CN102725896A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

由固体电解质膜(16)和置于一对框架(13，14)之间的电极催化剂层(17，18)形成的膜电极组件。气体扩散层(19)层叠在电极催化剂层(17)表面上，同时气体扩散层(20)层叠在电极催化剂层(18)表面上。第一气体通道形成构件(21)层叠在气体扩散层(19)表面上，同时第二气体通道形成构件(22)层叠在气体扩散层(20)表面上。分离器(23)与框架(13)表面和第一气体通道形成构件(21)接触，同时分离器(24)与框架(14)表面和第二气体通道形成构件(22)接触。多个第一和第二直槽(21c，21d)形成在第一气体通道形成构件(21)上，从而其宽度(w1，w2)不同。从而第一和第二气体通道(T1，T2)的路径横截面积设定为不同。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种供在电动车或类似装置使用的燃料电池，特别涉及一种能够改进发电性能的燃料电池。
技术背景
通常，燃料电池包括由如图13中所示的叠装的多个发电电池12形成的燃料电池堆11。如图14所示，电极组件15被放置在用于分别形成这些发电电池12的一对框架13，14的联接部。电极组件15包括固体电解质膜16，定位在阳极侧的电极催化剂层17，和定位在阴极侧的电极催化剂层18。固体电解质膜16的外周边缘通过以三明治方式夹在框13，14两者之间得以被固定。阳极侧气体扩散层19被层叠在电极催化剂17的表面上，并且阴极侧气体扩散层20被层叠在电极催化剂18的表面上。另外，阳极侧第一气体通道形成构件21被层叠在气体扩散层19的表面上，并且阴极侧第二气体通道形成构件22被层叠在气体扩散层20的表面上。板状分离器23被结合在第一气体通道形成构件21的表面上，并且板状分离器24被结合在第二气体通道形成构件22的表面上。
如图14和15所示，第一气体通道形成构件21包括与分离器23相接触的基板部分21a，一体地形成在基板部分21a的表面上的凸起21b。被气体扩散层19的表面所阻塞，形成为气体通道T的直槽21c形成在相邻的凸起21b之间。第二气体通道形成构件22具有与第一气体通道形成构件21相同的结构。换句话说，第二气体通道形成构件22包括与分离器24相接触的基板部分22a，以及一体地形成在基板部分22a的表面上的凸起22b。被气体扩散层20的表面所阻塞，形成为气体通道F的直槽22c从而形成在相邻的凸起22b之间。燃料气体或者氢气从形成在这些发电电池12上的燃料气体引入通道M1被供应给气体通道T，并且氧化气体从也形成在这些发电电池12上的氧化气体或氧气引入通道R1(参照图13所示)被供应给通道F。供应燃料气体和氧化气体的结果是燃料气体和氧化气体在电极组件15内产生电化学反应从而发电。没有在发电过程中使用的燃料废气和氧化废气分别从形成在这些发电电池12上的燃料废气排放通道M2和氧化废气排放通道R2(参照图13所示)被排放到到这些发电电池12外(参考专利文件1)。
现有技术文件
专利文件
专利文件1：日本专利特开2007-207725号
发明内容
本发明要解决的问题
然而，如图14和15所示的传统燃料电池中，直槽21c，22c被形成有相同的形状，从而这些气体通道形成构件21，22的这些直槽21c，22c的所有横截面积都相等。因此会产生下面的问题。这就是在本领域所知的，当电能通过这些发电电池12产生时，因为氢和氧的电化学反应，在阴极侧电极催化剂层18和气体扩散层10上生成水。因为燃料气体和氧化气体要在处于通过加湿器加湿后的状态被供应给这些发电电池12，以提高发电效率，加湿水被供应给通道T，F。生成在阴极侧的一些水渗进电极组件15，并用作为渗漏水进入阳极侧气体扩散层19和所体通道形成构件21的直槽21c。
