a,通过所述压花部50a来形成压花流路52a。连续引导流路42a距中间高度部38a的深度设定成与压花流路52a距所述中间高度部38a的深度相等。入口缓冲部48a经由桥部53a与冷却介质入口连通孔26a连通(参照图4)。
如图4所示,出口缓冲部48b具备从中间高度部38b向冷却介质流路32侧突出的压花部50b,通过所述压花部50b形成压花流路52b。出口缓冲部48b经由桥部53b与冷却介质出口连通孔26b连通。
如图7所示,在阳极侧金属隔板16的朝向电解质膜-电极结构体14的面16a上形成有燃料气体流路(反应气体流路)54,并且在面16b上形成有作为所述燃料气体流路54的背面形状的冷却介质流路32。
燃料气体流路54具有:沿着发电面在箭头B方向上延伸且在箭头C方向上排列的多根直线状流路56a;在所述直线状流路56a的入口附近及出口附近设置的入口缓冲部58a及出口缓冲部58b。直线状流路56a形成在向面16a侧突出的直线状流路突起部(线状流路突起部)56b之间。需要说明的是,也可以取代直线状流路突起部56b,而采用曲线状、弯曲线状或波线状突起部(未图示)。
入口缓冲部58a具有正面观察下大致梯形形状(多边形形状)的外形线37a、37b及37c。外形线37a与氧化剂气体出口连通孔28b的内侧壁面平行,外形线37b与冷却介质出口连通孔26b的内侧壁面(铅垂面)平行,而且,外形线37c与燃料气体入口连通孔24a的内侧壁面平行。需要说明的是,外形线37a~37c也可以是三角形或长方形等。
入口缓冲部58a具备从中间高度部60a向燃料气体流路54侧突出的多个连续的线状引导突起部62a,通过所述线状引导突起部62a形成连续引导流路64a。
各线状引导突起部62a与形成直线状流路56a的直线状流路突起部56b的端部连续地连接,并且,具有弯曲部位41a且逐级地设定成不同的长度。各线状引导突起部62a的突起宽度设定成彼此相同,另一方面,设定成比直线状流路突起部56b的突起宽度窄或相同的宽度尺寸。线状引导突起部62a与上述的线状引导突起部40a同样地构成,省略其详细说明。入口缓冲部58a经由桥部65a与燃料气体入口连通孔24a连通。
出口缓冲部58b构成为与入口缓冲部58a呈点对称形状,具有在正面观察下大致梯形形状(多边形形状)的外形线37d、37e及37f。外形线37d与氧化剂气体入口连通孔28a的内侧壁面平行,外形线37e与冷却介质入口连通孔26a的内侧壁面(铅垂面)平行,而且,外形线37f与燃料气体出口连通孔24b的内侧壁面平行。
出口缓冲部58b具备从中间高度部60b向燃料气体流路54侧突出的多个连续的线状引导突起部62b,通过所述线状引导突起部62b形成连续引导流路64b。
各线状引导突起部62b与形成直线状流路56a的直线状流路突起部56b的端部连续地连接,并且,具有弯曲部位41b且逐级地设定成不同的长度。线状引导突起部62b与上述的线状引导突起部40b同样地构成,省略其详细说明。出口缓冲部58b经由桥部65b与燃料气体出口连通孔24b连通。
如图1所示,在阳极侧金属隔板16的另一个面16b上形成有作为燃料气体流路54的背面形状的冷却介质流路32。冷却介质流路32与阴极侧金属隔板12同样地构成,对于相同的结构要素标注相同的参照符号,而省略其详细说明。
在阴极侧金属隔板12的面12a、12b上绕所述阴极侧金属隔板12的外周缘部而一体成形有第一密封构件70。在阳极侧金属隔板16的面16a、16b上绕该阳极侧金属隔板16的外周缘部而一体成形有第二密封构件72。
以下,说明该燃料电池10的动作。
首先,如图1所示,向氧化剂气体入口连通孔28a供给含氧气体等氧化剂气体,并向燃料气体入口连通孔24a供给含氢气体等燃料气体。而且,向冷却介质入口连通孔26a供给纯水或乙二醇、油等冷却介质。
因此,氧化剂气体被从氧化剂气体入口连通孔28a向阴极侧金属隔板12的氧化剂气体流路30导入。该氧化剂气体从入口缓冲部36a沿着直线状流路34a向箭头B方向(水平方向)移动,从而向电解质膜-电极结构体14的阴极侧电极20供给。
