CN104205449B

CN104205449B - 燃料电池的单元结构

Info

Publication number: CN104205449B
Application number: CN201380013397.1A
Authority: CN
Inventors: 沼尾康弘; 小高敏和
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: EP2830131A4; CA2862102C; JPWO2013141192A1; JP5725256B2; US20150030959A1; EP2830131A1; EP2830131B1; CA2862102A1; WO2013141192A1; US9425468B2; CN104205449A

Abstract

本发明提供一种燃料电池的单元结构，其包括利用一对电极层(2、3)夹持电解质膜(1)而成的膜电极接合体(M)、配置在电解质膜(1)的外周部的框体(4)、在与膜电极接合体(M)之间形成气体流路(G)的隔膜(5)、配置在比气体流路(G)靠外周侧的位置的密封构件(6)、以及配置在电极层(2、3)的表面且具有透气性的金属多孔体(23)，并且，金属多孔体(23)在其外周形成有伸出到比电极层(2)靠外侧的位置的伸出部(23A)，在框体(4)中形成有埋设金属多孔体(23)的伸出部(23A)的埋设部(40)，在隔膜(5)和埋设部(40)之间包括用于保持金属多孔体(23)的伸出部(23A)的保持部件。

Description

燃料电池的单元结构

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池(PEFC)等燃料电池的单元结构的改良。

背景技术

作为这种燃料电池的单元结构，存在例如以燃料电池的名称记载在专利文献1中的单元结构。专利文献1所述的燃料电池包括：具有由阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层夹着电解质膜而成的结构的膜电极接合体、分别配置在膜电极接合体的两面侧的多个透气性层、注射成形在膜电极接合体和两面侧的透气性层的外缘的密封垫、以及支承这些多层结构的隔膜。

上述燃料电池在透气性层中包含由碳布、碳纸构成的气体扩散层，为了便于使树脂浸渗在该气体扩散层中，利用注射成形形成密封垫。该密封垫不仅发挥密封功能，也作为支承膜电极接合体的框体发挥功能。而且，上述燃料电池通过做成将一侧的透气性层、膜电极接合体以及另一侧的透气性层的外缘部按顺序向外侧错开的结构，在注射成形时使树脂容易浸渗，抑制无助于反应的气体的流动，谋求提高发电效率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2009－211927号公报

发明内容

发明要解决的问题

在上述以往的燃料电池中，虽未明确记载，但是需要在隔膜中设置用于使反应气体流通的气体流路空间。此外，在利用树脂成形密封垫的情况下，为了抑制反应气体的泄漏，需要在隔膜中形成槽并在槽中配置密封材料。在此，从相对于阳极侧和阴极侧之间的压差、干湿循环的耐久性这样的方面考虑，就在隔膜中设置气体流路空间、槽的部位而言，与气体扩散层的位置关系存在改善的余地。

本发明即是着眼于上述以往的课题而完成的，其目的在于，提供一种能够大幅度地提高相对于阳极侧和阴极侧之间的压差、干湿循环的耐久性的燃料电池的单元结构。

用于解决问题的方案

本发明的燃料电池的单元结构包括：膜电极接合体，其具有利用一对电极层夹持电解质膜而成的结构；框体，其配置在电解质膜的外周部；隔膜，在其与膜电极接合体之间划分形成有气体流路；密封构件，其配置在比气体流路靠外周侧的位置；以及金属多孔体，其配置在电极层的表面，而且具有透气性。上述金属多孔体在其外周形成有伸出到比电极层靠外侧的位置的伸出部。此外，在上述框体中形成有埋设上述金属多孔体的伸出部中的至少一部分的埋设部。而且，燃料电池的单元结构设为在上述隔膜和上述埋设部之间包括用于保持上述金属多孔体的伸出部的保持部件的结构，凭借上述结构形成用于解决以往课题的手段。

