CN103855410B

CN103855410B - 燃料电池

Info

Publication number: CN103855410B
Application number: CN201310585542.5A
Authority: CN
Inventors: 坂野雅章; 金冈长之
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: US10074869B2; US20140154606A1; CN103855410A; JP5829203B2; JP2014110175A

Abstract

本发明的燃料电池，能够通过简单的构成，有效地保护固体高分子电解质膜，并且进行稳定的发电。燃料电池(10)，由阴极侧隔板(14)以及阳极侧隔板(16)夹持电解质膜/电极构造体(12)。构成电解质膜/电极构造体(12)的阴极电极(40)具有第1电极催化剂层(40a)，在所述第1电极催化剂层(40a)上，隔着第1中间层(40b)设置有由碳纸等构成的第1气体扩散层(40c)。第1气体扩散层(40c)沿着隔板表面方向延伸至缓冲部区域，第1中间层(40b)覆盖所述第1气体扩散层(40c)的所述缓冲部区域而设置。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种层叠了电解质膜/电极构造体和隔板的燃料电池，所述电解质膜/电极构造体在固体高分子电解质膜的两侧分别设置有层叠了电极催化剂层以及气体扩散层的电极。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池采用了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)夹持了电解质膜/电极构造体(MEA)，该电解质膜/电极构造体(MEA)在固体高分子电解质膜的两侧分别配设了由催化剂层(电极催化剂层)与气体扩散层(多孔碳)构成的阳极电极以及阴极电极。

通常，将该燃料电池层叠规定的数目，例如作为车载用燃料电池堆来使用。

一般来说，在电解质膜/电极构造体中，阳极电极以及阴极电极具有比固体高分子电解质膜小的表面积，所述固体高分子电解质膜的外周边缘部从所述阳极电极以及所述阴极电极的外周向外部露出。因此，存在在电解质膜/电极构造体的制造时，在对固体高分子电解质膜热压接气体扩散层时，构成所述气体扩散层的纤维(碳纤维)会扎入所述固体高分子电解质膜的问题。

因此，例如，已知专利文献1所公开的燃料电池单元。在该燃料电池单元中，如图5所示，由电解质膜1、和阴极侧的催化剂层2a以及阳极侧的催化剂层3a形成的膜电极接合体4被阴极侧的气体扩散层2b以及阳极侧的气体扩散层3b夹持。由于催化剂层2a、3a与电解质膜1相比它们的面积狭小，因此在所述电解质膜1的外周边缘部，形成了不存在所述催化剂层2a、3a的露出区域1a。

而且，在配置在膜电极接合体4的两侧的气体扩散层2b、3b的端部，在成为催化剂层2a、3a的边缘的部位形成有凹陷5a、5b。在由凹陷5a、5b和露出区域1a形成的凹槽中，从催化剂层2a、3a到所述露出区域1a收容有树脂材料6a、6b。因此，对从气体扩散层2b、3b突出的毛刺扎入电解质膜1进行了防护。

【在先技术文献】

【专利文献】

专利文献1：JP特开2011—146300号公报

发明内容

【发明要解决的课题】

但是，在上述的燃料电池单元中，必须在成为催化剂层2a、3a的边缘的部位形成凹陷5a、5b，存在所述凹陷5a、5b的加工作业相当繁杂化，并且制造费高涨的问题。

并且，气体扩散层2b、3b由金属多孔质体等构成，收容于凹陷5a、5b的树脂材料6a、6b有可能从所述气体扩散层2b、3b内渗出到表面侧。因此，存在树脂材料6a、6b到达了MEA表面(单元表面)，附着能量增加而生成水的排水性下降，发电不稳定的问题。

本发明是解决这种问题的发明，其目的在于，提供一种能够通过简单的构成，有效地保护固体高分子电解质膜，并且进行稳定的发电的燃料电池。

【解决课题的手段】

本发明涉及如下的燃料电池：具备在固体高分子电解质膜的两侧分别设置有层叠了电极催化剂层、中间层以及气体扩散层的电极的电解质膜/电极构造体、和层叠于所述电解质膜/电极构造体的隔板，在所述隔板设置有使反应气体沿着发电面在所述隔板与所述电解质膜/电极构造体之间流通的反应气体流路、使所述反应气体在所述隔板与所述电解质膜/电极构造体的层叠方向上流通的反应气体连通孔、以及位于所述电极催化剂层所形成的发电区域的外侧并连结所述反应气体流路与所述反应气体连通孔的缓冲部。

