CN105470538B - 燃料电池和燃料电池的制造方法 - Google Patents

燃料电池和燃料电池的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105470538B
CN105470538B CN201510613477.1A CN201510613477A CN105470538B CN 105470538 B CN105470538 B CN 105470538B CN 201510613477 A CN201510613477 A CN 201510613477A CN 105470538 B CN105470538 B CN 105470538B
Authority
CN
China
Prior art keywords
region
porous member
sealing plate
hydrophily
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510613477.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105470538A (zh
Inventor
芳住知勇
近藤考司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN105470538A publication Critical patent/CN105470538A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105470538B publication Critical patent/CN105470538B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及燃料电池和燃料电池的制造方法。燃料电池包括：膜电极组件(110)；多孔部件(170)，该多孔部件被布置在膜电极组件的阴极侧上并且具有第一表面(171)、第二表面(172)和端表面部分(173)，端表面部分位于第一表面的端侧部分(171UE)和第二表面的端侧部分(172UE)之间；沿着第一表面的端侧部分布置的密封板(180)；和被布置在第二表面上的隔板(150)。多孔部件将氧化剂气体通过第一表面供应到膜电极组件，并且经由端表面部分将氧化剂废气排到燃料电池的排出部分(325)。第一表面具有面对密封板并且位于密封板和第二区域之间的第一区域(171UA)，第二表面具有第二区域(172UA)。第一区域的亲水性不同于第二区域的亲水性。

Description

燃料电池和燃料电池的制造方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池和一种燃料电池的制造方法。
背景技术
日本专利申请公报No.2012-123949(JP2012-123949A)描述了一种燃料电池，该燃料电池包括：多孔部件，该多孔部件形成用于将氧化剂气体供应到膜电极组件的流路；密封板，该密封板被布置在多孔部件的一个表面上；和隔板，该隔板被布置在多孔部件的另一个表面上。该燃料电池经由由多孔部件形成的流路向燃料电池外侧排出由于发电而产生的水。
然而，在由多孔部件形成的流路中，由于所产生的水附着到密封板和隔板这两者，所以水可能滞留于多孔部件的夹在密封板和隔板之间的一部分中。当水滞留于该部分中时，由于经由该部分排出的氧化剂废气的压力损失，发电性能可能降低。
发明内容
可以通过下述的形式实现本发明。