发明的效果

本发明的燃料电池的单元结构在框体中形成有埋设金属多孔体的伸出部中的至少一部分的埋设部，利用保持部件保持金属多孔体的伸出部，因此，能够抑制框体与金属多孔体之间的接合部的弯曲变形，缓和接合外侧端部的应力输入。由此，燃料电池的单元结构能够大幅度地提高相对于阳极侧和阴极侧之间的压差、干湿循环的耐久性。

附图说明

图1是说明燃料电池的单元结构的第1实施方式的单个单元的单侧省略的剖视图。

图2是构成图1所示的单个单元的框体和膜电极接合体的俯视图(A)和沿着图A中的A－A线的剖视图(B)。

图3是说明单个单元的参考例的剖视图。

图4是说明燃料电池的单元结构的第2实施方式的单个单元的单侧省略的剖视图。

图5是说明燃料电池的单元结构的第3实施方式的单个单元的单侧省略的剖视图。

图6是表示图5所示的单个单元的金属多孔体的俯视图(A)、金属多孔体和框体一体化之前的剖视图(B)以及一体化之后的剖视图(C)。

图7是表示单个单元的金属多孔体的另一例子的俯视图。

具体实施方式

第1实施方式

下面，根据附图说明燃料电池的单元结构的实施方式。

图1和图2所示的燃料电池的单个单元FC包括：膜电极接合体M，其具有利用作为一对电极层的阴极层2和阳极层(未图示)夹持电解质膜(高分子电解质膜)1而成的结构；框体4，其配置在膜电极接合体M的外周；以及隔膜5，在其与膜电极接合体M之间划分形成有各个气体流路G。

膜电极接合体M是所谓的MEA(Membrane Electrode Assembly)，在本实施方式中包含气体扩散层。即，如图1所示，膜电极接合体M的阴极层2和阳极层从电解质膜1侧开始各自具有催化剂层21、气体扩散层22、以及作为气体扩散层发挥功能的金属多孔体23。气体扩散层22也可以分别由多层构成。

在此，在图1中仅表示了单个单元FC的阴极层2侧。如作为参考例的图3所示，实际的单个单元FC以电解质膜1为中心地具有阴极层2和阳极层3。阴极层2从电解质膜1侧开始具有催化剂层21、气体扩散层22、以及金属多孔体23，阳极层3从电解质膜1侧开始各自具有催化剂层31、气体扩散层32、以及金属多孔体33。另外，在图1中省略的阳极侧是对称的结构，但也可以是不对称的结构。

框体4是支承膜电极接合体M、并且也作为垫片发挥功能的树脂制的构件。如图2的(A)所示，该框体4呈俯视矩形形状，并且以膜电极接合体M在该框体4的平面中央部露出的方式一体成形于膜电极接合体M的外周。

此外，框体4在成为图2的(A)中左侧的一个短边侧具有阴极气体(含氧气体)、冷却液及阳极气体(含氢气体)的供给孔H1～H3，在另一个短边侧具有这些流体的排出孔H4～H6。另外，供给和排出的位置关系能够适当地变更。

隔膜5兼用作集电体，虽省略图示，但呈与框体4相对应的俯视矩形形状，并且形成有与框体4同样的供给孔和排出孔。该隔膜5以与膜电极接合体M重合的状态形成前述的气体流路G。另外，本实施方式的单个单元FC层叠了多个时，各供给孔(H1～H3)和排出孔(H4～H6)在层叠方向上连续而形成各个流路，而且，使冷却液在相邻的单个单元FC之间(隔膜5相互间)流通。

图1所示的密封材料6介于上述隔膜5和框体4之间。即，在隔膜5的比气体流路G靠外周侧的位置形成有槽16，在槽16中配置有密封材料6。该密封材料6设于框体4的外周部、供给孔H1～H3及排出孔H4～H6的周围，此时，为了不妨碍气体向对应的层流通，在各孔H1～H6的周围设有开放部分。

