CN103682391A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，其能够通过简单的结构可靠地阻止集中应力于台阶MEA的台阶部的情况。燃料电池(10)通过阴极侧隔板(14)及阳极侧隔板(16)夹持电解质膜-电极结构体(12)。构成阴极电极(20)的第一气体扩散层(20b)的平面尺寸设定成比构成阳极电极(22)的第二气体扩散层(22b)的平面尺寸大的尺寸。阳极侧隔板(16)在与第二气体扩散层(22b)的外周部位对置的部位设有在厚度方向上为薄壁状的避让部(24)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及通过一对隔板夹持台阶MEA而成的燃料电池。
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。该燃料电池通过隔板(双极板)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(电极催化剂层)和气体扩散层(多孔质碳)构成的阳极电极及阴极电极。该燃料电池通过层叠规定的个数，例如作为车载用燃料电池组使用。
在电解质膜-电极结构体中，存在构成所谓台阶MEA的情况，该台阶MEA中，一方的气体扩散层设定成比固体高分子电解质膜小的平面尺寸，并且，另一方的气体扩散层设定成与所述固体高分子电解质膜相同或比其小且比所述一方的气体扩散层大的平面尺寸。
例如，在专利文献1公开的燃料电池中，如图12所示，电极结构体1由第一隔板2和第二隔板3夹持。在将电极结构体1的外周包围的位置，第一隔板2与第二隔板3之间由外侧密封构件4a密封，且所述第二隔板3与所述电极结构体1的外周之间由内侧密封构件4b密封。
电极结构体1具有固体高分子电解质膜5、将该电解质膜5的两面夹持的阳极电极6及阴极电极7。电解质膜5例如形成为长方形，且具有与配设在其一面上的阳极电极6同等的大小。阴极电极7以具有比阳极电极6小的表面积的方式形成。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2002-270202号公报
【发明的概要】
【发明要解决的课题】
在上述的专利文献1中，电极结构体1在由第一隔板2和第二隔板3夹持的状态下，沿着层叠方向被施加紧固载荷。此时，在平面尺寸比阳极电极6小的阴极电极7上，在作为台阶部的端部7a上容易产生大的应力。因此，在电解质膜5上，与阴极电极7的端部7a对应而容易引起应力集中，从而所述电解质膜5存在蠕变(变形)这样的问题。
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通过简单的结构可靠地阻止应力集中于台阶MEA的台阶部的燃料电池。
【用于解决课题的手段】
本发明涉及一种燃料电池，其具备：电解质膜-电极结构体，其在固体高分子电解质膜的一方的面上配设有第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一方的面上配设有第二电极，该第一电极具有第一催化剂层及第一气体扩散层，该第二电极具有第二催化剂层及第二气体扩散层，并且所述第一气体扩散层的平面尺寸设定成比所述第二气体扩散层的平面尺寸大的尺寸；以及隔板，其配置在所述电解质膜-电极结构体的两面。
并且，与第二电极对置的一方的隔板在与第二气体扩散层的外周部位对置的部位设有在厚度方向上为薄壁状的避让部。
另外，在该燃料电池中，优选避让部从第二气体扩散层的外周端部向内侧进入而形成。
【发明效果】
根据本发明，在一方的隔板上，与第二气体扩散层的外周部位对置而设有避让部，该第二气体扩散层的平面尺寸比第一气体扩散层的平面尺寸小。因此，在发电部中，能够确保为了保证发电性能所需的面压，另一方面，能够有效地降低向第二气体扩散层施加的载荷。因此，能够抑制在固体高分子电解质膜上产生应力集中的情况，能够具有所希望的发电性能，并且能够良好地抑制所述固体高分子电解质膜的损伤等。
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II-II线剖视说明图。
图3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4是所述燃料电池的图3中IV-IV线剖视说明图。
图5是构成所述燃料电池的阴极侧隔板的主视说明图。
图6是构成所述燃料电池的阳极侧隔板的主视说明图。
图7是本发明的第三实施方式的燃料电池的主要部分剖视说明图。
图8是本发明的第四实施方式的燃料电池的主要部分剖视说明图。
图9是本发明的第五实施方式的燃料电池的主要部分分解立体说明图。
