CN104170133B - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池(B1‑B4)包括：膜电极接合体(C)，隔离体(15)和框体(20)，膜电极接合体(C)包括：电解质膜(50)；催化剂层(60、70)，其堆叠在电解质膜(50)的两侧；以及两个或更多个多孔体(80、90)，其具有不同的弹性模量且设置于催化剂层(60、70)中的一个催化剂层的表面，隔离体(15)限定隔离体(15)和膜电极接合体(C)之间的气体流路，框体(20)围绕电解质膜(50)的外周。两个或更多个多孔体(80、90)中的与隔离体(15)邻接的多孔体(80)包括外缘部，外缘部包括延伸成与框体(20)重叠的外延部(80a)。弹性体(40)设置于外延部(80a)和框体(20)之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种诸如聚合物电解质燃料电池(以下称为“PEFC”)等的燃料电池。
背景技术
关于该类型的燃料电池的技术包括在名称为“膜电极接合体”的专利文献1中公开的内容。
在专利文献1中公开的膜电极接合体包括膜-膜增强构件接合体、阳极催化剂层(或者第一催化剂层)、阴极催化剂层(或者第二催化剂层)、阳极气体扩散层(或者第一气体扩散层)和阴极气体扩散层(或者第二气体扩散层)。
膜-膜增强构件接合体包括聚合物电解质膜、一个或多个膜片状的第一膜增强构件和一个或多个膜片状的第二膜增强构件，该第一膜增强构件以整体沿着聚合物电解质膜的周缘延伸的方式布置于聚合物电解质膜的主表面的顶部，该第二膜增强构件以整体沿着聚合物电解质膜的周缘延伸并且从聚合物电解质膜的厚度方向看时使其内缘与第一膜增强构件的内缘错开的方式布置于第一膜增强构件的顶部。附带地，第一膜增强构件和第二膜增强构件主要由合成树脂制成。
阳极催化剂层被形成为在填充形成于第一膜增强构件中的开口的同时覆盖聚合物电解质膜的主表面，并且同样地，阴极催化剂层被形成为覆盖聚合物电解质膜的主表面。阳极气体扩散层被布置成覆盖阳极催化剂层和第一膜增强构件的主表面的一部分，且阴极气体扩散层被布置成覆盖阴极催化剂层和第一膜增强构件的主表面的一部分。
上述构造意图通过防止由与气体扩散层的端部接触导致的对聚合物电解质膜的损害以及通过更可靠地抑制由第一膜增强构件的端部导致的对聚合物电解质膜的损害来提高耐久性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际专利申请WO/2008/126350号公报
发明内容
在这方面，近年来，为了减小燃料电池的尺寸，已经对使用多孔金属材料而非碳材料用作气体扩散层的材料进行了研究。当将多孔金属材料用于气体扩散层且如专利文献1中公开地将气体扩散层布置成覆盖第一膜增强构件时，过大的表面压力作用于气体扩散层和第一膜增强构件的重叠部(或者聚合物电解质膜的周缘部)，因此难以确保其上形成有催化剂层的聚合物电解质膜上的适当的表面压力，且该问题仍未得到解决。
本发明的目的在于提供一种燃料电池，其能够通过防止在聚合物电解质膜的周缘部上施加过大的表面压力来确保聚合物电解质膜上的适当的表面压力。
根据一些实施方式的燃料电池包括：膜电极接合体，其包括：电解质膜，堆叠在电解质膜的两侧的催化剂层和具有不同的弹性模量且设置于催化剂层中的一个催化剂层的表面的两个或更多个多孔体；隔离体，其限定隔离体和膜电极接合体之间的气体流路；以及框体，其围绕电解质膜的外周。两个或更多个多孔体中的与隔离体邻接的多孔体包括外缘部，外缘部包括延伸成与框体重叠的外延部。弹性体设置于外延部和框体之间。
附图说明
图1是通过堆叠根据本发明的第一实施方式的燃料电池形成的燃料电池堆的立体图。
图2A是形成根据本发明的第一实施方式的燃料电池的一部分的框体和膜电极接合体的平面图。
图2B是沿着图2A的带箭头的线I-I截取的截面图。
图3是示出了燃料电池的与图2B中的虚线II包围的区域对应的部分的细节的局部放大图。
图4是根据本发明的第二实施方式的燃料电池的与图2B中的虚线II包围的区域对应的局部放大图。
图5是根据本发明的第三实施方式的燃料电池的与图2B中的虚线II包围的区域对应的局部放大图。
图6是根据本发明的第四实施方式的燃料电池的与图2B中的虚线II包围的区域对应的局部放大图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的实施方式。图1是通过堆叠根据本发明的第一实施方式的燃料电池形成的燃料电池堆的立体图；图2A是形成根据本发明的第一实施方式的燃料电池的一部分的框体和膜电极接合体的平面图；图2B是沿着图2A的带箭头的线I-I截取的截面图；以及图3是示出了燃料电池的与图2B中的虚线II包围的区域对应的部分的细节的局部放大图。附带地，图3中另外示出了隔离体和密封剂。
