CN104205453B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，该燃料电池具有在电解质膜(51)的两侧接合有催化剂层(52)、(53)而成的膜电极接合体(50)，并且，为了分别在该膜电极接合体(50)的两侧形成供两种发电用气体流通的气体流通空间(ε)而在该膜电极接合体(50)的两侧配设有一对隔板(70)、(70)，在该燃料电池中，在所述膜电极接合体(50)两侧划分形成的两气体流通空间(ε)、(ε)中的至少一个气体流通空间中配置有弯折成波形形状的导电性多孔质基材(80)，并且，将该气体流通空间(ε)分割成与发电用气体的流通方向基本平行的多个气体流通路径(ε1)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种例如固体高分子型的燃料电池。
背景技术
作为这种以往技术，在专利文献1中公开有名称为“固体高分子型燃料电池”的技术。
专利文献1中公开的固体高分子型燃料电池包括：高分子电解质膜、设在上述高分子电解质膜的一个面的电极催化剂层、具有导电性并且用于隔断发电用气体的隔板、和配置在所述电极催化剂层和所述隔板之间并与该电极催化剂层共同形成电极的电极构件，该电极构件包括：与电极催化剂层直接接触的第1接触部、与上述隔板直接接触的第2接触部、和上述气体流动的气体扩散路径，而且，所述电极构件是由形成有多个开孔、并且弯折成波形形状的具有导电性的板状构件构成的。
专利文献1：WO2010/061703号公报
在所述专利文献1中记载的“固体高分子型燃料电池”中，通过采用具有导电性的多孔质构件材料而能够降低发电用气体的输送阻力，但是在活性区域内，由于发电用气体沿与发电用气体的流动方向交叉的方向流动，导致配流不均。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种燃料电池，该燃料电池能够降低发电用气体的输送阻力，并且，能够对发电用气体向与该发电用气体的流动交叉的方向流动进行限制，能够降低活性区域内的配流不均。
为了解决所述问题，本发明具有在电解质膜的两侧接合有催化剂层而成的膜电极接合体，并且为了分别在该膜电极接合体的两侧形成用于流通两种发电用气体的气体流通空间而在该膜电极接合体的两侧配设有一对隔板，在所述膜电极接合体的两侧划分形成的两气体流通空间中的至少一个气体流通空间中配置有弯折成波形形状的导电性多孔质基材，并且，配置有用于将该气体流通空间分割成与发电用气体的流通方向基本平行的多个气体流通路径的气体流通路径分割构件材料。
在该结构中，在气体流通空间流通的发电用气体通过在气体流通路径流通，从而对发电用气体的与发电用气体的流通方向交叉的流动进行限制，并且不降低配流性。另外，因为配置有弯折成波形形状的导电性多孔质基材，所以能够降低发电用气体的输送阻力。
发明的效果
采用本发明，能够对发电用气体的与该发电用气体的流通方向交叉的流动进行限制，降低活性区域内的配流不均和发电用气体的输送阻力。
附图说明
图1是使用了本发明的第一实施方式的燃料电池的燃料电池堆的立体图。
图2是所述燃料电池堆的分解立体图。
图3(A)是表示本发明的第一实施方式的燃料电池的一个隔板的结构的主视图。图3(B)是表示本发明的第一实施方式的燃料电池的框的结构的主视图。
图4是配设有图3(A)所示的本发明的第一实施方式的燃料电池的一个隔板、图3(B)所示的本发明的第一实施方式的燃料电池的框、另一个隔板、和导电性多孔质基材的燃料电池，是放大表示沿着图3(A)的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图5(A)是表示作为导电性多孔质基材的一例子的金属丝网的被轧制加工之前的状态的说明图，图5(B)是表示金属丝网的被轧制加工之后的状态的说明图。