本发明的一个方面涉及一种燃料电池。该燃料电池包括：膜电极组件；多孔部件，该多孔部件具有第一表面、第二表面和端表面部分，第一表面和第二表面位于多孔部件的相反侧上，第一表面被布置在膜电极组件的阴极侧上，端表面部分位于第一表面的端侧部分和第二表面的端侧部分之间；密封板，该密封板沿着第一表面的端侧部分布置；和隔板，该隔板被布置在第二表面上，其中多孔部件被构造成将氧化剂气体通过第一表面供应到膜电极组件，并且经由端表面部分将氧化剂废气排到燃料电池的排出部分；并且第一表面具有面对密封板的第一区域，第二表面具有第二区域，第一区域位于密封板和第二区域之间，并且第一区域的亲水性不同于第二区域的亲水性。根据该结构，通过发电产生的水沿着具有较高亲水性的任一侧，即，第一表面侧或者第二表面侧流动，并且氧化剂废气在多孔部件的夹在密封板和隔板之间的部分处在另一侧上流动。结果，通过发电产生的水较不可能阻塞多孔部件的内部，并且经由多孔部件的内部排出的氧化剂废气的压力损失的增加能够受到抑制。
本发明的另一个方面也涉及一种燃料电池。该燃料电池包括：膜电极组件；多孔部件，该多孔部件具有第一表面、第二表面和端表面部分，第一表面和第二表面位于多孔部件的相反侧上，第一表面被布置在膜电极组件的阴极侧上，端表面部分位于第一表面的端侧部分和第二表面的端侧部分之间；密封板，该密封板沿着第一表面的端侧部分布置；和隔板，该隔板被布置在第二表面上，其中多孔部件被构造成将氧化剂气体通过第一表面供应到膜电极组件，并且经由端表面部分将氧化剂废气排到燃料电池的排出部分；并且密封板具有面对多孔部件的第三区域，隔板具有经多孔部件与密封板的第三区域相对的第四区域，并且第三区域的亲水性不同于第四区域的亲水性。根据该结构，通过发电产生的水沿着具有较高亲水性的任一侧，即，密封板侧或者隔板侧流动，并且氧化剂废气在多孔部件的夹在密封板和隔板之间的部分处在另一侧上流动。结果，通过发电产生的水较不可能阻断流路，并且经由该条流路排出的氧化剂废气的压力损失的增加能够受到抑制。
本发明的另一个方面也涉及一种燃料电池。该燃料电池包括：膜电极组件；多孔部件，该多孔部件具有第一表面、第二表面和端表面部分，第一表面和第二表面位于多孔部件的相反侧上，第一表面被布置在膜电极组件的阴极侧上，端表面部分位于第一表面的端侧部分和第二表面的端侧部分之间；密封板，该密封板沿着第一表面的端侧部分布置；和隔板，该隔板被布置在第二表面上，其中多孔部件被构造成将氧化剂气体通过第一表面供应到膜电极组件，并且经由端表面部分将氧化剂废气排到燃料电池的排出部分；并且密封板具有面对多孔部件的第三区域，第三区域包括经过亲水性处理的第五区域，隔板具有经多孔部件与密封板的第三区域相对的第四区域，第四区域包括经过亲水性处理的第六区域，并且第五区域的面积不同于第六区域的面积。根据该结构，在由多孔部件形成的流路中，大体上通过发电产生的水沿着密封板侧和隔板侧中的经亲水性处理的面积较大的一侧流动，并且大体上氧化剂废气在另一侧上流动。结果，通过发电产生的水较不可能阻断流路，并且经由该条流路排出的氧化剂废气的压力损失的增加能够受到抑制。
本发明的另一个方面涉及一种燃料电池的制造方法。该制造方法包括：通过沿着多孔部件的第一表面的端侧部分布置密封板，来形成多孔部件和密封板的组件；在整个组件上执行亲水性处理；以及在已经执行了亲水性处理的组件上，在第一表面的端侧部分面对用于排出氧化剂废气的排出部分的同时，将膜电极组件布置在多孔部件的第一表面上，并且将隔板布置在第二表面上，第一表面和第二表面为多孔部件的相反侧面。根据该结构，当执行亲水性处理时，多孔部件的第一表面的面对密封板的第一区域被掩蔽。因此，第二区域的亲水性能够高于第一区域的亲水性。使用已经执行了该亲水性处理的多孔部件形成燃料电池使得经由该多孔部件的内部排出的氧化剂废气的压力损失的增加能够受到抑制。
本发明可以以各种形式实现。例如，本发明可以以用于排出在燃料电池中产生的水的方法、在燃料电池中使用的多孔部件及其制造方法的形式来实现。
附图说明
将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中类似的数字表示类似的元件，并且其中：
图1是概略地示出根据本发明一个示例性实施例的燃料电池的透视图；
图2是燃料电池的单体电池的分解透视图；
图3是膜电极和气体扩散层组件的结构的解释性视图；
图4是从Z方向观察到的多孔部件和框架部件的解释性视图；
图5是靠近单体电池的氧化剂废气歧管的区域的截面视图；
图6是示意多孔部件的结构的解释性视图；
图7A是布置有密封板的多孔部件的平面视图；