在上述阴极层2和阳极层中，气体扩散层22例如由碳材料形成，作为更优选的方式，能够使用片状碳材料。

金属多孔体23配置在电极层(阴极层2和阳极层)的表面，且具有透气性，像前述那样也作为气体扩散层发挥功能。作为优选的方式，该金属多孔体23能够使用铁、不锈钢、铝和铝合金、钛和钛合金、铬和铬合金、镍和镍合金、镁和镁合金中的任意一种以上的金属。而且，作为具体的方式，金属多孔体23由冲孔金属、蚀刻金属、金属丝网以及膨胀金属等构成。

在上述单个单元FC中，如图1所示，上述金属多孔体23在其外周形成有伸出到比电极层靠外侧、即比阴极层2和阳极层的主体部分靠外侧的位置的伸出部23A。而且，在单个单元FC中，框体4形成有埋设金属多孔体23的伸出部23A中的至少一部分的埋设部40。此时，金属多孔体23和框体4彼此的表面平滑地连续。另外，金属多孔体23和框体4彼此的表面并不一定必须平滑，也可以存在高度差。

即，单个单元FC像前述那样框体4为树脂制，因此，以浇筑金属多孔体23的伸出部23A的方式注射成形框体4而形成埋设部40，或者利用热压接将预先形成的框体4和伸出部23A接合而形成埋设部40。适当地选择这些手段将框体4和金属多孔体23一体化。

并且，单个单元FC在隔膜4和埋设部40之间包括用于保持金属多孔体23的伸出部23A的保持部件。保持部件是限制金属多孔体23的伸出部23A的厚度方向(在图1中是上下方向)上的移位的部件、或者限制金属多孔体23的伸出部23A在面内方向(在图1中是左右方向)上的移位的部件。

本实施方式的保持部件是形成在隔膜5的内侧面的突条部5A，与包含上述伸出部23A的埋设部40和其两侧的范围相面对，限制金属多孔体23的伸出部23A的厚度方向上的移位。突条部5A相对于阴极层2、阳极层维持恒定厚度的气体流路G，与气体的流通方向相应地设于适当的部位。本实施方式的单个单元FC将几个突条部中的一个突条部5A用作保持部件。

具有上述结构的燃料电池的单个单元FC能够缓和向金属多孔体23与框体4之间的接合外侧端部23C的应力输入。即，在这种单个单元FC中，由于运转条件等在阴极侧和阳极侧之间产生不可避免的压差，并且膜电极接合体M反复溶胀和干燥。因此，对膜电极接合体M施加由压差、干湿循环引起的负荷，由此，在其与框体4的接合部产生应力。

因此，上述单个单元FC首先在框体4中埋设金属多孔体23的伸出部23A而形成埋设部40，利用该埋设部40将框体4和金属多孔体23一体化，设为利用金属多孔体23加强框体4的状态。

而且，上述单个单元FC利用设于隔膜5的突条部(保持部件)5A按压膜电极接合体M与框体4之间的接合部、即框体4中的伸出部23A的埋设部40而限制厚度方向上的移位，抑制接合部的弯曲变形，缓和该接合外侧端部23C的应力输入。由此，单个单元FC能够大幅度地提高相对于阳极侧和阴极侧之间的压差、干湿循环的耐久性。

此外，单个单元FC利用埋设部40将框体4和金属多孔体23一体化，利用金属多孔体23加强框体4，因此，即便使框体4薄型化，也能够维持该框体4对膜电极接合体M的良好的支承功能。而且，框体4的薄型化也能够实现作为金属多孔体23的下层的气体扩散层22的薄型化。

并且，对于上述单个单元FC，能够选择框体4的制法、将框体4和金属多孔体23一体化的手段。也就是说，实质上无法将树脂制的框体热压接在由碳材料构成的气体扩散层上，因此，在这种情况下只有注射成形框体4。相对于此，在上述单个单元FC中，由于将金属多孔体23的伸出部23A中的至少一部分埋设在树脂制框体4中而形成埋设部40，因此，能够采用注射成形等树脂成形方法、热压接等接合手段。由此，框体4的制法、将框体4和金属多孔体23一体化的手段的选择自由度增加。