通过堆叠根据本发明的第一实施方式的多个燃料电池B1形成燃料电池堆A，并且以使得在一对端板10、10之间将一堆叠燃料电池B1堆叠在另一堆叠燃料电池B1的顶部且在燃料电池B1被夹在端板10、10之间的状态下通过端板10、10将燃料电池B1压在一起的方式构成燃料电池堆A。
燃料电池B1以限定气体流路的方式设置有图3所示的介于一对隔离体15、15之间的膜电极接合体C和框体20(以下称为“框架”)，用于发电的气体流过该气体流路。附带地，可以采用垫圈来代替框架用作框体。“用于发电的气体”包括含氢气体和含氧气体。
框架20由树脂制成，且在第一实施方式中，在从图1所示的燃料电池B1的堆叠方向X看到的主视图中框架20形成为长方形且形成有大于稍后将说明的膜电极接合体C的厚度的特定的板厚度t，且膜电极接合体C布置于框架20的中央部。此外，框架20的抵接膜电极接合体C的外壁面的的内壁面形成为平坦状。
如图2A所示，框架20设置有用于供给和排放含氢气体或含氧气体或冷却流体的歧管部M1、M2，该歧管部M1、M2分别形成于框架20的侧部。在侧部的一者中的歧管部M1由歧管孔H1至H3形成。歧管孔H1至H3分别用于供给含氧气体(H1)、用于供给冷却流体(H2)以及用于供给含氢气体(H3)，且在图1所示的堆叠方向X上分别形成流路。
另一歧管部M2由歧管孔H4至H6形成。歧管孔H4至H6分别用于排放含氢气体(H4)、用于排放冷却流体(H5)和用于排放含氧气体(H6)，且在上述堆叠方向X上分别形成流路。附带地，用于供给的歧管孔以及用于排放的歧管孔的相对位置可以局部或整体成相反的顺序。
如图3所示，在框架20的上下表面上、在该上下表面和隔离体15的下表面15a之间分别延伸地密封剂11、11，此外，在框架20的内周缘部中、在上下表面上分别延伸地形成弹性体40、40。
膜电极接合体C有时被称为MEA(Membrane Electrode Assembly)，且如图3所示，膜电极接合体C具有如下结构：其中由固体聚合物形成的电解质膜50例如以将电解质膜50夹在一对催化剂层60、70之间的方式被保持在催化剂层60、70之间，且气体扩散层100以涂覆催化剂层60、70的表面的方式形成于催化剂层60、70上。电解质膜50的外周由框架20围绕。
气体扩散层100包括具有不同弹性模量的第一多孔体80和第二多孔体90。如图2B和图3所示，第一多孔体80和第二多孔体90以第二多孔体90邻接催化剂层60或70且第一多孔体80邻接隔离体15的方式彼此上下堆叠。
以如下方式形成第二多孔体90：第二多孔体90的侧面90b与催化剂层60、70的侧壁面Ca(或者边界面)对齐且第二多孔体90的上表面90a的高度比框架20的上表面20a高。
如图3所示，第一多孔体80的外缘部朝向框架20的内缘部延伸出，且该延伸部形成了外延部80a。换句话说，如图3所示，外延部80a以外延部80a和框架20的上表面20a之间具有间隙的方式延伸出。上述弹性体40配置于框架20的上表面20a和延伸出的外延部80a之间。
弹性体40由从碳材料、弹簧、弹性聚合物、橡胶、粘合剂和这些材料的组合物构成的组中选择的一种或多种材料形成。弹性体40的弹性模量比第一多孔体80和框架20的压缩弹性模量小。在第一实施方式中，弹性体40以粘合剂位于弹性体40和第一多孔体80的外延部80a的下表面之间的方式与第一多孔体80的外延部80a的下表面一体地形成。此外，密封剂11配置于弹性体40的外侧以及框架20的上表面20a与隔离体15的下表面15a之间。
在第一实施方式中，第一多孔体80的压缩弹性模量比第二多孔体90的压缩弹性模量大。第一多孔体80由从铁、不锈钢、铝、铝合金、钛、钛合金、铬、铬合金、镍、镍合金、镁、镁合金和这些材料的组合构成的组中选择的一种或多种材料形成。此外，第一多孔体80由金属网、冲孔金属、刻蚀金属、延展金属(expanded metal)等构成。此外，第二多孔体90由碳材料形成。
根据具有上述构造的燃料电池B1，能够实现如下效果。
弹性体40吸收作用于多孔体的外延部80a和框架20之间的表面压力，且防止过大的表面压力作用于外延部80a和框架20之间的部分，由此确保其上形成有催化剂层60、70的电解质膜50上的适当的表面压力。
第一多孔体80的外延部80a朝向框架20的内缘部延伸出，因而防止了第一多孔体80的端部接触电解质膜50和对电解质膜50造成损害。此外，第一多孔体80的外延部80a抑制了由于电解质膜50的膨胀和收缩导致的阴极和阳极之间的差压或者框架20的变动，由此缓和了在催化剂层60、70和框架20之间的边界面处的电解质膜50上的应力集中。
此外，第一多孔体80的压缩弹性模量比第二多孔体90的压缩弹性模量大，因而弹性体40能够更有效地吸收表面压力。
弹性体40的弹性模量小于第一多孔体80和框架20的压缩弹性模量，因而能够防止在堆叠时过大的表面压力作用于框架20和多孔体的外延部80a之间。
