CN103326046B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，该燃料电池(10)通过第一隔板(14)及第二隔板(16)夹持电解质膜-电极结构体(12)。在第一隔板(14)上设有将燃料气体流路(36)和燃料气体出口连通孔(32b)连通的出口连结流路(56)，并且所述出口连结流路(56)具有将所述第一隔板(14)贯通的多个排出孔部(41)。排出孔部(41)沿重力方向排列，最下端的排出孔部(41a)具有比于所述排出孔部(41a)的上方相邻的其他的排出孔部(41)大的开口面积并设定成向下方延伸的开口形状。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种隔板和在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体以立起姿态沿水平方向层叠的燃料电池。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备通过隔板夹持电解质膜-电极结构体而成的发电单元(单位单元)，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜的一方的面侧配设有阳极电极，且在另一方的面侧配设有阴极电极。在燃料电池中，通常层叠几十～几百的发电单元，例如作为车载用燃料电池组来使用。
在燃料电池中，由于向层叠的各发电单元的阳极电极和阴极电极分别供给作为反应气体的燃料气体和氧化剂气体，因此多数情况下构成所谓的内部歧管。
内部歧管具备沿发电单元的层叠方向贯通而设置的反应气体入口连通孔(燃料气体入口连通孔、氧化剂气体入口连通孔)及反应气体出口连通孔(燃料气体出口连通孔、氧化剂气体出口连通孔)。反应气体入口连通孔与沿着电极面供给反应气体的反应气体流路(燃料气体流路、氧化剂气体流路)的入口侧连通，反应气体出口连通孔与所述反应气体流路的出口侧连通。
在此，反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔和反应气体流路有时经由具有多个贯通孔的连结流路而连结，以使反应气体顺畅且均匀地流动。
例如，如日本特开2006-216491号公报(以下，称为现有技术)所公开的那样，阳极对置板(隔板)如图7所示具有燃料气体供给歧管形成部1a、燃料气体排出歧管形成部1b、氧化气体供给歧管形成部2a、氧化气体排出歧管形成部2b、冷却介质供给歧管形成部3a、冷却介质排出歧管形成部3b。
阳极对置板还具有在比燃料气体供给歧管形成部1a靠中央侧的位置并列形成多个的燃料气体供给孔4a、在比燃料气体排出歧管形成部1b靠中央侧的位置并列形成多个的燃料气体排出孔4b。
阳极对置板在构成燃料电池时与MEA对置的发电部具有凹凸形状。在阳极对置板上，与MEA对置的对置面上的燃料气体流路形成部5和其相反面上的冷却介质流路形成部6在上下方向上交替形成。
在上述的现有技术中，在阳极对置板的面上，为了对燃料气体、氧化剂气体及冷却介质进行密封而配置了密封构件(未图示)。在此，燃料气体供给孔4a和燃料气体排出孔4b在一方的面上经由密封构件与燃料气体供给歧管形成部1a和燃料气体排出歧管形成部1b连通，并且在另一方的面上经由密封构件与燃料气体流路形成部5连通。
此时，若在最下端的燃料气体供给孔4a及燃料气体排出孔4b与密封构件的下部之间存在间隙，则可能会在所述密封构件的下部滞留较大量的水。因此，为了使水流动，需要较大的压差，燃料气体流量发生变动而使发电稳定性下降。而且，若燃料气体供给孔4a侧的滞留水量多，则在燃料气体流量发生变化时向发电部吹出的水量增加，从而发电稳定性下降。而且，低温时滞留水容易冻结，可能会损伤燃料电池。
发明内容
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种燃料电池，其通过简单且经济的结构就能够抑制在将反应气体流路和反应气体连通孔连通的连结流路的附近滞留水的情况，且能够提高发电稳定性。
本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池中，隔板和在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体以立起姿态沿水平方向层叠，并且在所述隔板上设有沿电极面供给反应气体的反应气体流路和使所述反应气体在所述电解质膜-电极结构体与所述隔板的层叠方向上流通的反应气体连通孔。
在该燃料电池中，设有将反应气体流路和反应气体连通孔连通的连结流路，并且所述连结流路具有将隔板贯通的多个贯通孔。