在该燃料电池中，气体扩散层沿着隔板表面方向延伸至与缓冲部对置的区域，并且中间层覆盖所述气体扩散层的与所述缓冲部对置的区域而设置。

此外，在该燃料电池中，优选电解质膜/电极构造体，在与缓冲部对置的区域，隔着中间层在固体高分子电解质膜与所述气体扩散层之间设置粘合层，并且所述粘合层与电极催化剂层的外周端部在层叠方向上具有重叠部位。

此外，在该燃料电池中，优选设置于固体高分子电解质膜的一面的气体扩散层的表面尺寸与设置于所述固体高分子电解质膜的另一面的气体扩散层的表面尺寸，被设定为不同的尺寸，并且设置于所述固体高分子电解质膜的一面的电极催化剂层的表面尺寸与设置于所述固体高分子电解质膜的另一面的电极催化剂层的表面尺寸，被设定为不同的尺寸。

此外，在该燃料电池中，优选中间层遍布气体扩散层的整个面而形成。

【发明效果】

根据本发明，气体扩散层以及中间层，延伸至与设置在电极催化剂层所形成的发电区域的外侧的缓冲部对置的区域。因此，能够在发电区域内以及发电区域附近，有效地阻止气体扩散层与固体高分子电解质膜直接接触。所以，通过简单的构成，构成气体扩散层的纤维不会扎入固体高分子电解质膜。由此，能够可靠地保护固体高分子电解质膜，并且能够稳定地进行良好的发电。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的燃料电池的重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线剖面说明图。

图3是构成所述燃料电池的阴极侧隔板的正面说明图。

图4是构成所述燃料电池的阳极侧隔板的正面说明图。

图5是专利文献1所公开的燃料电池单元的说明图。

具体实施方式

如图1以及图2所示，本发明的实施方式所涉及的燃料电池10具备电解质膜/电极构造体12、和夹持所述电解质膜/电极构造体12的阴极侧隔板14以及阳极侧隔板16。多个燃料电池10，通过在箭头A方向上层叠，例如，构成车载用燃料电池堆。

阴极侧隔板14以及阳极侧隔板16，例如，由钢板、不锈钢板、铝板、电镀处理钢板、或者在其金属表面施行了防蚀用的表面处理的金属板、碳构件等构成。

如图1所示，在燃料电池10的箭头B方向(图1中，水平方向)的一端边缘部，在层叠方向即箭头A方向上相互连通地在箭头C方向(垂直方向)上排列设置有：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；用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔22a；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24b。

在燃料电池10的箭头B方向的另一端边缘部，在箭头A方向上相互连通地在箭头C方向上排列设置有：用于供给燃料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22b、以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔20b。

如图1以及图3所示，在阴极侧隔板14的面向电解质膜/电极构造体12的面14a上，设置有与氧化剂气体入口连通孔20a和氧化剂气体出口连通孔20b连通的在箭头B方向延伸的直线状的氧化剂气体流路26。另外，氧化剂气体流路26也可以是沿箭头B方向延伸的波形状的流路。在氧化剂气体流路26的入口侧与氧化剂气体入口连通孔20a之间，设置有用于连结它们的入口缓冲部28a。在氧化剂气体流路26的出口侧与氧化剂气体出口连通孔20b之间，设置有用于连结它们的出口缓冲部28b。

入口缓冲部28a以及出口缓冲部28b具有使氧化剂气体扩散从而使所述氧化剂气体的流动流畅化并且均匀化的功能，例如，由多个压纹(emboss)构成。

如图4所示，在阳极侧隔板16的面向电解质膜/电极构造体12的面16a上，形成有与燃料气体入口连通孔24a和燃料气体出口连通孔24b连通的沿箭头B方向延伸的直线状的燃料气体流路30。另外，燃料气体流路30也可以是沿箭头B方向延伸的波形状的流路。在燃料气体流路30的入口侧与燃料气体入口连通孔24a之间，设置有用于连结它们的入口缓冲部32a。在燃料气体流路30的出口侧与燃料气体出口连通孔24b之间，设置有用于连结它们的出口缓冲部32b。

入口缓冲部32a以及出口缓冲部32b具有使燃料气体扩散从而使所述燃料气体的流动流畅化并且均匀化的功能，例如，由多个压纹构成。

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22a和冷却介质出口连通孔22b连通的冷却介质流路34。