另一方面,燃料气体被从燃料气体入口连通孔24a向阳极侧金属隔板16的燃料气体流路54导入。如图7所示,该燃料气体从入口缓冲部58a沿着直线状流路56a向水平方向(箭头B方向)移动,从而向电解质膜-电极结构体14的阳极侧电极22供给。
因此,在电解质膜-电极结构体14中,向阴极侧电极20供给的氧化剂气体和向阳极侧电极22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14的阴极侧电极20供给而被消耗的氧化剂气体从出口缓冲部36b沿着氧化剂气体出口连通孔28b向箭头A方向排出。同样,向电解质膜-电极结构体14的阳极侧电极22供给而被消耗的燃料气体从出口缓冲部58b向燃料气体出口连通孔24b排出。
另一方面,向冷却介质入口连通孔26a供给的冷却介质被导入到在构成燃料电池10的阴极侧金属隔板12与阳极侧金属隔板16之间形成的冷却介质流路32之后,向箭头B方向流通。该冷却介质从入口缓冲部48a沿着直线状流路46a移动,对电解质膜-电极结构体14进行冷却,之后从出口缓冲部48b向冷却介质出口连通孔26b排出。
这种情况下,在第一实施方式中,例如在氧化剂气体流路30中,如图2所示,入口缓冲部36a设有多个连续的线状引导突起部40a,并且所述线状引导突起部40a具有弯曲部位41a且逐级地设定成不同的长度。另一方面,出口缓冲部36b同样地设有多个连续的线状引导突起部40b,并且所述线状引导突起部40b具有弯曲部位41b且逐级地设定成不同的长度。
因此,在氧化剂气体流路30中,在入口缓冲部36a及出口缓冲部36b设有连续引导流路42a、42b,因此不会发生氧化剂气体绕过生成水而流通的情况。因此,通过氧化剂气体,能够容易且可靠地从入口缓冲部36a及出口缓冲部36b排出生成水,并且能够均匀地供给所述氧化剂气体,从而能够良好地维持所希望的发电性能。
而且,入口缓冲部36a及出口缓冲部36b能够有效地狭小化,从而容易实现燃料电池10整体的小型化。
另外,线状引导突起部40a的直线部分40aa与外形线37a平行,所述线状引导突起部40a的直线部分40ab与外形线37b平行。
此外,如图3所示,各线状引导突起部40a中,与直线状流路突起部34b连结的连结部分之间设定成相同的距离L1,弯曲部位41a之间设定成相同的距离L2,铅垂部分之间设定成相同的距离L3,而且,氧化剂气体入口连通孔28a侧的端部之间设定成相同的距离L4。另一方面,各线状引导突起部40b与上述的线状引导突起部40a同样地构成。
由此,在氧化剂气体流路30中,氧化剂气体沿着发电面整面被顺畅且均匀地供给,从而能够可靠地得到良好的发电性能。另外,在燃料气体流路54中,能得到与上述的氧化剂气体流路30同样的效果。
此外,在冷却介质流路32中,在入口缓冲部48a及出口缓冲部48b设有压花流路52a、52b。因此,冷却介质的配流性有效地提高。而且,通过入口缓冲部36a及出口缓冲部36b和入口缓冲部58a及出口缓冲部58b,能够支承电解质膜-电极结构体14。
由此,燃料电池10能够良好地阻止氧化剂气体及燃料气体的供给不足引起的发电性能的下降,并且具有所希望的冷却功能,而能够使所述燃料电池10良好地发电。
图8是本发明的第二实施方式的燃料电池80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80设有阴极侧金属隔板12、第一电解质膜-电极结构体14a、中间金属隔板82、第二电解质膜-电极结构体14b及阳极侧金属隔板16。
如图9所示,在中间金属隔板82的朝向第一电解质膜-电极结构体14a的面82a上形成有燃料气体流路(反应气体流路)84,并且在朝向第二电解质膜-电极结构体14b的面82b上形成有作为所述燃料气体流路84的背面形状的氧化剂气体流路(反应气体流路)86。