并且，在隔板的一方的面上设有环绕反应气体连通孔及贯通孔的第一流路密封部，且在所述隔板的另一方的面上设有环绕所述贯通孔及反应气体流路的第二流路密封部。贯通孔沿重力方向排列，最下端的贯通孔具有比与所述最下端的贯通孔的上方相邻的其他的贯通孔大的开口面积且设定成向下方延伸的开口形状。
根据本发明，在沿重力方向排列的多个贯通孔中，最下端的贯通孔具有比上方的其他的贯通孔大的开口面积且设定成向下方延伸的开口形状。因而，在最下端的贯通孔与第一流路密封部或第二流路密封部之间，能够使水滞留的空间尽可能地狭小化。而且，由于最下部的贯通孔的开口面积设定得大，所以排水性提高而使气体流量稳定化。
由此，通过简单且经济的结构就能够抑制在将反应气体流路和反应气体连通孔连通的连结流路的附近滞留水的情况，能够容易提高发电稳定性。
上述目的、特征及优点根据参照附图说明的以下的实施方式的说明而容易理解。
附图说明
图1是本发明的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II-II线剖视说明图。
图3是构成所述燃料电池的第一隔板的一方的面的说明图。
图4是所述第一隔板的另一方的面的说明图。
图5是所述第一隔板的入口连结流路的说明图。
图6是所述第一隔板的出口连结流路的说明图。
图7是现有技术中公开的隔板的说明图。
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明的实施方式的燃料电池10以立起姿态沿水平方向(箭头A方向)彼此层叠而构成组(例如，车载用燃料电池组)。
燃料电池10通过第一隔板14及第二隔板16夹持电解质膜-电极结构体12。第一隔板14及第二隔板16具有横长(或纵长)的长方形状，例如将钢板、不锈钢钢板、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金属板冲压成形为波板状而构成。需要说明的是，第一隔板14及第二隔板16也可以由碳构件等构成。
如图2所示，长方形状(或正方形状)的电解质膜-电极结构体12例如具有在全氟磺酸的薄膜中浸渍水而成的固体高分子电解质膜18和夹持所述固体高分子电解质膜18的阴极电极20及阳极电极22。固体高分子电解质膜18除了氟系电解质之外，还可以使用HC(碳化氢)系电解质。
阴极电极20设有与固体高分子电解质膜18的一方的面18a接合的第一电极催化剂层20a和与所述第一电极催化剂层20a层叠的第一气体扩散层20b。阳极电极22设有与固体高分子电解质膜18的面18b接合的第二电极催化剂层22a和与所述第二电极催化剂层22a层叠的第二气体扩散层22b。
第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a具有相同的外形尺寸，并且在长边方向的两端部设定成与固体高分子电解质膜18相同的外形尺寸。第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a在短边方向的两端部设定成比固体高分子电解质膜18小的外形尺寸(参照图1)。
第一气体扩散层20b设定成与固体高分子电解质膜18相同的外形尺寸(参照图2)。第二气体扩散层22b在长边方向的两端部设定成与固体高分子电解质膜18相同的外形尺寸，且在短边方向的两端部设定成比所述固体高分子电解质膜18及第一气体扩散层20b小的外形尺寸。
第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a通过将催化剂糊剂印刷、涂敷或转印到固体高分子电解质膜18的两方的面18a、18b上而构成，其中，该催化剂糊剂通过形成在碳黑上担载有铂粒子的催化剂粒子，并使用高分子电解质作为离子传导性粘结剂，且将所述催化剂粒子在该高分子电解质的溶液中均匀地混合而制作。
第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b通过将含有碳黑及PTFE(聚四氟乙烯)粒子的基底层涂敷在碳纸的催化剂层侧而形成。
树脂体24a、24b与电解质膜-电极结构体12一体化。树脂体24a、24b例如通过熔敷、粘接、一体成形等与电解质膜-电极结构体12的短边侧的各边一体化。树脂体24a、24b例如由PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、LCP(液晶聚合物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、硅酮橡胶、氟橡胶或EPDM(三元乙丙橡胶)等构成。
如图1所示，在树脂体24a的第二隔板16侧的面上设有与后述的氧化剂气体流路42的入口侧对应的入口缓冲部26a。在树脂体24b的第二隔板16侧的面上设有与氧化剂气体流路42的出口侧对应的出口缓冲部26b。入口缓冲部26a及出口缓冲部26b由多个突起部构成。