图10是所述燃料电池的图9中X-X线剖视说明图。
图11是本发明的第六实施方式的燃料电池的主要部分分解立体说明图。
图12是专利文献1公开的燃料电池的剖视说明图。
【符号说明】
10、60、90、100、110、120…燃料电池
12…电解质膜-电极结构体
14、64、94、104、114、124…阴极侧隔板
16、66、96、106、116、126…阳极侧隔板
18…固体高分子电解质膜
20…阴极电极
20a、22a…电极催化剂层
20b、22b…气体扩散层
22…阳极电极
24、38at…避让部
30a…氧化剂气体入口连通孔
30b…氧化剂气体出口连通孔
32a···冷却介质入口连通孔
32b…冷却介质出口连通孔
34a···燃料气体入口连通孔
34b…燃料气体出口连通孔
36…氧化剂气体流路
36a、38a、40a···直线状突起部
36b、38b、40b…直线状流路槽
38…燃料气体流路
40…冷却介质流路
42、44…密封构件
62、92、102、112、122…带树脂框的电解质膜-电极结构体
68、118…树脂制框构件
68a、118a…薄壁部
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的燃料电池10具备电解质膜-电极结构体12、夹持所述电解质膜-电极结构体12的横长形状的阴极侧隔板14及阳极侧隔板16。
阴极侧隔板14及阳极侧隔板16例如由碳隔板构成。需要说明的是，阴极侧隔板14及阳极侧隔板16也可以取代碳隔板而由例如对金属薄板进行冲压成形的金属隔板构成。
如图2所示，电解质膜-电极结构体12具有在例如全氟磺酸的薄膜中浸渍水而成的固体高分子电解质膜18、夹持所述固体高分子电解质膜18的阴极电极(第一电极)20及阳极电极(第二电极)22。固体高分子电解质膜18除了使用氟系电解质之外，还可以使用HC(烃)系电解质。
阳极电极22在整周上具有比固体高分子电解质膜18及阴极电极20小的平面尺寸(表面积)。需要说明的是，也可以将阳极电极22与阴极电极20的平面尺寸的大小颠倒，使所述阳极电极22具有比所述阴极电极20大的平面尺寸(表面积)。固体高分子电解质膜18的外周缘部只要比小的一方的电极例如阳极电极22的外周在整周上突出即可，可以不配置在与大的一方的电极例如阴极电极20的端部相同的位置。
阴极电极20配置在固体高分子电解质膜18的一方的面18a上。阳极电极22配置在固体高分子电解质膜18的另一方的面18b上，并使所述固体高分子电解质膜18的外周端缘部18be呈框状地露出(参照图1)。
阴极电极20设有：与固体高分子电解质膜18的面18a接合的第一电极催化剂层(第一催化剂层)20a；层叠在所述第一电极催化剂层20a上的第一气体扩散层20b。第一电极催化剂层20a及第一气体扩散层20b的外周端部配置在与固体高分子电解质膜18的外周端部相同的位置。
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(第二催化剂层)22a；层叠在所述第二电极催化剂层22a上的第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a的外周端部配置在比第二气体扩散层22b的外周端部向内方分离的位置，但也可以配置在同一位置。
第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a通过如下这样构成：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合剂，且将在该高分子电解质的溶液中均匀地混合所述催化剂粒子而制作的催化剂糊剂向固体高分子电解质膜18的两面印刷、涂敷或转印。
第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b由碳素纸等构成，并且所述第一气体扩散层20b的平面尺寸设定成比所述第二气体扩散层22b的平面尺寸大的尺寸。
如图2所示，阳极侧隔板16在与第二气体扩散层22b的外周部位对置的部位设有避让部24。避让部24通过将阳极侧隔板16的与阳极电极22对置的面在厚度方向上形成为薄壁状而设置。
避让部24的厚度t1构成为比其他的部位、例如形成后述的燃料气体流路38的面的厚度t2薄的薄壁状(t1＜t2)，并且从第二气体扩散层22b的外周端部22be向内侧进入距离L而形成。(t2-t1)相对于第二气体扩散层22b的初始厚度(从外部未施加载荷的状态的厚度)t3和所述第二气体扩散层22b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t4，具有(t2-t1)＞(t3-t4)的关系。