图7B是示意沿着图7A中的A-A截取的截面的截面视图；
图8是示意发电时氧化剂气体流路内部的状态的解释性视图；
图9是示意根据对照实例的燃料电池的单体电池内部的状态的解释性视图；
图10是比较在示例性实施例和对照实例中的氧化剂废气的压力损失的视图；
图11是示意根据本发明第二示例性实施例的燃料电池的单体电池的视图；
图12是示意根据第二示例性实施例的变型实例的燃料电池的单体电池的视图；
图13是示意阴极侧隔板的第六区域的平面视图；并且
图14是示意根据变型实例的燃料电池的单体电池的视图。
具体实施方式
在下文中，将描述本发明的第一示例性实施例。
图1是概略地示出根据第一示例性实施例的燃料电池10的结构的透视图。燃料电池10具有堆叠结构，在该堆叠结构中，燃料电池10的多个单体电池100在Z方向(在下文中还称作“堆叠方向”)上堆叠在一起并且被夹在一对端板230和240之间。在燃料电池10中，绝缘板220和端子板200被布置在前端侧上的端板230和单体电池100之间，并且绝缘板250和端子板210被布置在后端侧上的端板240和单体电池100之间。端子板200和210是用于收集由单体电池100产生的电力的集电器板，并且向外部装置输出从未示出的端子收集的电力。单体电池100、端子板200和210、绝缘板220和250以及端板230和240每一个均具有大致具有矩形外形的板结构，并且被布置成使得每个板的长侧在X方向(水平方向)上延伸，并且每个板的短侧在Y方向(竖直或者垂直方向)上延伸。
端板230、绝缘板220、端子板200和单体电池100每一个均具有用作供应和排出孔的多个开口。该开口全部连通在一起，以形成歧管310、315、320、325、330和335。歧管310用于将氧化剂气体供应到单体电池100。在下面，歧管310还可以称作“氧化剂气体供应歧管310”。歧管315用于排出从单体电池100排出的氧化剂废气。在下文中，歧管315还可以称作“氧化剂废气排出歧管315”。在下面，歧管320、325、330和335还可以分别被称作“燃料气体供应歧管320”、“燃料废气排出歧管325”、“冷却剂供应歧管330”和“冷却剂排出歧管335”，从而与其作用对应。该示例性实施例的燃料电池10将反应气体(即，燃料气体和氧化剂气体)和冷却剂经由供应歧管310、320和330从前端侧上的端板230供应到每个单体电池100。而且，燃料电池10将来自单体电池100的废气和废水经由排出歧管315、325和335从前端侧上的端板230排出燃料电池10。排出歧管325也可被视为本发明的排出部分。然而，示例性实施例的燃料电池10不限于这种结构。例如，还可将燃料电池10构造成使得从前端侧上的端板230供应反应气体和冷却剂，并且从后端侧上的端板240将废气和废水排出燃料电池10。
在该示例性实施例中，氧化剂气体供应歧管310在X方向(长侧方向)上布置在燃料电池10的下端的外边缘部分上，并且氧化剂气体排出歧管315在X方向上布置在上端的外边缘部分中。燃料气体供应歧管320被布置在燃料电池10的右端上的外边缘部分的在Y方向(短侧方向)上的上端部上，并且燃料气体排出歧管325被布置在左端上的外边缘部分的在Y方向上的下端部中。冷却剂供应歧管330在Y方向上布置在燃料气体供应歧管320下方，并且冷却剂排出歧管335在Y方向上布置在燃料气体排出歧管325上方。
图2是一个单体电池100的分解透视图。单体电池100包括膜电极和气体扩散层组件(MEGA)110、框架部件140、阴极侧隔板150、阳极侧隔板160和多孔部件170。MEGA 110是具有矩形外形的发电体。该MEGA 110的结构将在以后描述。