在树脂体24a的第一隔板14侧的面上设有与后述的燃料气体流路36的入口侧对应的入口缓冲部28a。在树脂体24b的第一隔板14侧的面上设有与燃料气体流路36的出口侧对应的出口缓冲部28b。入口缓冲部28a及出口缓冲部28b由多个突起部构成。
在燃料电池10的长边方向(箭头B方向)的一端缘部设有沿箭头A方向彼此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(反应气体连通孔)30a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(反应气体连通孔)32a。
在燃料电池10的长边方向的另一端缘部设有沿箭头A方向彼此连通的用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔(反应气体连通孔)32b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔(反应气体连通孔)30b。
在燃料电池10的短边方向(箭头C方向)的上端缘部设有沿箭头A方向彼此连通的用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔34a，并且在所述燃料电池10的短边方向的下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34b。
如图3所示，在第一隔板14的朝向电解质膜-电极结构体12的面14a上形成有从燃料气体入口连通孔32a向燃料气体出口连通孔32b相连的燃料气体流路(反应气体流路)36。燃料气体流路36由沿箭头B方向延伸的多条波状流路槽构成。在燃料气体流路36的入口侧，以实质上平坦状设有与在树脂体24a上设置的入口缓冲部28a抵接的入口缓冲区域38a。
多个供给孔部(贯通孔)40与入口缓冲区域38a的燃料气体入口连通孔32a侧的端部连通。各供给孔部40沿着重力方向、具体而言朝向重力下方向而向从燃料气体流路36离开的方向倾斜地排列。各供给孔部40与燃料气体入口连通孔32a的内侧壁面的倾斜方向平行地排列。即，在燃料气体入口连通孔32a中，为了向燃料气体流路36的宽度方向(箭头C方向)均匀地供给燃料气体，而使燃料气体入口连通孔32a的内侧壁面倾斜，且使各供给孔部40仿照所述内侧壁面设置。
在各供给孔部40中，最下端的供给孔部40a具有比与所述最下端的供给孔部40a的上方相邻的其他的供给孔部40大的开口面积并设定成向下方延伸的开口形状。具体而言，供给孔部40具有圆形状，而供给孔部40a具有椭圆形状(或长圆形状)。最上端的供给孔部40b为了确保与供给孔部40a的配流平衡，而优选设定成与所述供给孔部40a相同的形状(椭圆形状或长圆形状)。
在燃料气体流路36的出口侧，以实质上平坦状设有与在树脂体24b上设置的出口缓冲部28b抵接的出口缓冲区域38b。多个排出孔部(贯通孔)41与出口缓冲区域38b的燃料气体出口连通孔32b侧的端部连通。
各排出孔部41沿重力方向、具体而言朝向重力下方向而向与燃料气体流路36靠近的方向倾斜地排列。各排出孔部41与燃料气体出口连通孔32b的内侧壁面的倾斜方向平行地排列。即，在燃料气体出口连通孔32b中，为了从燃料气体流路36的宽度方向(箭头C方向)均匀地排出燃料气体，而使燃料气体出口连通孔32b的内侧壁面倾斜，且使各排出孔部41仿照所述内侧壁面设置。
在各排出孔部41中，最下端的排出孔部41a具有比与所述最下端的排出孔部41a的上方相邻的其他的排出孔部41大的开口面积并设定成向下方延伸的开口形状。具体而言，排出孔部41具有圆形状，而排出孔部41a具有椭圆形状(或长圆形状)。最上端的排出孔部41b为了确保与排出孔部41a的配流平衡，而优选设定成与所述排出孔部41a相同的形状(椭圆形状或长圆形状)。
如图1所示，在第二隔板16的朝向电解质膜-电极结构体12的面16a上设有与氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的氧化剂气体流路42。氧化剂气体流路42由沿箭头B方向延伸的多条波状流路槽构成。
在氧化剂气体流路42的入口侧，以实质上平坦状设有与在树脂体24a上设置的入口缓冲部26a抵接的入口缓冲区域44a。在氧化剂气体流路42的出口侧，设有与在树脂体24b的下端缘部设置的出口缓冲部26b抵接的出口缓冲区域44b。
在彼此相邻的第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间，沿箭头C方向设有将冷却介质入口连通孔34a和冷却介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路46。