弹性体40与第一多孔体80一体地形成，这反而有利于堆叠时的定位且还能够使得弹性体40提高其表面压力吸收效果或变动吸收效果。
接着，将参照图4至图6给出关于根据第二实施方式至第四实施方式的燃料电池的说明。图4至图6分别是根据第二实施方式至第四实施方式的燃料电池的与图2B中的虚线II包围的区域对应的局部放大图。附带地，与说明上述实施方式的部分对应的部分被赋予相同的附图标记，且将省略对应部分的说明。
在图4所示的根据第二实施方式的燃料电池B2中，弹性体40通过粘合剂一体固定到框架20。
此外，可以采用以下构造：弹性体40的等同物与框架20的侧缘部一体地形成。弹性体40与框架20一体地形成，因而有利于堆叠时的定位。
在图5所示的根据第三实施方式的燃料电池B3中，弹性体40通过粘合剂被一体地固定到第二多孔体90的侧面90b。弹性体40与第二多孔体90一体地形成，因而有利于堆叠时的定位。
在图6所示的根据第四实施方式的燃料电池B4中，分别在框架20的上下内缘部的整周形成向内突出的凸缘部20b、20c，电解质膜50被夹在框架20的上下内缘部之间，以及凸缘部90c、90c分别形成于第二多孔体90、90的侧面90b、90b。
换句话说，通过第二多孔体90、90的凸缘部90c、90c以及框架20的分别抵接且面对凸缘部90c、90c的凸缘部20b、20c在框架20和第二多孔体90的侧面90b之间限定弹性体嵌合配凹部Y，且弹性体40、40分别被嵌合在弹性体嵌合配凹部中。
根据本发明，在与隔离体邻接的多孔体的外延部和框体之间插入的弹性体吸收了作用于框体和多孔体的外延部之间的表面压力，并且防止了过大表面压力作用于框体和多孔体的外延部之间的部分，由此确保了其上形成有催化剂层的电解质膜上的适当的表面压力。
日本专利申请No.2012-058096(2012年3月15日递交)的全部内容通过引用而包含于此。
尽管以上已经参照实施方式和实施例说明了本发明，但是本发明不限于此，且对于本领域技术人员来说显而易见的是能够进行各种变型和改进。
附图标记说明
15 隔离体
20 框体(框架)
40 弹性体
50 电解质膜
60、70 催化剂层
80、90 多孔体(第一多孔体和第二多孔体)
80a 外延部
C 膜电极接合体
Claims (8)
1.一种燃料电池，其包括：
膜电极接合体，所述膜电极接合体包括：
电解质膜，
催化剂层，所述催化剂层堆叠在所述电解质膜的堆叠方向上的两侧，以及
两个或更多个多孔体，所述多孔体具有不同的弹性模量且以堆叠的关系设置于所述催化剂层中的一个催化剂层的表面；
隔离体，所述隔离体限定所述隔离体和所述膜电极接合体之间的气体流路；以及
框体，所述框体围绕所述电解质膜的外周，
其中所述两个或更多个多孔体中的与所述隔离体邻接的多孔体包括外延部，所述外延部以在所述框体的上表面和所述外延部之间在所述堆叠方向上具有间隙的方式朝向与所述堆叠方向垂直的方向延伸出，
其中弹性体设置于所述间隙，以及
所述框体和与所述隔离体邻接的所述多孔体在所述堆叠方向上彼此不直接接触，
所述框体的内表面直接夹持所述电解质膜的从所述催化剂层突出的部分的上下表面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述两个或更多个多孔体包括具有不同弹性模量的第一多孔体和第二多孔体，
其中与所述隔离体邻接地堆叠所述第一多孔体，与所述催化剂层中的一个催化剂层邻接地堆叠所述第二多孔体。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述第一多孔体的压缩弹性模量大于所述第二多孔体的压缩弹性模量。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于，所述弹性体的弹性模量小于所述第一多孔体和所述框体的压缩弹性模量。
5.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于，所述弹性体与所述第一多孔体、所述第二多孔体和所述框体中的至少一方一体地形成。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其特征在于，从碳材料、弹簧、弹性聚合物、橡胶、粘合剂和这些材料的组合构成的组中选择所述弹性体。
7.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于，从铁、不锈钢、铝、铝合金、钛、钛合金、铬、铬合金、镍、镍合金、镁、镁合金和这些材料的组合构成的组中选择所述第一多孔体。
8.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于，所述第二多孔体由碳材料制成。
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