距离L例如设定为0.5mm以上。这是由于即使在阳极侧隔板16与电解质膜-电极结构体12上发生位置错动，也能够防止第二气体扩散层22b处的固体高分子电解质膜18的蠕变或膜损伤。
如图1所示，在燃料电池10的箭头A方向(图1中，水平方向)的一端缘部，沿着箭头C方向(铅垂方向)排列而设置有在作为层叠方向的箭头B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30a、用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔32a、以及用于排出燃料气体、例如含氢气体的燃料气体出口连通孔34b。
在燃料电池10的箭头A方向的另一端缘部，沿着箭头C方向排列而设置有在箭头B方向上相互连通的用于供给燃料气体的燃料气体入口连通孔34a、用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔32b、以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
在阴极侧隔板14的朝向电解质膜-电极结构体12的面14a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36。
在阳极侧隔板16的朝向电解质膜-电极结构体12的面16a上形成有与燃料气体入口连通孔34a和燃料气体出口连通孔34b连通的燃料气体流路38。在阴极侧隔板14的面14b与阳极侧隔板16的面16b之间形成有与冷却介质入口连通孔32a和冷却介质出口连通孔32b连通的冷却介质流路40。
在阴极侧隔板14的面14a、14b上环绕该阴极侧隔板14的外周端部而设有第一密封构件42。在阳极侧隔板16的面16a、16b上环绕该阳极侧隔板16的外周端部而设有第二密封构件44。
第一密封构件42及第二密封构件44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、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等密封材料、缓冲材料或填密材料等具有弹性的密封构件。
在阳极侧隔板16上形成有：将燃料气体入口连通孔34a与燃料气体流路38连通的供给孔部46；将所述燃料气体流路38与燃料气体出口连通孔34b连通的排出孔部48。
以下，说明这样构成的燃料电池10的动作。
首先，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体，并向燃料气体入口连通孔34a供给含氢气体等燃料气体。而且，向冷却介质入口连通孔32a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30a向阴极侧隔板14的氧化剂气体流路36导入，并向箭头A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34a通过供给孔部46向阳极侧隔板16的燃料气体流路38导入。燃料气体沿着燃料气体流路38向箭头A方向移动，并向电解质膜-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供给的氧化剂气体与向阳极电极22供给的燃料气体在第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a内通过电化学反应被消耗而进行发电。
接着，向阴极电极20供给而被消耗后的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b向箭头B方向排出。同样，向阳极电极22供给而被消耗后的燃料气体通过排出孔部48，并沿着燃料气体出口连通孔34b向箭头B方向排出。
另外，向冷却介质入口连通孔32a供给的冷却介质向阴极侧隔板14与阳极侧隔板16之间的冷却介质流路40导入之后，向箭头A方向流通。该冷却介质在将电解质膜-电极结构体12冷却之后，从冷却介质出口连通孔32b排出。
这种情况下，在第一实施方式中，如图2所示，在阳极侧隔板16上的与第二气体扩散层22b的外周部位对置的部位设有避让部24，其中，第二气体扩散层22b的平面尺寸比第一气体扩散层20b的平面尺寸小。因此，电解质膜-电极结构体12在由阴极侧隔板14及阳极侧隔板16夹持的状态下被沿着层叠方向施加紧固载荷时，在发电部(与最外周的氧化剂气体流路36及燃料气体流路38对置的部位的内方)能够确保为了保证发电性能所需的面压，另一方面，能够有效地降低向第二气体扩散层22b的端部施加的载荷。