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的外周端部而一体化有第一密封构件50。在第二隔板16的面16a、16b上，环绕该第二隔板16的外周端部而一体化有第二密封构件52。
作为第一密封构件50及第二密封构件52，例如可以使用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、氯丁二烯橡胶或丙烯橡胶等密封材料、缓冲材料、或者填密材料等具有弹性的密封构件。
如图3及图4所示，在第一隔板14的面14a、14b上设有将燃料气体流路36及燃料气体入口连通孔32a连通的入口连结流路54和将所述燃料气体流路36及燃料气体出口连通孔32b连通的出口连结流路56。
入口连结流路54具有多个供给孔部40、40a及40b(以下，简称为供给孔部40)。如图4所示，在第一隔板14的面14b上，设有构成第一密封构件50且环绕燃料气体入口连通孔32a及多个供给孔部40的第一流路密封部50aa。
如图3所示，在第一隔板14的面14a上，设有构成第一密封构件50且环绕多个供给孔部40及燃料气体流路36的第二流路密封部50ba。通过第一流路密封部50aa、供给孔部40及第二流路密封部50ba构成入口连结流路54。
如图4所示，在入口连结流路54中，第一流路密封部50aa在最下端的供给孔部40a的下方附近向下方突出而形成凹状部58a，并且下端部朝向燃料气体流路36而向下方倾斜。
入口连结流路54具有切掉第一密封构件50而设置在第一隔板14的面14b上的一端与燃料气体入口连通孔32a连通且另一端与各供给孔部40连通的第一流路部54a、和一端与燃料气体流路36连通且另一端与所述供给孔部40连通的第二流路部54b。第一流路部54a及第二流路部54b朝向燃料气体流路36从水平方向向下方倾斜。
出口连结流路56具有多个排出孔部41、41a及41b(以下，简称为排出孔部41)。如图4所示，在第一隔板14的面14b上设有构成第一密封构件50且环绕燃料气体出口连通孔32b及多个排出孔部41的第一流路密封部50ab。
如图3所示，在第一隔板14的面14a上设有构成第一密封构件50且环绕多个排出孔部41及燃料气体流路36的第二流路密封部50bb。通过第一流路密封部50ab、排出孔部41及第二流路密封部50bb构成出口连结流路56。
如图3所示，在出口连结流路56中，第二流路密封部50bb在最下端的排出孔部41a的下方附近向下方突出而形成凹状部58b，并且下端部朝向燃料气体流路36而向上方倾斜。
出口连结流路56具有切掉第一密封构件50而设置在第一隔板14的面14b上的一端与燃料气体出口连通孔32b连通且另一端与各排出孔部41连通的第一流路部56a、和一端与燃料气体流路36连通且另一端与所述排出孔部41连通的第二流路部56b。第一流路部56a及第二流路部56b朝向燃料气体流路36从水平方向向上方倾斜。
以下对该燃料电池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30a供给含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔32a供给含氢气体等燃料气体。并且，向冷却介质入口连通孔34a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
因而，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔30a向第二隔板16的氧化剂气体流路42导入，并沿箭头B方向移动而向电解质膜-电极结构体12的阴极电极20供给。
另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔32a通过第一隔板14的第一流路部54a、多个供给孔部40及第二流路部54b即通过入口连结流路54向燃料气体流路36导入。燃料气体沿燃料气体流路36在箭头B方向上移动而向电解质膜-电极结构体12的阳极电极22供给。
因此，在电解质膜-电极结构体12中，向阴极电极20供给的氧化剂气体和向阳极电极22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，来进行发电。
接着，向阴极电极20供给而消耗了的氧化剂气体沿氧化剂气体出口连通孔30b向箭头A方向排出。同样，向阳极电极22供给而消耗了的燃料气体通过第二流路部56b、多个排出孔部41及第一流路部56a即通过出口连结流路56向燃料气体出口连通孔32b导入。