图6是第二实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图7(A)是表示本发明的第三实施方式的燃料电池的一个隔板的结构的主视图，图7(B)是配设有该燃料电池的隔板、另一个隔板、框和导电性多孔质基材的燃料电池，是相当于沿着如图7(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图8是第四实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图9是第五实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图10是第六实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图11是第七实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图12是第八实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图13是第九实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对用于实施本发明的实施方式进行说明。图1是使用了本发明的第一实施方式的燃料电池的燃料电池堆的立体图，图2是该燃料电池堆的分解立体图。
如图1、2所示，燃料电池堆B是这样形成的：在一对端板20、21之间层叠集电板8、11和多个本发明的第一实施方式的燃料电池A1，并且，为了利用该端板20、21挤压所述燃料电池A1而用紧固板30、32和加强板40、40将该一对端板20、21紧固。
在本实施方式中所示的端板20是合成树脂制的，该端板20形成为具有所需厚度并且在水平方向(发电用气体的流通方向)α上较长的横长方形。
在该端板20的中心形成有用于使集电板8的电极8a向外部突起的电极孔20A。
另外，在所述水平方向α的两侧，与用于供给·排出后述的含氢气体、含氧气体、或者冷却流体的歧管孔60a～60c、歧管孔60d～60f相对地排列形成有阴极流入侧开口20a、冷却水流入侧开口20b和阳极流出侧开口20c、阴极流入侧开口20d、冷却水流出侧开口20e和阳极流出侧开口20f。
在端板20的上边缘20g和下边缘20h处形成有用于安装后面详细说明的紧固板30、30的紧固用卡定片31、31的安装凹部22和安装凹部23。
在端板20的所述水平方向α上的边缘20i、20j处形成有用于安装后面详细说明的加强板40、40的卡定片41、41的安装凹部24、24。
端板21形成为形状和大小与所述端板20的形状和大小相同，在其中心形成有电极孔21A，并且在各边缘形成有与形成于所述端板20的凹部22～24相同的凹部(未图示)。而且，对于与对所述端板20说明的部分相同的部分标注与其相同的附图标记，省略说明。
紧固板30俯视看来形成为横长方形，在边缘30a、30b处向图示下方弯折形成有具有所需长度和恒定宽度的紧固用卡定片31、31。
紧固板32与所述紧固板30相同地形成为横长方形，并且在边缘处，朝向图示上方弯折形成有具有所需长度和恒定宽度的紧固用卡定片31、31。
加强板40用于防止相互层叠的多个燃料电池A1的挠曲，侧视看来形成为横长方形，在图示上下边缘处形成有在该边缘的整个长度上具有恒定宽度的卡定用紧固片41、41。
另外，图1、2中所示的附图标记9是螺栓，附图标记10是隔离件。
图3(A)是表示本发明的第一实施方式的燃料电池的一个隔板的结构的主视图，图3(B)是表示本发明的第一实施方式的燃料电池的框的结构的主视图，图4是配设有图3(A)所示的本发明的第一实施方式的燃料电池的一个隔板、图3(B)所示的本发明的第一实施方式的燃料电池的框、另一个隔板和导电性多孔质基材的燃料电池，是放大表示沿着图3(A)的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。另外，图5(A)是表示作为导电性多孔质基材的一例子的金属丝网的被轧制加工之前的状态的说明图，(B)是表示金属丝网的被轧制加工之后的状态的说明图。
本发明的第一实施方式的燃料电池A1具有如下结构：为了在配设于框60的膜电极接合体50的两侧分别形成供两种发电用气体流通的气体流通空间ε而在配设于框60的膜电极接合体50的两侧配设有一对隔板70、70。
“发电用气体”是指含氢气体和含氧气体。
在本实施方式中，框60是树脂制的框，在从燃料电池A1的层叠方向β(参照图1)观察的主视看来形成为横长方形，并且，形成为基本恒定板厚的框体，在其中央部分配置有膜电极接合体50。