当作为滞留水W的前述的生成水和加湿水开始依附和保持在阴极侧第二气体通道形成构件22的直槽22的壁面上时，流过直槽22c的氧化气体的流量会因为滞留水W而减少，并且产生的电能有限。换句话说，如图16所示，作为举例，如果有三个直槽22C；这就是说，如果这些通道F被滞留水W阻塞，氧化气体不再被供应给对应于位于这些直槽22c的最外部位置的两个凸起22b之间的宽区域A1的电极催化剂层18。这就降低了发电效率。换一种不同的方式来说，因为任何直槽22c可以被滞留水W阻塞，当生成水和加湿水的量开始增多，被滞留水W所阻塞的这些直槽22c的数量就会增加，这对发电效率的降低的影响是无止境的。
另外，在图13所示的这些叠式发电电池12中，例如，如果滞留水W保持在一个特定发电电池12的所有通道T，F，并且燃料气体和氧化气体的供应被抑止，并且这些发电电池12不能发电，则继续发电变得不可能。这是因为燃料电池堆11的对应的这些发电电池12是电气串联连接的。
本发明的目的是提供一种能抑制发电效率降低的燃料电池。
解决问题的手段
为达到以上目的和根据本发明的一个方面，本发明提供一种燃料电池，其包括：具有阳极表面和阴极表面的电解质膜，分别层叠在所述电解质膜的所述阳极表面和所述阴极表面的一对电极催化剂层，分别层叠在这对电极催化剂层上的一对气体通道形成构件，形成在每一个所述气体通道形成构件上的多个气体通道，所述多个气体通道具有第一气体通道和第二气体通道，分别与这对气体通道形成构件一体地或者独立地设置的一对分离器，用于分别向这些气体通道引入燃料气体和氧化气体的一对引入通道，和用于分别从这些气体通道排放燃料废气和氧化废气的一对排放通道。所述第一气体通道和所述第二气体通道的形状被确定成在每一个所述气体通道形成构件的所述第一气体通道和所述第二气体通道之间产生一个流动阻力的差异。
这些气体通道最好被平行地排列，并且所述第一气体通道和所述第二气体通道的横截面积最好互相区别。
所述第一气体通道是具有低气体流动阻力的直气体通道，并且所述第二气体通道是具有比所述第一气体通道的所述流动阻力较大的流动阻力的迂曲通道。
这对分离器中的一个对应分离器与每一个所述气体通道形成构件的表面相接触。每一个所述气体通道形成构件具有板状部分和一体地与所述板状部分形成的多个凸起，所述多个凸起用于形成这些气体通道。进一步地，优选地，在所述分离器和所述板状部分之间形成有多个水通道；每一个所述水通道和这些气体通道中的至少一个气体通道通过形成在所述气体通道形成构件中的联通孔相联通；每一个所述水通道深度被设定成小于每一个所述气体通道的深度；并且基于所述燃料气体和所述氧化气体的反应所生成的水分基于毛细管作用从每一个所述气体通道穿过所述联通孔进入所述水通道，并且基于气体的流动压力被排放到所述排放通道。
优选地，所述排放通道具有内壁；每一个所述气体通道在沿着所述气体的流动方向的下游侧上具有开口；所述开口延伸至所述排放通道的所述内壁；并且在所述排放通道内，用于提高气体流速的限制部分形成在对应每一个所述水通道的所述开口的位置上。
延伸穿过所述板状部分和所述分离器的一个气体通道最好形成在所述气体通道形成构件的所述板状部分和所述分离器的每一个所述水通道沿着气体流动方向的下游的部分的位置上，并且所述气体通道最好与所述排放通道相联通并起到限制部分的作用以用于提高气体流速。
(运行)
在本发明中，在发电过程中产生的渗漏水和加湿水作为滞留水附着在多个通道中的具有较大流动阻力的通道上。不过，因为渗漏水和加湿水几乎不滞留在具有较低流动阻力的通道内，对电极催化剂的气体供应被适当地执行。从而，减少了对电极催化剂的气体供应受到抑制的区域，从而抑制发电效率的降低成为可能。
本发明的有益效果
根据本发明，气体被适当地供应给电极催化剂层，从而抑制发电效率的降低和避免发电停止成为可能。
附图说明
图1是沿图13中的1-1线的剖视图，以示出根据本发明的第一个实施例的燃料电池；
图2是沿图13中的2-2线的剖视图，以示出形成燃料电池的发电电池；
图3是示出第一和第二气体通道形成构件的透视图；
图4是发电电池的主要部分的放大剖视图；
图5是示出根据本发明的第二个实施例的燃料电池的第一气体通道形成构件和分离器的局部透视图；
