CN102687325A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

燃料电池(10)通过第一隔板(14)和第二隔板(16)来夹持电解质膜-电极结构体(12)。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)。固体高分子电解质膜(26)的端部从气体扩散层(30a、28a)的端部向外方突出，并且，所述固体高分子电解质膜(26)的端部两面由第一保护膜(32)及第二保护膜(33)夹持。第一保护膜(32)的厚度设定成比第二保护膜(33)的厚度薄。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，其具备在电解质膜的两侧配设有一对气体扩散层的电解质膜-电极结构体，并通过将所述电解质膜-电极结构体与隔板层叠而成。
背景技术
通常，固体高分子型燃料电池采用由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜。该燃料电池利用隔板(双向板)来夹持电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体(MEA)在固体高分子电解质膜的两侧分别配设有由催化剂层(电极催化剂)和气体扩散层(多孔质碳)构成的阳极侧电极及阴极侧电极。通常，将该燃料电池层叠规定个数而成的燃料电池组例如作为车载用而使用。
在上述的电解质膜-电极结构体中，使用薄膜状的固体高分子电解质膜。因此，由于向固体高分子电解质膜施加的反应气体的差压等产生的机械性的应力，而所述固体高分子电解质膜可能会发生破损。
因此，例如已知有日本特开2006-318940号公报所公开的燃料电池。如图7所示，该燃料电池具备燃料电池单体1和夹持该燃料电池单体1的第一及第二隔板2、3。燃料电池单体1具有固体高分子电解质膜4和夹着所述固体高分子电解质膜4配设的阴极电极5a及阳极电极6a。
在阴极电极5a及阳极电极6a上配设有第一气体扩散层5b及第二气体扩散层6b。阳极电极6a及第二气体扩散层6b比固体高分子电解质膜4表面积小，且阴极电极5a及第一气体扩散层5b具有比所述阳极电极6a及所述第二气体扩散层6b小的表面积。
在第一隔板2与固体高分子电解质膜4之间以包围阴极电极5a的方式夹装有第一密封件S1。在第一隔板2与第二隔板3之间以包围阳极电极6a的方式夹装有第二密封件S2。
在上述的燃料电池单体1中，台阶部、缓冲部、气体导入部及气体排出部由于未作为发电部使用，因此在这种部位上，不需要具有气体扩散功能。然而，第一气体扩散层5b及第二气体扩散层6b分别延伸到缓冲部，并且所述第二气体扩散层6b延伸设置到台阶部。
通常，第一及第二气体扩散层5b、6b通过多孔质碳布或多孔质碳纸等的高价的多孔质层形成。因此，燃料电池单体1不经济，燃料电池整体的成本高涨。
而且，第一及第二气体扩散层5b、6b为了确保扩散功能而壁厚形成得比较厚。因此，在缓冲部、气体导入部及气体排出部处，难以确保充分的流路高度。由此，压损增大，向电极部的流路的气体分配性下降。
发明内容
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种能够可靠地保护电解质膜，且能够良好地确保反应气体用的流路高度的燃料电池。
本发明涉及一种燃料电池，其具备在电解质膜的两侧配设有一对气体扩散层的电解质膜-电极结构体，并通过将所述电解质膜-电极结构体与隔板层叠而成。
并且，电解质膜-电极结构体中，电解质膜的端部从气体扩散层的端部向外方突出，而且所述电解质膜的所述端部两面由第一保护膜及第二保护膜夹持，且所述第一保护膜的厚度设定成比所述第二保护膜的厚度薄。
根据本发明，从气体扩散层的端部向外方突出的电解质膜的端部两面由第一保护膜及第二保护膜夹持而可靠地保护。而且，第一保护膜的厚度设定成比第二保护膜的厚度薄，因此能够良好地确保所述第一保护膜侧的缓冲部、反应气体导入部及反应气体排出部的反应气体流路高度。此外，能够使发电部流路中的流量分配接近均匀，从而使发电性能提高。由此，能够维持所希望的发电性能，并容易实现燃料电池整体的薄型化。
并且，气体扩散层可以仅设置在使用于发电的区域。因此，高价的气体扩散层未形成到不需要气体扩散功能的部位，从而经济且有效。
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是所述燃料电池的图1中的II-II线剖视说明图。
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-电极结构体的制造方法的说明图。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池的剖视说明图。
图7是日本特开2006-318940号公报所公开的燃料电池的剖视说明图。