如图1～图3所示，在阴极侧隔板14的面14a、14b上，绕着该阴极侧隔板14的外周端部，第1密封构件36被一体化。如图1、图2以及图4所示，在阳极侧隔板16的面16a、16b上，绕着该阳极侧隔板16的外周端部，第2密封构件37被一体化。

如图2以及图4所示，第2密封构件37具有与后述的固体高分子电解质膜38的外周边缘部抵接的第1凸状密封体37a、和与阴极侧隔板14的第1密封构件36抵接的第2凸状密封体37b。如图2以及图3所示，第1密封构件36在隔板表面上构成平面密封体，该平面密封体构成为均匀的薄壁状。另外，也可以在第1密封构件36上设置第2凸状密封体(未图示)来代替第2凸状密封体37b。

对于第1密封构件36以及第2密封构件37，例如，使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯橡胶等的密封材料、缓冲材料、或者垫片材料等具有弹性的密封构件。

如图1以及图2所示，电解质膜/电极构造体12，例如，具备在全氟磺酸的薄膜中浸渍了水的固体高分子电解质膜38、和夹持所述固体高分子电解质膜38的阴极电极40以及阳极电极42。阴极电极40具有比阳极电极42大的表面尺寸(外形尺寸)，并且具有与固体高分子电解质膜38相同的表面尺寸。另外，也可以与此相反，阳极电极42具有比阴极电极40大的表面尺寸，并且具有与固体高分子电解质膜38相同的表面尺寸。

在电解质膜/电极构造体12中，如图1所示，作为连结流路部，根据需要设置有构成氧化剂气体侧的入口缓冲部28a的一部分区域的突出部12a、以及构成所述氧化剂气体侧的出口缓冲部28b的一部分区域的突出部12b。

在固体高分子电解质膜38中，除了氟系电解质以外，使用了HC(碳化氢)系电解质。固体高分子电解质膜38，例如，也可以是主链为聚亚苯基构造，并具有含有磺酸基的侧链的构造。

如图2所示，阴极电极40具有在固体高分子电解质膜38的一个面38a上均匀地涂敷表面附着保持有铂合金的多孔碳粒子而形成的第1电极催化剂层40a，在所述第1电极催化剂层40a，隔着第1中间层40b设置有由碳纸等构成的第1气体扩散层40c。另外，第1电极催化剂层40a以及第1中间层40b，也可以分别由多个层构成。此外，后述的阳极电极42也是同样。

第1电极催化剂层40a设定为比第1气体扩散层40c小的表面尺寸，另一方面所述第1气体扩散层40c以及第1中间层40b设定为与固体高分子电解质膜38相同的表面尺寸。第1电极催化剂层40a形成发电区域GF。

如图3所示，第1气体扩散层40c在发电区域GF的外侧沿着隔板表面方向延伸至与氧化剂气体侧的入口缓冲部28a以及出口缓冲部28b对置的缓冲部区域。第1中间层40b覆盖第1气体扩散层40c的与缓冲部区域对置的区域而设置。

在本实施方式中，第1中间层40b与第1气体扩散层40c具有相同的外形尺寸，遍布固体高分子电解质膜38的整个面而形成。第1中间层40b、第1气体扩散层40c以及固体高分子电解质膜38具有构成突出部12a以及12b的突出形状。

第1中间层40b含有电子传导性物质和防水性树脂，通过将添加了溶剂的浆料涂敷于扩散层而构成。优选第1中间层40b通过将浆料涂敷于第1气体扩散层40c的整个面来形成。作为电子传导性物质，使用多孔碳、多微孔层(MPL：micro-porouslayer)、纤维状碳(优选氧晶须或碳纳米管)，同时作为防水性树脂，含有结晶性氟树脂、PVDF(聚偏氟乙烯)、PVF(聚氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、非晶质氟树脂以及硅酮树脂等的至少1种。

如图2所示，阴极电极40，在缓冲部区域中，隔着第1中间层40b在固体高分子电解质膜38与第1气体扩散层40c之间，即，在所述固体高分子电解质膜38与所述第1中间层40b之间，设置第1粘合层44。第1粘合层44与第1电极催化剂层40a的外周端部在层叠方向具有重叠部位。

第1粘合层44，例如使用硅酮系粘合剂、尿烷系、氟系或环氧系的粘合剂等反应性液状粘合剂、或例如尿烷系、酯系、环氧系、酰胺系或烯烃系的粘合剂等热溶性粘合剂。作为粘合剂的涂布方法，可采用喷射、点滴(dispenser)、丝网印刷、喷墨或浸渍等各种方法。