另外，向冷却介质入口连通孔34a供给的冷却介质导入到第一隔板14和第二隔板16之间的冷却介质流路46之后，沿箭头C方向流通。该冷却介质将电解质膜-电极结构体12冷却之后从冷却介质出口连通孔34b排出。
在此，如图5所示，设有环绕燃料气体入口连通孔32a及多个供给孔部40的第一流路密封部50aa，并且所述第一流路密封部50aa在最下端的供给孔部40a的下方附近形成凹状部58a。因而，在凹状部58a容易滞留水W。
这种情况下，在本实施方式中，最下端的供给孔部40a具有比其他的供给孔部40大的开口面积并设定成向下方延伸的开口形状。具体而言，供给孔部40具有圆形状，而供给孔部40a具有椭圆形状(或长圆形状)。
因此，凹状部58a内的水位与在最下端配置圆形状的供给孔部40的情况相比显著下降，所以在所述凹状部58a内能够使水滞留的空间尽可能地狭小化。而且，最下部的供给孔部40a与其他的供给孔部40相比，开口面积设定得大。因而，排水性良好地提高而使燃料气体流量稳定化。
由此，通过简单且经济的结构就能够抑制在将燃料气体流路36和燃料气体入口连通孔32a连通的入口连结流路54的附近滞留水的情况，能够容易提高发电稳定性。
另一方面，如图6所示，设有环绕多个排出孔部41及燃料气体流路36的第二流路密封部50bb，并且所述第二流路密封部50bb在最下端的排出孔部41a的下方附近形成凹状部58b。因而，在凹状部58b容易滞留水W。
这种情况下，在本实施方式中，最下端的排出孔部41a具有比其他的排出孔部41大的开口面积并设定成向下方延伸的开口形状。具体而言，排出孔部41具有圆形状，而排出孔部41a具有椭圆形状(或长圆形状)。
因此，凹状部58b内的水位与在最下端配置圆形状的排出孔部41的情况相比显著下降，所以在所述凹状部58b内能够使滞留水的空间尽可能地狭小化。而且，最下部的排出孔部41a与其他的排出孔部41相比，开口面积设定得大。因而，排水性良好地提高而使燃料气体流量稳定化。
由此，通过简单且经济的结构就能够抑制在将燃料气体流路36和燃料气体出口连通孔32b连通的出口连结流路56的附近滞留水的情况，能够容易提高发电稳定性。
需要说明的是，在本实施方式中，在燃料气体流路36与燃料气体入口连通孔32a及燃料气体出口连通孔32b上设有入口连结流路54及出口连结流路56，但不限于此。例如，也可以在氧化剂气体流路42与氧化剂气体入口连通孔30a及氧化剂气体出口连通孔30b上设置上述的入口连结流路54及出口连结流路56。

Claims (6)

1.一种燃料电池，隔板和在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体以立起姿态沿水平方向层叠，并且在所述隔板上设有沿电极面供给反应气体的反应气体流路和使所述反应气体在所述电解质膜-电极结构体与所述隔板的层叠方向上流通的反应气体连通孔，所述燃料电池的特征在于，
所述燃料电池设有将所述反应气体流路和所述反应气体连通孔连通的连结流路，并且，
所述连结流路具有将所述隔板贯通的多个贯通孔，
在所述隔板的一侧的面上设有环绕所述反应气体连通孔及所述贯通孔的第一流路密封部，且在所述隔板的另一侧的面上设有环绕所述贯通孔及所述反应气体流路的第二流路密封部，并且，
所述贯通孔沿重力方向排列，最下端的贯通孔具有比与所述最下端的贯通孔的上方相邻的其他的贯通孔大的开口面积，且所述最下端的贯通孔设定成向下方延伸的开口形状。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一流路密封部或所述第二流路密封部在所述最下端的贯通孔的下方附近形成凹状部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一流路密封部及所述第二流路密封部各自的下端部朝向所述反应气体流路或朝向所述反应气体连通孔而向下方倾斜。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述连结流路具有：
在所述隔板的一侧的面上设置，一端与所述反应气体连通孔连通，且另一端与所述贯通孔连通的第一流路部；
在所述隔板的另一侧的面上设置，一端与所述反应气体流路连通，且另一端与所述贯通孔连通的第二流路部，
所述第一流路部及所述第二流路部从水平方向向下方或向上方倾斜。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述贯通孔仿照所述反应气体连通孔的内侧壁面而朝向重力方向倾斜排列。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
最上端的贯通孔具有与最下端的所述贯通孔相同的开口形状。
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