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利用第一隔板14及第二隔板16来夹持电解质膜-电极结构体12。
在燃料电池10的长边方向(箭头C方向)的上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、例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔20a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22a。
在燃料电池10的长边方向(箭头C方向)的下端缘部设有沿着箭头A方向相互连通的用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔22b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔20b。
在燃料电池10的短边方向(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冷却介质的冷却介质入口连通孔24a，并且在所述燃料电池10的短边方向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具有纵长形状，具备例如水浸渍于全氟磺酸的薄膜中而得到的固体高分子电解质膜26和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。
如图3所示，在电解质膜-电极结构体12的短边侧的一边(上边)设有向氧化剂气体入口连通孔20a及燃料气体入口连通孔22a侧突出的一对上部突出部12a，并且在所述电解质膜-电极结构体12的短边侧的另一边(下边)设有向氧化剂气体出口连通孔20b及燃料气体出口连通孔22b侧突出的一对下部突出部12b。需要说明的是，上部突出部12a及下部突出部12b的个数与连通孔的个数对应而能够增加。
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和将在表面担载有铂合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层28a的表面而形成的电极催化剂层28b。阳极侧电极30具有由碳素纸等构成的气体扩散层30a和将在表面担载有铂合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层30a的表面而形成的电极催化剂层30b。
电极催化剂层28b、30b在固体高分子电解质膜26的两面形成在同一范围内。气体扩散层28a、30a在固体高分子电解质膜26的两面上形成在同一范围内，并且所述气体扩散层28a、30a的各端面位置与电极催化剂层28b、30b的各端面位置在层叠方向上一致。
固体高分子电解质膜26具有从气体扩散层28a、30a的端部向外方突出的外周端缘面26a、26b。在外周端缘面26a、26b接合有第一保护膜32和第二保护膜33。第一及第二保护膜32、33具有框状，并且由PPS(聚苯硫醚树脂)、PEEK系(聚醚醚酮)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)等工程塑料或超级工程塑料构成。
第一保护膜32的外周端面32a配置在比固体高分子电解质膜26的外周靠内方的位置，所述固体高分子电解质膜26的一方的外周端缘面26a的一部分露出。第二保护膜33的外周端面33a设定在与固体高分子电解质膜26的外周端面相同的位置。第一保护膜32的厚度T1设定成比第二保护膜33的厚度T2薄(T1＜T2)。
第二保护膜33优选设定成与阴极侧电极28的厚度大致相同的厚度。即，从第二保护膜33的表面到构成阴极侧电极28的气体扩散层28a的表面没有高低差，而设定成同一高度(参照图2)。需要说明的是，第一保护膜32的外周端面32a也可以设定在与第二保护膜33的外周端面33a相同的位置。
第一隔板14及第二隔板16例如由碳隔板构成。需要说明的是，第一隔板14及第二隔板16也可以由例如钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或在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。