燃料气体流路84具有:沿着发电面在箭头B方向上延伸且在箭头C方向上排列的多根直线状流路88a;在所述直线状流路88a的入口附近及出口附近设置的入口缓冲部90a及出口缓冲部90b。直线状流路88a形成在向面82a侧突出的直线状流路突起部(线状流路突起部)88b之间。
入口缓冲部90a具有在正面观察下大致梯形形状(多边形形状)的外形线37a、37b及37c。入口缓冲部90a具备从中间高度部92a向燃料气体流路84侧突出的多个连续的线状引导突起部94a,通过所述线状引导突起部94a形成连续引导流路96a。
出口缓冲部90b具备从中间高度部92b向燃料气体流路84侧突出的线状引导突起部94b,通过所述线状引导突起部94b形成连续引导流路96b。线状引导突起部94a、94b与线状引导突起部62a、62b同样地构成。
如图8所示,氧化剂气体流路86具有:沿着发电面在箭头B方向上延伸且在箭头C方向上排列的多根直线状流路98a;在所述直线状流路98a的入口附近及出口附近设置的入口缓冲部100a及出口缓冲部100b。直线状流路98a形成在向面82b侧突出的直线状流路突起部(线状流路突起部)98b之间。
入口缓冲部100a具备从中间高度部92b向氧化剂气体流路86侧突出的压花部102a,通过所述压花部102a形成压花流路104a。出口缓冲部100b具备从中间高度部92a向氧化剂气体流路86侧突出的压花部102b,通过所述压花部102b形成压花流路104b。
在该第二实施方式中,在中间金属隔板82的面82a的入口缓冲部90a及出口缓冲部90b设有向燃料气体流路84侧突出的连续引导流路96a、96b,因此不会发生燃料气体绕过生成水而流通的情况。
另一方面,在中间金属隔板82的面82b的入口缓冲部100a及出口缓冲部100b设有向氧化剂气体流路86侧突出的压花流路104a、104b。因此,在氧化剂气体流路86中,氧化剂气体的流动不会受到连续引导流路96a、96b的背面形状的影响,而所述氧化剂气体能够顺畅地流通。
Claims (4)
1.一种燃料电池,其层叠有在电解质(18)的两面设有电极(20、22)的电解质-电极结构体(14)和波板形状的金属隔板(12),在所述金属隔板(12)的一个面(12a)上形成有供燃料气体或氧化剂气体流通的反应气体流路(30),并且形成有沿层叠方向贯通而供所述燃料气体或所述氧化剂气体流通的反应气体连通孔(28a),所述燃料电池的特征在于,
所述金属隔板(12)在所述反应气体流路(30)的端部与所述反应气体连通孔(28a)之间设有缓冲部(36a),
所述缓冲部(36a)设有多个连续的线状引导突起部(40a),并且,
所述线状引导突起部(40a)具有弯曲部位(41a)且逐级地设定成不同的长度,并且向所述反应气体流路(30)侧突出,另一方面,
多个压花部(50a)至少位于相邻的所述线状引导突起部(40a)之间而向所述反应气体流路(30)的相反侧突出,
多个所述线状引导突起部(40a)与构成所述反应气体流路(30)的线状流路突起部(34b)的端部连续地连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池,其特征在于,
所述缓冲部(36a)具有多边形形状的外形线(37a),
多个所述线状引导突起部(40a)配置成在所述弯曲部位(41a)的前后与所述缓冲部(36a)的所述外形线(37a)平行。
3.根据权利要求1所述的燃料电池,其特征在于,
多个所述线状引导突起部(40a)中,至少所述反应气体连通孔(28a)侧的端部或所述反应气体流路(30)侧的端部彼此的间隔设定成等间隔。
4.根据权利要求1所述的燃料电池,其特征在于,
多个所述线状引导突起部(40a)从所述缓冲部(36a)的中间高度部(38a)向所述反应气体流路(30)侧突出,另一方面,
多个压花部(50a)从所述缓冲部(36a)的所述中间高度部(38a)向所述反应气体流路(30)的相反侧突出。
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