框架部件140沿着MEGA 110的外周边布置，并且由具有密封特性和绝缘性质的树脂或者橡胶等制成。框架部件140在中央具有与MEGA 110的外形匹配的矩形发电区域窗141。未示出的阶形部分在该发电区域窗141的周缘上形成。通过装配到该阶形部分上，MEGA110装配到发电区域窗中。在框架部件140的阶形部分处，装配在发电区域窗141中的MEGA110在Z方向上与框架部件140重叠。MEGA 110的通过发电区域窗141暴露的区域是接收从阳极侧隔板160供应的燃料气体的发电区域111。框架部件140具有设置在发电区域窗141周围的区域中的燃料气体供应孔142和燃料废气排出孔143，多个氧化剂气体供应孔144和氧化剂废气排出孔145，以及冷却剂供应孔146和冷却剂排出孔147，作为形成上述歧管的供应和排出孔。燃料气体供应孔142形成燃料气体供应歧管320的一部分，并且燃料废气排出孔143形成燃料废气排出歧管325的一部分。氧化剂气体供应孔144形成氧化剂气体供应歧管310的一部分，并且氧化剂废气排出孔145形成氧化剂废气排出歧管315的一部分。冷却剂供应孔146形成冷却剂供应歧管330的一部分，并且冷却剂排出孔147形成冷却剂排出歧管335的一部分。框架部件140被布置在阳极侧隔板160和阴极侧隔板150之间，并且密封面对MEGA110的气体流路以及供应孔和排出孔，以防止氧化剂气体、燃料气体和冷却剂泄漏。
阴极侧隔板150和阳极侧隔板160每一个均由具有阻气性和电子传导性质的矩形部件形成。例如，阳极侧隔板160和阴极侧分离器130由碳颗粒已经被压缩至碳不透气的程度的高密度碳的碳部件等或者不锈钢或钛的金属部件等形成。在该示例性实施例中，通过挤压成型不锈钢来制成阴极侧隔板150。
阴极侧隔板150具有大致平板形状，其中央部面对多孔部件170并且外周边部分面对框架部件140。阴极侧隔板150包括燃料气体供应孔152和燃料废气排出孔153、多个氧化剂气体供应孔154和氧化剂废气排出孔155以及多个冷却剂供应孔156和冷却剂排出孔157。
阳极侧隔板160被布置成使其中央部面对MEGA 110的阳极侧并且外周边部分面对框架部件140。阳极侧隔板160具有在靠近MEGA110一侧上的表面上的具有多个凹槽状线的形式的燃料气体流路，和在相对侧上的表面上的具有多个凹槽状线的形式的冷却剂流路。阳极侧隔板160包括燃料气体供应孔162和燃料气体排出孔163，多个氧化剂气体供应孔164和氧化剂气体排出孔165，以及多个冷却剂供应孔166和冷却剂排出孔167，作为形成上述歧管的供应孔和排出孔。
多孔部件170由具有传导性和气体扩散性的矩形多孔部件诸如金属多孔体(例如，可膨胀金属)形成。多孔部件170是如下部件，该部件形成用于将氧化剂气体供应到MEGA110并将氧化剂废气排到氧化剂废气排出歧管315的氧化剂气体流路。多孔部件170位于MEGA110的阴极侧和阴极侧隔板150之间。多孔部件170包括面对MEGA 110的阴极侧的第一表面171，和在与第一表面171相反的一侧上形成并且面对阴极侧隔板150的第二表面172。密封板180和181被分别布置在多孔部件170的第一表面171的在图2中的竖直方向上的端侧部分上。
密封板180和181由具有长矩形板形状的金属等的不透气部件形成。密封板180和181是用于当制造框架部件140时防止形成框架部件140的树脂或者橡胶流入多孔部件170中的部件，并且该密封板180和181被布置在多孔部件170和框架部件140之间。
图3是膜电极和气体扩散层组件110(MEGA 110)的结构的解释性视图。MEGA 110包括电解质膜112、阴极侧催化剂层114、阳极侧催化剂层116、阴极侧气体扩散层118和阳极侧气体扩散层120。电解质膜112是具有质子传导性的电解质膜，并且例如由氟电解质树脂(离子交换树脂)诸如全氟化碳磺酸聚合物制成。MEGA 110可以被视为本发明的膜电极组件。
阴极侧催化剂层114和阳极侧催化剂层116包括承载催化剂(例如，铂)的碳，并且被分别布置在电解质膜112的一侧上。阴极侧气体扩散层118被布置在阴极侧催化剂层114上。阳极侧分离器120被布置在阳极侧催化剂层116上。阴极侧气体扩散层118和阳极侧气体扩散层120由碳纸或者碳无纺织物制成。