图6是示出根据本发明的第二个实施例的燃料电池的第二气体通道形成构件和分离器的局部透视图；
图7是沿图13中的1-1线的剖视图，以示出根据本发明的第二个实施例的形成燃料电池的发电电池；
图8是示出图7中的发电电池的第一和第二气体通道形成构件的局部附视图；
图9是沿图13中的2-2线的剖视图，以示出根据本发明的第三个实施例的形成燃料电池的发电电池；
图10是沿图13中的1-1线的剖视图，以示出根据本发明的第四个实施例的形成燃料电池的发电电池；
图11是示出第一个实施例的改进方案的第一和第二气体通道形成构件的透视图；
图12是示出第一个实施例的改进方案的第一和第二气体通道形成构件的透视图；
图13是示出燃料电池堆的透视图；
图14是沿图13中的2-2线的剖视图，以示出现有的燃料电池堆的发电电池；
图15是示出现有的第一和第二气体通道形成构件的透视图；以及
图16是示出现有发电电池的局部放大剖视图。
具体实施方式
(第一个实施例)
参照图1至4和13描述根据本发明的第一个实施例的燃料电池。
如图13所示，第一个实施例的燃料电池堆11是一种固体聚合物电极电解质燃料电池，并且包括多个叠放的发电电池12。
如图1所示，这些发电电池12各自包括方形的第一和第二框架13，14，定位于第一和第二框架13，14内的作为电极结构的膜电极组件(MEA)15。第一和第二框架13，14由合成树脂如合成橡胶制成。燃料气体的通道空间13a形成在第一框架13内，氧化气体的通道空间14a形成在第二框架14内。膜电极组件15定位于第一和第二框架13，14之间。
如图1和2所示，各发电电池12包括装在燃料气体的通道空间13a内的第一气体通道形成构件21，和装在燃料气体的通道空间14a内的第二气体通道形成构件22。第一气体通道形成构件21由铁素体SUS(不锈钢)、钛合金、或碳制成。第二气体通道形成构件22由铁素体SUS(不锈钢)、钛合金、碳、金镀钛合金、或金合金制成。另外，各发电电池12包括板状第一分离器23和第二分离器24。第一分离器23和第二分离器24由铁素体SUS(不锈钢)、钛合金、或碳制成。第一分离器23通过第一框架13和第一气体通道形成构件21的密封环(未示出)粘合。第二离器24通过第二框架14和第二气体通道形成构件22的密封环(未示出)粘合。
膜电极组件15由固体电解质膜16、第一电极催化剂层17和第二电极催化剂层18、以及具有导电性的第一气体扩散层19和第二气体扩散层20形成。第一电极催化剂层17从电解质膜16的阳极表面形成，即，层叠在如图中所示的上表面上的催化剂。第二电极催化剂层18从电解质膜16的阴极表面形成，即，层叠在如图中所示的下表面上的催化剂。气体扩散层19，20分别与电极催化剂层17、18的表面相接触。
固体电解质膜16由氟化聚合物膜形成。各电极催化剂层17、18包含碳颗粒(未示出)。铂(Pt)制的大量的催化剂颗粒附着于碳颗粒的表面。燃料电池的发电效率可以通过利用催化剂颗粒的催化效果得以改进。各气体扩散层19、20由碳纸形成。
现在说明气体通道形成构件21，22。第一气体通道形成构件21位于阳极侧而第二气体通道形成构件22位于阴极侧，具有相同的结构的，但是第一和第二气体通道形成构件21，22的安装方向不同，例如差90度角。第一气体通道形成构件21和第二气体通道形成构件22的安装方向可以是相同的方向或相反的方向。如图1和3所示，各第一气体通道形成构件21由与第一分离器23相接触的基板部分21a、和与基板部分21a的表面一体地形成的多个平行的凸起21b配置而成。由于被气体扩散层19的表面封堵，相邻的凸起21b之间形成有第一直槽21c和第二直槽21d(它们分别形成燃料气体的第一气体通道T1和第二气体通道T2)。第二气体通道形成构件22由与第二分离器24相接触的基板部分22a、和与基板部分22a的表面一体地形成的多个平行的凸起22b配置而成。由于被气体扩散层20的表面封堵，在相邻的凸起22b之间形成第一直槽22c和第二直槽22d(它们分别形成燃料气体的第一气体通道F1和第二气体通道F2)。