因此，在比第一气体扩散层20b的平面尺寸小的第二气体扩散层22b的端部不会作用过度的应力，能够抑制在固体高分子电解质膜18上产生应力集中的情况。由此，在燃料电池10中，能得到具有所希望的发电性能且能够良好地抑制固体高分子电解质膜18的破损等这样的效果。
如图3及图4所示，本发明的第二实施方式的燃料电池60具备带树脂框的电解质膜-电极结构体62、夹持所述带树脂框的电解质膜-电极结构体62的横长形状的阴极侧隔板64及阳极侧隔板66。需要说明的是，对于与第一实施方式的燃料电池10相同的构成要素，标注同一参照符号，并省略其详细说明。
阴极侧隔板64及阳极侧隔板66与第一实施方式同样，地例如由碳隔板构成，但也可以由金属隔板构成。
如图4所示，带树脂框的电解质膜-电极结构体62通过阴极电极20及阳极电极22夹持固体高分子电解质膜18，并且环绕所述固体高分子电解质膜18的外周而设有树脂制框构件68。树脂制框构件68除了由例如PPS(聚苯硫醚)或PPA(聚邻苯二酰胺)等构成之外，也可以使用具有弹性的高分子材料。
树脂制框构件68在内侧设有带台阶的开口部，且设有向内方鼓出而在厚度方向上为薄壁状的薄壁部68a。在薄壁部68a的内方前端接合阳极电极22的外周端部。在薄壁部68a的平面上接合固体高分子电解质膜18的外周端缘部18be，并且在所述薄壁部68a的外方内侧端部接合所述固体高分子电解质膜18及阴极电极20的外周端部。
如图5所示，在阴极侧隔板64的朝向带树脂框的电解质膜-电极结构体62的面64a上设有氧化剂气体流路36。氧化剂气体流路36具有在沿着箭头A方向延伸的多个直线状突起部36a之间形成的多个直线状流路槽36b。
在氧化剂气体流路36的入口侧连通有入口缓冲部70，并且在所述氧化剂气体流路36的出口侧连通有出口缓冲部72。入口缓冲部70具有向带树脂框的电解质膜-电极结构体62侧突出的多个压花70a，另一方面，出口缓冲部72具有向所述带树脂框的电解质膜-电极结构体62侧突出的多个压花72a。
如图3所示，在阴极侧隔板64的与面64a相反的面64b上设有冷却介质流路40。冷却介质流路40具有在沿着箭头A方向延伸的多个直线状突起部40a之间形成的多个直线状流路槽40b。在冷却介质流路40上连通有入口缓冲部74及出口缓冲部76。入口缓冲部74具有多个压花74a，另一方面，出口缓冲部76具有多个压花76a。
如图3及图6所示，在阳极侧隔板66的朝向带树脂框的电解质膜-电极结构体62的面66a上设有燃料气体流路38。燃料气体流路38具有在沿着箭头A方向延伸的多个直线状突起部38a之间形成的多个直线状流路槽38b。阳极侧隔板66在与第二气体扩散层22b的外周部位对置的部位上，即，在多个直线状突起部38a的箭头A方向两端缘部设有在厚度方向上为薄壁状的避让部38at。
如图4所示，避让部38at的厚度t5构成为比其他的部位、例如形成燃料气体流路38的面(直线状突起部38a)的厚度t6薄的薄壁状(t5＜t6)。避让部38at从第二气体扩散层22b的外周端部22be向内侧进入距离L1而形成。(t6-t5)相对于第二气体扩散层22b的初始厚度(从外部未施加载荷的状态的厚度)t7和所述第二气体扩散层22b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t8，具有(t6-t5)＞(t7-t8)的关系。另一方面，距离L1例如设定为0.5mm。
如图6所示，在燃料气体流路38的入口侧连通有入口缓冲部78，并且在所述燃料气体流路38的出口侧连通有出口缓冲部80。入口缓冲部78具有多个压花78a，另一方面，出口缓冲部80具有多个压花80a。
在这样构成的第二实施方式中，如图4所示，在阳极侧隔板66上的与第二气体扩散层22b的外周部位对置的部位，即，在多个直线状突起部38a的箭头A方向两端缘部设有在厚度方向上为薄壁状的避让部38at，其中，第二气体扩散层22b的平面尺寸比第一气体扩散层20b的平面尺寸小。
因此，能够抑制在固体高分子电解质膜18上产生应力集中的情况。因此，能得到具有所希望的发电性能且能够良好地抑制固体高分子电解质膜18的破损等、与上述的第一实施方式同样的效果。
如图7所示，本发明的第三实施方式的燃料电池90具备带树脂框的电解质膜-电极结构体92、夹持所述带树脂框的电解质膜-电极结构体92的阴极侧隔板94及阳极侧隔板96。
需要说明的是，对于与第二实施方式的燃料电池60相同的构成要素，标注同一参照符号，并省略其详细说明。而且，在以下说明的第四实施方式中也同样地省略其详细说明。