膜电极接合体50也被称为MEA(MembraneElectrodeAssembly)，是层叠例如由固体高分子形成的电解质膜51、例如载铂催化剂等的催化剂层52、53而形成的。
如图3(B)所示，在框60即所述膜电极接合体50的两侧部分形成有用于供给·排出含氢气体、含氧气体、或者冷却流体的歧管孔60a～60c、歧管孔60d～60f。
歧管孔60a～60c分别用于供给含氢气体、排出冷却流体、排出含氧气体。
歧管孔60d～60f分别用于供给含氧气体、供给冷却流体、排出含氢气体。
隔板70、70分别是对不锈钢等金属板进行冲压成形而成的，是与所述框60具有相同形状和相同大小的横长方形，分别在与所述歧管孔60a～60c、60d～60f相对的位置处形成有相同的歧管孔70a～70c、70d～70f。
在该隔板70上，与发电用气体的流通方向(所述水平方向)α基本平行地形成有多个气体流通路径分割构件(下面简称“肋”)71，该多个气体流通路径分割构件71是将与所述膜电极接合体50相对的中央部分加工成凹凸形状而成的。由此将气体流通空间ε分割为与发电用气体的流通方向α基本平行的多个气体流通路径ε1。
所述肋部71的形成间距可以是均一的，也可以是不均一的，另外，只要是发电用气体的分配性容许，应该尽量宽，例如设定为2mm以上为佳。
“活性区域76”是指与膜电极接合体50相对的区域。
在所述隔板70、70的表面侧，从歧管孔70c、70d到活性区域76形成有含氧气体或者含氢气体的流通区域即扩散部75。
在本实施方式中，在膜电极接合体50的两侧划分形成的两气体流通空间ε、ε这两者中均配设有导电性多孔质基材80。
导电性多孔质基材80包括将与气体流通路径ε1相对的部分弯折成波形形状而成的弯折部80a，将弯折部80a收纳配置于各气体流通路径ε1。
在本实施方式中示出在气体流通路径ε1内收纳有两个弯折部80a、80a的例子，但是，不限定于此。
所述导电性多孔质基材80能够采用弯曲(抗拉)强度为10MPa以上的织成或者编成的网、将线材彼此固定而成的网、多孔板、膨胀合金等。
在本实施方式中，如图5(B)所示，利用将图5(A)所示的金属丝网W沿着减小板厚的方向轧制加工而成的金属丝网Wa形成导电性多孔质基材80。
作为金属丝网Wa的压下率，如图5(B)所示那样为50％左右(t/2)为佳，压下率较大为佳。
通过采用被轧制加工后的金属丝网，能够降低构成燃料电池A1的构件的厚度，从而能够降低层叠的燃料电池A1之间的间距。另外，通过加工硬化、密度增加而使金属丝网的强度增大，而且，由于金属丝网Wa的平面度变好，从而能够降低由金属丝网凹凸引起的对膜电极接合体的机械输入、电池表面压力不均。
另外，所述导电性多孔质基材80的弯折部80a的波形加工能够形成为三角波、正弦波、波纹等。
由以上结构构成的燃料电池A1能够得到以下效果。
在发电用气体在气体流通空间ε中流动时，若没有肋部71，则发电用气体由于沿供给用歧管孔与排出用歧管孔之间的最短路径流动，所以发电用气体不能扩散成到整个活性区域内而产生配流不均。但是，利用肋部71，气体流通空间ε被分割成与发电用气体的流通方向α基本平行的多个气体流通路径ε1，所以能够对气体向气体流动交叉方向流动进行限制，能够降低活性区域内的配流不均。
·由于导电性多孔质基材80导致电子移动，所以降低了发电用气体的输送阻力。
·肋部71之间的间距越大，由于流路比率上升，所以能够越增大发电用气体的输送阻力的降低程度。
下面，参照图6、图7，对第二、第三实施方式的燃料电池进行说明。图6是第二实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图，图7(A)是表示本发明的第三实施方式的燃料电池的一个隔板的结构的主视图，图7(B)是配设有该燃料电池的隔板、另一个隔板、框、导电性多孔质基材的燃料电池，是相当于沿着图7(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。另外，在图6、图7中，对于与在所述实施方式中说明的内容相同的部分标注与其相同的附图标记并省略说明。