如图4所示，所有第一和第二直槽21c、21d(22c、22d)的深度d1、d2被设定成相等的深度，并且第一直槽21c(22c)的宽度W1被设定成比第二直槽22c(22d)的深度W2窄一些。因此，第一气体通道T1(F1)的燃料气体或氧化气体的横截面积S1被设定成较狭窄以增加气体的流动阻力。第二气体通道T2(F2)的燃料气体或氧化气体的横截面积S2被设定成较宽，以使其流动阻力小于第一气体通道T1(F1)的流动阻力。
如图2所示，引入通道M1和排放通道M2形成在各发电电池12的第一和第二框架13、14以及第一和第二分离器23、24上。引入通道M1用来从燃料气体供应源(未示出)例如氢气钢瓶向通道T1、T2供应燃料气体或氢气。排放通道M2用来将未用来发电的燃料废气排放到发电电池12外。如图1所示，引入通道R1和排放通道R2形成在各发电电池12的第一和第二框架13、14以及第一和第二分离器23、24上。入通道R1用来从氧化气体供应源(未示出)例如压缩机向通道F1、F2供应氧化气体或空气。排放通道R2用来将未用来发电的氧化废气排放到发电电池12外。
现在描述具有上述结构的燃料电池的运转过程。
在图2中，被加湿器(未示出)加湿后的燃料气体或氢气通过引入通道M1被供应进入第一气体通道形成构件21的通道T1，T2(参照图1)，并且沿着箭头所示方向流动。燃料气体在穿过通道T1、T2内的第一气体扩散层19而被扩散，并且被均一地供应给第一电极催化剂层17。在图1中，被加湿器(未示出)加湿后的氧化气体或氧气通过引入通道R1被供应进入第二气体通道形成构件22的通道F1、F2(参照图2)，并且沿着箭头所示方向流动。燃料气体在穿过通道F1、F2内的第二气体扩散层20而被扩散，并且均一地被供应给第二电极催化剂层18。由于供应有燃料气体和氧化气体，在膜电极组件15中发生电极反应，并且电力得以产生。因此，从多个叠放的发电电池12形成的燃料电池堆11中输出想要的电力。
没有被用来发电的一些燃料气体被作为燃料废气从第一气体通道形成构件21的通道T1、T2藉由排放通道M2排放到电池堆11外。没有被用来发电的一些氧化气体被作为氧化废气从第一和第二通道F1、F2藉由排放通道R2排放到电池堆11外。
基于在膜电极组件15中的上述电极反应，在阴极侧第二气体通道形成构件22的通道F1，F2内生成水分。生成的水与加湿水一起基于在第一和第二通道F1，F2内的流动的氧化气体的气流压力得以被排放到排放通道R2。一些生成的水分渗进第二电极催化剂层18的阴极侧、固体电解质膜16、第一电极催化剂层17和第一气体扩散层19，并且作为渗漏水流入第一气体通道形成构件21的通道T1、T2内。渗漏水与加湿水一起基于在第一和第二通道T1、T2内的流动的燃料气体的气流压力得以被排放到排放通道M2。
阴极侧第二气体通道形成构件22的第一和第二通道F1，F2内的大部分生成水和加湿水基于氧化气体的气流压力得以朝向氧化气体排放通道R2排放。残留的生成水和加湿水附着于第一和第二通道F1，F2内的壁面上。第一通道F1的横截面积S1被设定成窄一些。从而，生成水和加湿水因为其表面张力而趋向于滞留，并且滞留水W趋向附着于或滞留在第一通道F1的内壁表面的一个较大部分上，如图4所示。然而，第二通道F2的横截面积S2被设定成比第一通道F1的横截面积S1宽。滞留水W难以保持在第二通道F2内，并且滞留水W通过氧化气体的气流压力被冲出而几乎不保持在第二通道F2内。因此，对应于被滞留水W阻塞的第一通道F1，供应给第二电极催化剂层18的氧化的供应变得不足，电能的产生变得局部地不可能。然而，因为通过第二通道F2给第二电极催化剂层18供应氧化气体在适当地进行，从而可以抑制发电效率的降低。
换句话说，如图4所示，当一个第一通道F1被滞留水W阻塞时，气体扩散层19被两凸起22b和滞留水W屏蔽，不能发电的区域是A1表示的区域。然而，由于第二通道F2不会被滞留水阻塞，比区域A1宽的区域A2是可以一直发电的区域。