避让部38at的厚度t9构成为比其他的部位、例如形成燃料气体流路38的面(直线状突起部38a)的厚度t10薄的薄壁状(t9＜t10)。(t10-t9)相对于树脂制框构件68的薄壁部68a的厚度t11和第二气体扩散层22b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t12，具有(t10-t9)＞(t11-t12)的关系。
如图8所示，本发明的第四实施方式的燃料电池100具备带树脂框的电解质膜-电极结构体102、夹持所述带树脂框的电解质膜-电极结构体102的阴极侧隔板104及阳极侧隔板106。
避让部38at的厚度t13构成为比其他的部位、例如形成燃料气体流路38的面(直线状突起部38a)的厚度t14薄的薄壁状(t13＜t14)。(t14-t13)相对于树脂制框构件68的薄壁部68a的厚度t15和第二气体扩散层22b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t16、及第一气体扩散层20b的初始厚度(从外部未施加载荷的状态的厚度)t17和所述第一气体扩散层20b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t18，具有(t14-t13)＞(t15-t16)+(t17-t18)的关系。
在这样构成的第三及第四实施方式中，能得到与上述的第一及第二实施方式同样的效果。
如图9所示，本发明的第五实施方式的燃料电池110具备带树脂框的电解质膜-电极结构体112、夹持所述带树脂框的电解质膜-电极结构体112的阴极侧隔板114及阳极侧隔板116。
需要说明的是，对于与第一实施方式的燃料电池10相同的构成要素，标注同一参照符号，并省略其详细说明。而且，在以下说明的第六实施方式中也同样地省略其详细说明。
如图10所示，带树脂框的电解质膜-电极结构体112环绕固体高分子电解质膜18的外周而设置树脂制框构件118。树脂制框构件118与树脂制框构件68同样地构成，设有向内方鼓出而在厚度方向上为薄壁状的薄壁部118a。在薄壁部118a的内方前端接合阳极电极22的外周端部。在薄壁部118a的平面上接合固体高分子电解质膜18的外周端缘部18be，并且在所述薄壁部118a的外方端部接合所述固体高分子电解质膜18及阴极电极20的外周端部。
避让部24的厚度t19构成为比其他的部位、例如形成后述的燃料气体流路38的面的厚度t20薄的薄壁状(t19＜t20)。(t20-t19)相对于树脂制框构件118的薄壁部118a的厚度t21和第二气体扩散层22b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t22，具有(t20-t19)＞(t21-t22)的关系。
如图11所示，本发明的第六实施方式的燃料电池120具备带树脂框的电解质膜-电极结构体122、夹持所述带树脂框的电解质膜-电极结构体122的阴极侧隔板124及阳极侧隔板126。
避让部24的厚度t23构成为比其他的部位、例如形成燃料气体流路38的面(直线状突起部38a)的厚度t24薄的薄壁状(t23＜t24)。(t24-t23)相对于树脂制框构件118的薄壁部118a的厚度t25和第二气体扩散层22b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t26、及第一气体扩散层20b的初始厚度(从外部未施加载荷的状态的厚度)t27和所述第一气体扩散层20b的压缩后厚度(施加了紧固载荷的状态的厚度)t28，具有(t24-t23)＞(t25-t26)+(t27-t28)的关系。
在这样构成的第五及第六实施方式中，能够得到与上述的第一～第四实施方式同样的效果。

Claims (2)

1.一种燃料电池，其特征在于，具备：
电解质膜-电极结构体，其在固体高分子电解质膜的一方的面上配设有第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一方的面上配设有第二电极，该第一电极具有第一催化剂层及第一气体扩散层，该第二电极具有第二催化剂层及第二气体扩散层，并且所述第一气体扩散层的平面尺寸设定成比所述第二气体扩散层的平面尺寸大的尺寸；以及
隔板，其配置在所述电解质膜-电极结构体的两面，
与所述第二电极对置的一方的隔板在与所述第二气体扩散层的外周部位对置的部位设有在厚度方向上为薄壁状的避让部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述避让部从所述第二气体扩散层的外周端部向内侧进入而形成。
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