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上形成有将氧化剂气体入口连通孔20a与氧化剂气体出口连通孔20b连通的氧化剂气体流路34。氧化剂气体流路34具有沿着箭头C方向延伸的多个流路槽部34a。在氧化剂气体流路34的入口附近及出口附近设有入口缓冲部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之间形成有多个入口连结通路38a。在出口缓冲部36b与氧化剂气体出口连通孔20b之间形成有多个出口连结通路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上形成有将燃料气体入口连通孔22a和燃料气体出口连通孔22b连通的燃料气体流路40。燃料气体流路40具有沿着箭头C方向延伸的多个流路槽部40a，并且在所述燃料气体流路40的入口附近及出口附近分别设置具有多个压花41a、41b的入口缓冲部42a及出口缓冲部42b。
第二隔板16具有将燃料气体入口连通孔22a及燃料气体流路40连通的多个供给孔部44a和将燃料气体出口连通孔22b及所述燃料气体流路40连通的多个排出孔部44b。
在第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间形成有将冷却介质入口连通孔24a与冷却介质出口连通孔24b连通的冷却介质流路46。冷却介质流路46具有沿着箭头B方向延伸的多个流路槽部46a，并且在所述冷却介质流路46的入口附近及出口附近分别设置具有多个压花的入口缓冲部48a及出口缓冲部48b。
如图1及图2所示，在第一隔板14的面14a、14b上，环绕该第一隔板14的外周端缘部而在两面上分别或一体地设有第一密封构件50。在第二隔板16的面16a、16b上，环绕该第二隔板16的外周端缘部而在两面上分别或一体地设有第二密封构件52。
第一密封构件50具有突起部50a，该突起部50a环绕电解质膜-电极结构体12的外周外方，并将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连通。
如图2及图4所示，第二密封构件52具有：沿着构成电解质膜-电极结构体12的固体高分子电解质膜26的外周端缘面26a而与其进行抵接的内侧密封部(内侧密封构件)52a；环绕所述电解质膜-电极结构体12的外方，且配置在第一隔板14与第二隔板16之间的外侧密封部(外侧密封构件)52b。
在该燃料电池10中，以下，参照图5，说明制造电解质膜-电极结构体12的方法。
首先，图5中，如(a)所示，在固体高分子电解质膜26的两面配置框状的第一保护膜32和第二保护膜33。并且，第一保护膜32与固体高分子电解质膜26的一方的外周端缘面26a对应，例如通过丙烯酸系(也可以是氟系)粘接剂来粘贴。第二保护膜33与固体高分子电解质膜26的另一方的外周端缘面26b对应，例如通过丙烯酸系(也可以是氟系)粘接剂来粘贴(参照图5中的(b))。
接下来，图5中，如(c)所示，在固体高分子电解质膜26的两面上，通过在膜的开口部分涂敷催化剂糊剂，而形成电极催化剂层30b、28b。例如将离子导电性成分和由担载有Pt的碳粒子构成的催化剂粒子以一定的比例混合而作成催化剂糊剂，然后，将该催化剂糊剂网板印刷在固体高分子电解质膜26的两面上之后，使所述催化剂糊剂干燥，由此形成电极催化剂层30b、28b。
然后，图5中，向(d)前进，在电极催化剂层30b、28b上接合气体扩散层30a、28a。具体而言，气体扩散层30a、28a通过热压而相对于电极催化剂层30b、28b一体化。需要说明的是，也可以在气体扩散层30a、28a的周缘部涂敷丙烯酸系粘接剂来粘接所述气体扩散层30a、28a。由此，制造电解质膜-电极结构体12(图5中，参照(e))。
接着，以下，说明燃料电池10的动作。
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，并向燃料气体入口连通孔22a供给含氢气体等燃料气体。而且，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而被导入到氧化剂气体流路34。该氧化剂气体沿着氧化剂气体流路34向箭头C方向(重力方向)移动，向电解质膜-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，燃料气体沿着燃料气体流路40向重力方向(箭头C方向)移动，向电解质膜-电极结构体12的阳极侧电极30供给(参照图1)。
因此，在电解质膜-电极结构体12中，向阴极侧电极28供给的氧化剂气体和向阳极侧电极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而发电。
接下来，向电解质膜-电极结构体12的阴极侧电极28供给而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔20b向箭头A方向排出。另一方面，向电解质膜-电极结构体12的阳极侧电极30供给而被消耗的燃料气体通过排出孔部44b向第二隔板16的面16b侧导出。向面16b侧导出的燃料气体向燃料气体出口连通孔22b排出。