同时，在阳极侧第一气体通道形成构件21的第一和第二通道T1、T2内的渗漏水和加湿水基于燃料气体的气流压力得以朝向燃料气体排放通道M2排放。残留的渗漏水和加湿水附于第一和第二通道T1，T2的内壁表面。因为第一通道F1的横截面积S1被设定成较窄，残留的渗漏水和加湿水因为其表面张力而成为滞留水W，并且趋向附着于和保持在第一气体通道T1的内壁表面的一个较大面积上。然而，因为第二通道F2的横截面积S2被设定成比第一通道F1的横截面积S1宽，滞留水W难以保持在第二气体通道T2内，并且滞留水W通过通过氧化气体的气流压力被冲出而几乎不滞留在第二通道F2内。因此，可以通过第二通道F2适当地给第二电极催化剂层18供应氧化气体，从而可以抑制发电效率的降低。
根据第一个实施例的燃料电池，下述优点可以被获得。
(1)第一气体通道形成构件21的第一通道T1的横截面积S1被设定成窄一些，并且第二通道T2的横截面积S2被设定成比第一通道T1的横截面积S1宽。另外，第二气体通道形成构件22的第一通道F1的横截面积S1被设定成较狭窄，并且第二通道F2的横截面积S2被设定成比第一通道F1的横截面积。

Claims (6)

1.一种燃料电池，包括：
具有阳极表面和阴极表面的电解质膜；
分别层叠在所述电解质膜的阳极表面和阴极表面的一对电极催化剂层；
分别层叠在这对电极催化剂层上的一对气体通道形成构件；
形成在每个气体通道形成构件上的多个气体通道，所述多个气体通道具有第一气体通道和第二气体通道；
分别与这对气体通道形成构件一体地或者独立地设置的一对分离器；
用于分别将燃料气体和氧化气体引入所述气体通道的一对引入通道；和
用于分别将燃料废气和氧化废气从所述气体通道排出的一对排放通道，
所述燃料电池的特征在于，所述第一气体通道和所述第二气体通道被成形为，在每个气体通道形成构件中的所述第一气体通道和所述第二气体通道之间产生流动阻力的差异。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于这些气体通道被平行地排列，其中所述第一气体通道和所述第二气体通道的横截面积互不相同。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述第一气体通道是具有低气体流动阻力的直气体通道，并且所述第二气体通道是具有比所述第一气体通道的所述流动阻力大的流动阻力的迂曲通道。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述一对分离器中的对应分离器与各所述气体通道形成构件的表面相接触，
各所述气体通道形成构件具有：
板状部分；和
与所述板状部分一体地形成的多个凸起，所述多个凸起用于形成所述气体通道，并且其中
在所述分离器和所述板状部分之间形成有多个水通道，
各所述水通道、以及所述气体通道中的至少一个气体通道经由形成在所述气体通道形成构件中的连通孔相连通，
各所述水通道深度被设定成小于各所述气体通道的深度，并且
基于所述燃料气体和所述氧化气体的反应所生成的水分由于毛细管作用从各所述气体通道穿过所述连通孔进入所述水通道，并且由于气体的流动压力被排放到所述排放通道。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于
所述排放通道具有内壁，
各所述气体通道在沿着所述气体的流动方向的下游侧上具有开口，
所述开口延伸至所述排放通道的所述内壁，并且
在所述排放通道内，在对应各所述水通道的所述开口的位置处形成有用于提高气体流速的限制部分。
6.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于
在所述气体通道形成构件的所述板状部分和所述分离器的各所述水通道沿气体流动方向的下游部分处，形成有延伸通过所述板状部分和所述分离器的气体通道，以及
所述气体通道与所述排放通道相连通并起到用于提高气体流速的限制部分的作用。
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