图6所示的第二实施方式的燃料电池A2的基本结构与所述燃料电池A1相同，但是，代替所述隔板70、70而使用平板形的隔板70A、70A，并且在隔板70A、70A上接合有由导电性构件构成的截面是正方形的气体流通路径分割构件100、100。
在本实施方式中，利用气体流通路径分割构件100、100，在气体流通空间ε内分割形成有气体流通路径ε1。
如图7所示的第三实施方式的燃料电池A3的隔板的结构与所述燃料电池A1不同。
隔板70B、70B与发电用气体的流通方向α基本平行地形成有多个肋部72(气体流通路径分割构件)，该多个肋部72是将与膜电极接合体50相对的中央部分(活性区域76)长孔压花加工成凹凸形状而成的。由此，将气体流通空间ε分割成与发电用气体的流通方向基本平行的多个气体流通路径ε1。
下面，参照图8～图10，对第四～第六实施方式的燃料电池进行说明。图8～图10是第四～第六实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。
图8所示的第四实施方式的燃料电池A4使用所述平板形的隔板70A、70A，并且还使用具有在气体流通空间ε内弯折成波形形状的弯折部80b的导电性多孔质基材80。而且，相当于所述肋部71的部分a的导电性多孔质基材80的开口率小于部分a以外的部分的开口率而构成气体流通路径分割构件。采用该结构，不需要加工出相当于所述肋部71的部分。
另外，也可以对相当于所述肋部71的部分a进行树脂模制。
图9所示的第五实施方式的燃料电池A5使用所述平板形的隔板70A、70A，并且在导电性多孔质基材80、80和隔板70A、70A之间插入有流路分割构件110。
流路分割构件110是由导电性多孔质基材构成的，其开口率小于导电性多孔质基材80的开口率。另外，流路分割构件110在相当于所述肋部71的部分形成有弯折成波形形状的弯折部110a(气体流通路径分割构件)。换言之，将相当于肋部71的部分的开口率减小。
图10所示的第六实施方式的燃料电池A6使用平板形的隔板70A、70A，并且采用使相当于所述肋部71的部分的密度增大了的导电性多孔质基材80、80的弯折部80c。即，弯折部80c相对于弯折部80a而言使波纹延续的方向(γ方向)的长度变短，从而增加了相当于肋部71的部分的导电性多孔质基材的填充量。
下面，参照图11，对第七实施方式的燃料电池进行说明。图11是第七实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。另外，对于与在所述各实施方式中说明的部分相同的部分，标注与其相同的附图标记并省略说明。
第七实施方式的燃料电池A7在配置于两气体流通空间ε、ε的导电性多孔质基材80、80和膜电极接合体50之间分别插入有支承体120、120。
支承体120是由导电性多孔质基材构成的，采用所述图5中说明的金属丝网Wa。
另外，不限定于金属丝网，只要表面被金属覆盖，也可以使用其他非导电性多孔质基材。
作为具体例子，能够举例出金属制的金属丝网、多孔板、冲孔金属、膨胀合金等，以及将对树脂网施加金属镀敷而成的构件。
由于采用所述支承体120，能够取得下面的效果。
·由于波形金属丝网的弯折部80a的接合点的接触面积小，所以由于组装时的表面压力等导致对膜电极接合体50产生较大的局部应力，膜电极接合体50有可能破损，但是由于插入支承体，因此能够使该应力下降。
·采用波形金属丝网时，在电阻相对较大的膜电极接合体50的内部，需要使电子向表面内侧方向移动与最大波间距的一半相对应的距离，但是，由于插入支承体120，能够使电子在支承体表层部、和支承体的内部移动，所以能够降低燃料电池整体的电阻。
参照图12、图13，对第八、第九实施方式的燃料电池进行说明。图12是第八实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图，图13是第九实施方式的燃料电池的相当于沿着所述图3(A)所示的I-I线的截面的一部分的局部放大剖视图。而且，对于与所述实施方式中说明的部分相同的部分标注与其相同的附图标记并省略说明。
第八实施方式的燃料电池A8是分别对导电性多孔质基材80、80的弯折部80a、80a和隔板70、70之间、肋部71、71和导电性多孔质基材80、80之间分别进行例如电阻焊接、点焊而相固定而成的燃料电池。附图中，焊接的部分用“b”表示。