并且，上述单个单元FC通过至少将金属多孔体23的伸出部23A埋设在框体4中而形成埋设部40，能够获得恒定的效果，因此，也可以不将各催化剂层21和气体扩散层22与框体4接合。即使这样，也能够通过框体4和伸出部23A的一体化(形成埋设部40)良好地维持膜电极接合体M和框体4之间的气体密封性。

这样，上述单个单元FC能够利用金属多孔体23加强框体4而良好地维持该框体4对膜电极结构体M的支承功能，能够在谋求该单个单元FC的薄型化的同时实现提高耐久性、生产率。

此外，上述单个单元FC层叠多个而构成燃料电池组。这样的燃料电池组随着单个单元FC的薄型化而实现整体结构的小型轻量化、低成本化，非常适合作为汽车等车辆的搭载用电源。

参考例

图3所示的燃料电池的单个单元FC具有与第1实施方式相同的基本结构，其包括：膜电极接合体M，其具有利用作为一对电极层的阴极层2和阳极层3来夹持电解质膜(高分子电解质膜)1而成的结构；框体4，其配置在膜电极接合体M的外周；以及隔膜5、5，在其与膜电极接合体M之间划分形成有各个气体流路G、G。

如图1所示，膜电极接合体M的阴极层2从电解质膜1侧开始具有催化剂层21、气体扩散层22、以及作为气体扩散层发挥功能的金属多孔体23，膜电极接合体M的阳极层3从电解质膜1侧开始具有催化剂层31、气体扩散层32、以及作为气体扩散层发挥功能的金属多孔体33。密封材料6介于上述隔膜5和框体4之间。

上述金属多孔体23、33在其外周形成有伸出到比电极层靠外侧的位置的伸出部23A、33A，而且，框体4形成有埋设了金属多孔体23、33的伸出部23A、33A中的至少一部分的埋设部40。

并且，上述单个单元FC在隔膜5的内侧面具有突条部5A。但是，该参考例的突条部5A仅接触于框体4，不具有在第1实施方式中说明的作为保持部件的功能、即直接保持伸出部23A、33A的功能。

具有上述结构的单个单元FC在框体4中埋设金属多孔体23、33的伸出部23A、33A而形成埋设部40，利用该埋设部40将两者一体化，因此，成为利用金属多孔体23、33加强框体4的状态。由此，单个单元FC即便使框体4薄型化，也能够维持该框体4对膜电极接合体M的良好的支承功能。

图4～图6是说明本发明的燃料电池的单元结构的第2实施方式和第3实施方式的图。另外，在以下的各实施方式中，对与之前的实施方式相同的结构部位标注相同的附图标记，省略详细的说明。

第2实施方式

图4所示的燃料电池的单个单元FC具有与之前的实施方式相同的基本结构，并且金属多孔体23的伸出部23A向外侧扩大，在框体4中形成有埋设伸出部23A中的至少一部分的埋设部40。而且，图示的单个单元FC在隔膜5和埋设部40之间包括用于保持上述金属多孔体23的伸出部23A的保持部件。

本实施方式的保持部件是限制金属多孔体23的伸出部23A的厚度方向上的移位的部件，并且是限制金属多孔体的伸出部在面内方向上的移位的部件。具体地讲，保持部件是隔膜5侧的突条部5A，其按压伸出部23A而限制厚度方向上的移位。此外，保持部件包含配置在隔膜5的槽16中的密封材料6。该密封材料6具有保持部件的辅助职能，其接触于伸出部23A而限制伸出部23A的厚度方向上的移位，而且具有粘接性，因此，也限制伸出部23A在面内方向上的移位。另外，图4仅表示阴极层2侧。与图1同样，省略的阳极侧是对称的结构。