另外，向冷却介质入口连通孔24a供给的冷却介质如图1所示被导入到冷却介质流路46。因此，从冷却介质入口连通孔24a向冷却介质流路46供给的冷却介质沿着箭头B方向移动而将燃料电池10冷却之后，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2所示，电解质膜-电极结构体12中，固体高分子电解质膜26的端部从气体扩散层30a、28a的端部向外方突出。并且，在固体高分子电解质膜26的端部两面即外周端缘面26a、26b上接合有第一保护膜32及第二保护膜33。
因此，固体高分子电解质膜26的外周端缘面26a、26b由第一保护膜32及第二保护膜33夹持而可靠地保护。尤其是第二保护膜33的外周端面33a延伸到与固体高分子电解质膜26的外周端面相同的位置，能够更可靠地增强所述固体高分子电解质膜26。
另外，第一保护膜32的厚度T1设定成比第二保护膜33的厚度T2薄。这是由于，第二保护膜33具有固体高分子电解质膜26的增强功能，因此第一保护膜32能够设定成最小限度的厚度。
因此，能够良好地确保第一保护膜32侧的入口缓冲部42a、出口缓冲部42b及燃料气体流路40的流路高度。而且，能够使燃料气体流路40的发电部流路内的流量分配接近均匀，从而发电性能提高。由此，能够在维持所希望的发电性能的同时容易地实现燃料电池10整体的薄型化。
需要说明的是，依据布局，例如在隔板的两侧分别设有反应气体流路(燃料气体流路及氧化剂气体流路)的结构(冷介质流路拉开间隔的结构)中，通过使隔着隔板与第一保护膜侧相邻的第二保护膜侧的流路向所述第一保护膜侧伸出，从而能够良好地确保所述第二保护膜侧的反应气体流路高度(深度)。
此外，气体扩散层30a、28a仅设置在发电部，在不需要气体扩散功能的入口缓冲部42a、36a或气体导入部及气体导出部设有第一及第二保护膜32、33。因此，能大幅削减比较高价的碳纸或碳布等的使用量，从而良好地削减燃料电池10整体的制造费用。
而且，气体扩散层30a、28a设定为长方形形状，因此例如仅通过在卷筒形状的碳素纸上连续且整面地涂敷基底层之后，每隔规定的长度切断，就能够容易地制造。由此，能够实现气体扩散层30a、28a的生产性的提高，并一举将形状简化而良好地提高材料成品率，比较经济。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池60的剖视说明图。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，标注同一参照符号，并省略其详细的说明。
燃料电池60具备电解质膜-电极结构体62。构成电解质膜-电极结构体62的阳极侧电极30的端面位置比阴极侧电极28的端面位置向外方突出距离S。
因此，在第二实施方式中，阳极侧电极30的端面位置与阴极侧电极28的端面位置隔着固体高分子电解质膜26而在层叠方向(箭头A方向)上相互错开。由此，尤其是能够可靠地阻止剪切应力集中在固体高分子电解质膜26上。
需要说明的是，也可以取代上述的结构，而使阴极侧电极28的端面位置比阳极侧电极30的端面位置向外方突出距离S。

Claims (5)

1.一种燃料电池，其具备在电解质膜(26)的两侧配设有一对气体扩散层(28a、30a)的电解质膜-电极结构体(12)，并通过将所述电解质膜-电极结构体(12)与隔板(14、16)层叠而成，所述燃料电池(10)的特征在于，
所述电解质膜-电极结构体(12)中，所述电解质膜(26)的端部从所述气体扩散层(28a、30a)的端部向外方突出，并且，
所述电解质膜(26)的所述端部两面由第一保护膜(32)及第二保护膜(33)夹持，且所述第一保护膜(32)的厚度设定成比所述第二保护膜(33)的厚度薄。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一保护膜(32)的外周配置在比所述电解质膜(26)的外周靠内方的位置，所述电解质膜(26)的一方的外周端缘面露出。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，具备：
在露出到所述第一保护膜(32)的外方的所述电解质膜(26)的一方的外周端缘面与一方的隔板(16)之间配设的内侧密封构件(52a)；
环绕所述电解质膜-电极结构体(12)的外方，且配设在一对隔板(14、16)之间的外侧密封构件(52b)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一保护膜(32)与在所述隔板(16)上设置的缓冲部(42b)对置配设。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述一对气体扩散层(28a、30a)的端面位置隔着所述电解质膜(26)而在层叠方向上相互错开。
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