阳极电极42具有在固体高分子电解质膜38的另一面38b均匀地涂敷表面附着保持有铂合金的多孔碳粒子而形成的第2电极催化剂层42a，在所述第2电极催化剂层42a上，隔着第2中间层42b设置有由碳纸等构成的第2气体扩散层42c。

第2电极催化剂层42a设定为比第2气体扩散层42c以及第2中间层42b小的表面尺寸。第2气体扩散层42c以及第2中间层42b设定为相同的表面尺寸，并且所述第2气体扩散层42c以及所述第2中间层42b设定为比固体高分子电解质膜38小的表面尺寸。第2中间层42b与第1中间层40b同样地被构成，它们在层叠方向上相互重叠的区域形成发电区域GF。优选第2中间层42b遍布第2气体扩散层42c的整个面而形成。

第2电极催化剂层42a的表面尺寸与第1电极催化剂层40a的表面尺寸设定为不同的尺寸。在本实施方式中，第2电极催化剂层42a的表面尺寸设定为比第1电极催化剂层40a的表面尺寸小，所述第1电极催化剂层40a的外周端部在整个外周上与所述第2电极催化剂层42a的外周端部相比向外侧突出距离L1。距离L1的值也可以根据外周位置而设定为不同的值。另外，与此相反，第1电极催化剂层40a的表面尺寸也可以设定为比第2电极催化剂层42a的表面尺寸小。

第2气体扩散层42c设定为比第1气体扩散层40c以及固体高分子电解质膜38小的表面尺寸。具体来说，第1气体扩散层40c以及固体高分子电解质膜38的外周端部在整个外周上与第2气体扩散层42c的外周端部相比向外侧突出距离L2。

如图4所示，第2气体扩散层42c在发电区域GF的外侧沿着隔板表面方向延伸至与燃料气体侧的入口缓冲部32a以及出口缓冲部32b对置的缓冲部区域。第2中间层42b覆盖第2气体扩散层42c的与缓冲部区域对置的区域而设置。

如图2所示，阳极电极42在缓冲部区域中，隔着第2中间层42b在固体高分子电解质膜38与第2气体扩散层42c之间，即，在所述固体高分子电解质膜38与所述第2中间层42b之间，设置第2粘合层46。第2粘合层46与第2电极催化剂层42a的外周端部在层叠方向具有重叠部位。第2粘合层46与第1粘合层44同样地被构成。

以下对像这样构成的燃料电池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20a供给含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔24a供给含氢气体等燃料气体。并且，向冷却介质入口连通孔22a供给纯水、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导入到阴极侧隔板14的氧化剂气体流路26，向箭头B方向移动供应给电解质膜/电极构造体12的阴极电极40。另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔24a导入到阳极侧隔板16的燃料气体流路30。燃料气体沿着燃料气体流路30向箭头B方向移动，供应给电解质膜/电极构造体12的阳极电极42。

因此，在各电解质膜/电极构造体12中，供应给阴极电极4()的氧化剂气体和供应给阳极电极42的燃料气体，在第1电极催化剂层40a以及第2电极催化剂层42a内由于电化学反应而被消耗从而进行发电。

接着，供应给阴极电极40且被消耗了的氧化剂气体，沿着氧化剂气体出口连通孔20b向箭头A方向排出。同样，供应给阳极电极42且被消耗了的燃料气体，沿着燃料气体出口连通孔24b向箭头A方向排出。

此外，向冷却介质入口连通孔22a供给了的冷却介质，导入到阴极侧隔板14与阳极侧隔板16之间的冷却介质流路34后，向箭头B方向流通。该冷却介质对电解质膜/电极构造体12进行了冷却后，从冷却介质出口连通孔22b排出。

在该情况下，在本实施方式中，如图2以及图3所示，在阴极电极40中，第1气体扩散层40c以及第1中间层40b，延伸至设置在发电区域GF的外侧的缓冲部区域。因此，在发电区域GF内以及发电区域GF附近，能够有效地阻止第1气体扩散层40c与固体高分子电解质膜38直接接触。所以，通过简单的构成，构成第1气体扩散层40c的碳纤维不会扎入固体高分子电解质膜38。

另一方面，如图2以及图4所示，在阳极电极42中，第2气体扩散层42c以及第2中间层42b延伸至设置在发电区域GF的外侧的缓冲部区域。因此，在发电区域GF内以及发电区域GF附近，能够有效地阻止第2气体扩散层42c与固体高分子电解质膜38接触。所以，通过简单的构成，构成第2气体扩散层42c的碳纤维不会扎入固体高分子电解质膜38。由此，能够有效地保护固体高分子电解质膜38。