此外，对于单个单元FC，如图6的(A)所示，在金属多孔体23中，成为伸出部23A的孔隙率大于其他部分的孔隙率的结构。该其他部分是与膜电极接合体M重叠的部分。即，图示的金属多孔体23在作为其外周部的伸出部23A中的大致整周上排列有多个狭缝23B，利用这些狭缝23B增大伸出部23A的孔隙率。另外，不仅能够采用狭缝，也能够采用适当形状的孔等。此外，在金属多孔体23中，伸出部23A的孔隙率也可以与其他部分的孔隙率相同。

如图6的(B)和图6的(C)所示，上述单个单元FC在树脂制框体4中埋设金属多孔体23的伸出部23A而形成埋设部40，但此时，由于伸出部23A的孔隙率较大，因此，作为框体4的原材料的树脂容易浸渗，并且浸渗量变多。所谓的树脂的咬合变得更加良好。

上述单个单元FC不仅能够获得与之前的实施方式同样的效果，而且随着树脂的浸渗性、浸渗量的提高，易于控制树脂向除伸出部23A之外的金属多孔体23的溢出量(流量)，实现尺寸精度的提高。

此外，单个单元FC为如图5所示那样在伸出部23A的狭缝23B配置在密封材料6的下部的结构中，能够使密封材料下部分富树脂而使与密封材料6的界面平滑，实现密封性的进一步提高。另外，在上述实施方式中，作为配置在隔膜5侧的保持部件例示了形成在该隔膜5的突条部5A、或者配置隔膜5的槽16中的密封材料6，但当然也能够采用其他构件。

图7是表示金属多孔体的另一实施方式的图。图示的金属多孔体23整体是网格，成为伸出部23A的孔隙率大于其他部分即与膜电极接合体M重叠的中央部分的孔隙率的结构。也就是说，金属多孔体23利用孔隙(网络)较密的网格形成中央部分，利用孔隙(网络)较疏的网格形成伸出部23A。即使在采用这样的金属多孔体23的单个单元FC中，也能够获得与之前的实施方式同样的效果。

本发明的燃料电池的单元结构的结构并不仅限定于上述各实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内包含燃料电池整体的形状、各部件的形状和材料等适当地变更结构的细节。

附图标记说明

FC、单个单元；G、气体流路；M、膜电极接合体；1、电解质膜；2、阴极层(电极层)；3、阳极层(电极层)；4、框体；5、隔膜；5A、突条部(保持部件)；6、密封材料(保持部件)；23、金属多孔体；23A、伸出部；33、金属多孔体；33A、伸出部；40、埋设部。

Claims

1.一种燃料电池的单元结构，其特征在于，

该燃料电池的单元结构包括：

膜电极接合体，其具有利用一对电极层夹持电解质膜而成的结构；

框体，其配置在电解质膜的外周部；

隔膜，在其与膜电极接合体之间划分形成有气体流路；

密封构件，其配置在比气体流路靠外周侧的位置且介于上述隔膜和上述框体之间；以及

金属多孔体，其配置在电极层的表面，而且具有透气性，并且，

上述金属多孔体在其外周形成有伸出到比电极层靠外周侧的位置的伸出部，

在上述框体中形成有埋设上述金属多孔体的伸出部中的至少一部分的埋设部，

在上述隔膜和上述埋设部之间包括用于保持上述金属多孔体的伸出部的保持部件。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的单元结构，其特征在于，

上述保持部件是限制金属多孔体的伸出部的厚度方向上的移位的部件。

3.根据权利要求1所述的燃料电池的单元结构，其特征在于，

上述保持部件是限制金属多孔体的伸出部在面内方向上的移位的部件。

4.根据权利要求2所述的燃料电池的单元结构，其特征在于，

上述保持部件是形成在隔膜的内侧面的突条部。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的燃料电池的单元结构，其特征在于，

上述保持部件是上述密封构件。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池的单元结构，其特征在于，

在上述金属多孔体中，伸出部的孔隙率大于其他部分的孔隙率。

7.根据权利要求5所述的燃料电池的单元结构，其特征在于，

8.一种燃料电池组，其特征在于，

该燃料电池组是层叠权利要求1～7中任一项所述的燃料电池的单元结构而成的。