在本实施方式中，将用于缓和从支承体120施加于所述膜电极接合体的应力的中间层130插入于在所述支承体120和膜电极接合体50之间。
作为中间层130，例如是碳材料等的MPL(微孔层)那样的保护层。由于设有这样的中间层(保护层)，从而在支承体是金属丝网等的情况下，能够起到缓冲材料的作用，该缓冲材料用于防止如下情况：由于编织线材等导致表面的凹凸较大而表面的凹凸咬入催化剂层、膜电极接合体，从而使催化剂层、膜电极接合体破损。
第九实施方式的燃料电池A9，是分别对导电性多孔质基材80、80的弯折部80a、80a和隔板70、70之间、肋部71、71和导电性多孔质基材80、80之间进行焊接而相固定、并且也分别对该导电性多孔质基材80、80和支承体120、120之间进行焊接而相固定所形成的结构。附图中，焊接的部分用“c”表示。
采用所述燃料电池A8、A9，能够取得下面的效果。
·由于使接合点一体化，所以能够降低电阻。
·特别是在导电性多孔质基材与隔板热接合的过程中，由于是在两个部件重叠的状态下施加载荷来进行焊接的工序，所以能够减小波形金属丝网的厚度、降低平面度不均。这是为了矫正刚性较高的隔板的肋部71的高度。
·以上进行了详细说明，但是无论是哪种结构，在所述各实施方式中说明的各结构都不限定于只适用于上述各实施方式，一个实施方式中说明的结构能够适用或者应用于其他实施方式，而且，能够将它们任意组合。
附图标记翻译
50膜电极接合体
51电解质膜
52、53催化剂层
70隔板
71气体流通路径分割构件
80导电性多孔质基材
120支承体
ε气体流通空间
ε1气体流通路径

Claims (9)

1.一种燃料电池，该燃料电池具有在电解质膜的两侧接合有催化剂层而成的膜电极接合体，并且，为了分别在该膜电极接合体的两侧形成供两种发电用气体流通的气体流通空间而在该膜电极接合体的两侧配设有一对隔板，其特征在于，
在所述膜电极接合体的两侧划分形成的两气体流通空间中的至少一个气体流通空间中配置有弯折成波形形状的导电性多孔质基材，而且，配置有用于将该气体流通空间分割成与发电用气体的流通方向基本平行的多个气体流通路径的气体流通路径分割构件，并且
所述导电性多孔质基材的弯折部位配置在所述气体流通路径内。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
气体流通路径分割构件是将隔板加工成凹凸形状而形成的。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
将由导电性多孔质基材构成的支承体配置在所述导电性多孔质基材和所述膜电极接合体之间。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，
将由导电性多孔质基材构成的支承体配置在所述导电性多孔质基材和所述膜电极接合体之间。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于，
将支承体分别配设在两气体流通空间中。
6.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于，
所述导电性多孔质基材和所述支承体是金属制的或者表面被金属覆盖。
7.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于，
所述导电性多孔质基材和所述支承体是利用被向减小板厚的方向轧制加工后的金属丝网而形成的。
8.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于，
所述导电性多孔质基材被固定于支承体或者隔板，或者支承体和隔板这两者。
9.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于，
在所述支承体和所述膜电极接合体之间配置有用于缓和支承体向膜电极接合体施加的应力的中间层。
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