此外，在固体高分子电解质膜38与第1中间层40b以及第2中间层42b之间，设置有第1粘合层44以及第2粘合层46。因此，粘合剂从固体高分子电解质膜38的表面透过第1中间层40b以及第2中间层42b向第1气体扩散层40c以及第2气体扩散层42c渗透。因而，能够对固体高分子电解质膜38与第1气体扩散层40c以及第2气体扩散层42c有效地进行粘合。

而且，由于在固体高分子电解质膜38与第1中间层40b以及第2中间层42b之间，粘合剂渗透到多孔质的第1气体扩散层40c以及第2气体扩散层42c中的情况得到抑制，因此不易形成不存在所述粘合剂的空隙，能够形成均匀的粘合面。

由此，例如，在由于起动停止时的湿度变化导致固体高分子电解质膜38反复膨胀以及收缩时，能够可靠地抑制由于粘接面的不均匀、碳纤维的扎入等引起应力集中的发生。因此，在固体高分子电解质膜38，不会引起大的应力，能够尽可能地抑制所述固体高分子电解质膜38的损伤等。

此外，在将固体高分子电解质膜38与第1气体扩散层40c以及第2气体扩散层42c一体化时，给予规定的压力并使粘合剂硬化。在此，覆盖第1粘合层44以及第2粘合层46地设置有第1中间层40b以及第2中间层42b。因此，粘合剂不会透过第1气体扩散层40c以及第2气体扩散层42c渗出到电解质膜/电极构造体12的表面(MEA表面)。由此，由于MEA表面的表面能量的增加得到抑制，生成水难以附着，所述生成水的排水性良好地被维持，因此能够可靠的进行稳定的发电。

此外，由于在第1粘合层44以及第2粘合层46不会产生空隙，因此在停止时、OCV测定时等，能够阻止氧化剂气体与燃料气体的交叉泄露所引起的自由基(radical)的发生。因此，尤其能够可靠地抑制固体高分子电解质膜38的外周部位的劣化。

【符号说明】

10燃料电池

12电解质膜/电极构造体

12a、12b突出部

14阴极侧隔板

16阳极侧隔板

20a氧化剂气体入口连通孔

20b氧化剂气体出口连通孔

22a冷却介质入口连通孔

22b冷却介质出口连通孔

24a燃料气体入口连通孔

24b燃料气体出口连通孔

26氧化剂气体流路

28a、32a入口缓冲部

28b、32b出口缓冲部

30燃料气体流路

34冷却介质流路

38固体高分子电解质膜

40阴极电极

40a、42a电极催化剂层

40b、42b中间层

40c、42c气体扩散层

42阳极电极

44、46粘合层

Claims

1.一种燃料电池，其具备：

电解质膜/电极构造体，其在固体高分子电解质膜的两侧，分别设置有层叠了电极催化剂层、中间层以及气体扩散层的电极；和

隔板，其层叠于所述电解质膜/电极构造体，

在所述隔板设置有：使反应气体沿着发电面在所述隔板与所述电解质膜/电极构造体之间流通的反应气体流路；使所述反应气体在所述隔板与所述电解质膜/电极构造体的层叠方向上流通的反应气体连通孔；以及位于所述电极催化剂层所形成的发电区域的外侧，连结所述反应气体流路与所述反应气体连通孔的缓冲部，

所述燃料电池的特征在于，

所述气体扩散层沿着隔板表面方向延伸至与所述缓冲部对置的区域，

并且所述中间层覆盖所述气体扩散层的与所述缓冲部对置的区域而设置，

所述电解质膜/电极构造体，在与所述缓冲部对置的区域，隔着所述中间层在所述固体高分子电解质膜与所述气体扩散层之间设置粘合层。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

所述粘合层与所述电极催化剂层的外周端部在所述层叠方向上具有重叠部位。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，

设置于所述固体高分子电解质膜的一面的所述气体扩散层的表面尺寸与设置于所述固体高分子电解质膜的另一面的所述气体扩散层的表面尺寸，被设定为不同的尺寸，

并且设置于所述固体高分子电解质膜的一面的所述电极催化剂层的表面尺寸与设置于所述固体高分子电解质膜的另一面的所述电极催化剂层的表面尺寸，被设定为不同的尺寸。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，

所述中间层遍布所述气体扩散层的整个面而形成。

5.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，

所述中间层遍布所述气体扩散层的整个面而形成。