图4是从Z方向观察到的框架部件140和布置有密封板180和181的多孔部件170的解释性视图。在图4中，示出MEGA 110(图2)未被联结到框架部件140的发电区域窗141。另外，多孔部件170和密封板180和181的位于框架部件140的后表面侧上的部分由虚线示意。密封板180被布置在多孔部件170的一侧上的端部170UE上。多孔部件170被布置成使得上侧上的端部170UE遵循氧化剂废气排出歧管315的下侧上的端侧。而且，多孔部件170被布置成使得端部170LE遵循氧化剂气体供应歧管310的上侧上的端侧。密封板181被布置在多孔部件170的下侧上的端部170LE上。多孔部件170从布置密封板181的下侧上的端部170LE在多孔部件170的表面方向(XY平面方向)上引导从氧化剂气体供应歧管310供应的氧化剂气体Ga，并且经由第一表面171将其(氧化剂气体Ga)供应到MEGA 110。而且，多孔部件170经由布置有密封板180的上侧上的端部170UE将从MEGA 110排出的氧化剂废气Gex排到氧化剂废气排出歧管315。
图5是单体电池100的氧化剂废气排出歧管315附近的区域的截面视图。在每个单体电池100中，氧化剂气体流路131由在阴极侧隔板150和密封板180之间以及在阴极侧隔板150和框架部件140之间的多孔部件170形成。阴极侧隔板150的一个表面面对多孔部件170，并且阴极侧隔板150的另一个表面面对另一个相邻的单体电池100的阳极侧隔板160。冷却剂流路134形成在一个单体电池100的阴极侧隔板150和另一个单体电池100的相邻的阳极侧隔板160之间。同时，燃料气体流路132形成在阳极侧隔板160和MEGA 110之间。
第一表面171的上侧上的端侧部分171UE、第二表面172的上侧上的端侧部分172U以及位于端侧部分171UE和端侧部分173UE之间的端表面部分173形成在多孔部件170的上侧上的端部170UE上。端表面部分173面对氧化剂废气排出歧管315。多孔部件170的上侧上的端部170UE与密封板180和阴极侧隔板150的上侧上的端部一起突出到氧化剂废气排出歧管315中。从MEGA 110排出的氧化剂废气在多孔部件170内部流动并且经由端表面部分173排到氧化剂废气排出歧管315。
密封板180沿着多孔部件170的第一表面171的端侧部分171UE布置，并且面对框架部件140。类似地，布置在多孔部件170的下侧上的端部170LE(图4)上的密封板181沿着多孔部件170的第一表面171的下侧上的未示出的端侧部分布置，并且面对框架部件140。
图6是示意多孔部件170的结构的解释性视图。在图6中，为了示意的意图，与多孔部件170分离地示出密封板180、阴极侧隔板150和框架部件140。在以下说明中，多孔部件170的第一表面171的面对密封板180的区域还将被称作“第一区域171UA”，并且第二表面172在与第一表面171的第一区域171UA相对的一侧上的区域还将被称作“第二区域172UA”。单体电池100被构造成使得第一表面171的第一区域171UA和第二表面172的第二区域172UA具有不同的亲水性。在该示例性实施例中，第二表面172的第二区域172UA具有比第一表面171的第一区域171UA高的亲水性。在本说明书中，区域的亲水性指的是区域中的亲水性的平均值。而且，高亲水性意味着接触角度是小的。此时，在两个比较区域的接触角度中，接触角度之一或这两者可以超过90°。即，在本说明书中广义地使用的术语“亲水性”还包括接触角度超过90°的情形。狭义的“亲水性”意味着接触角度小于90°。
图7是示意用于使得第二区域172UA的亲水性高于多孔部件170的第一区域171UA的亲水性的方法的一个实例的解释性视图。图7A是设置了密封板180和181的多孔部件170的平面视图，并且图7B是沿着图7A的线A-A截取的截面的实例的截面视图。首先，如在图7A中所示，制备多孔部件170和密封板180，并且密封板180沿着多孔部件170的第一表面171的上侧上的端侧部分171UE布置。在该示例性实施例中，密封板181还被布置在下侧上的端侧部分171LE上。然后，如在图7B中所示，在设置有密封板180的整个多孔部件170上执行亲水性处理。亲水性处理的某些实例是紫外线照射处理、珩磨处理、等离子体处理、物理表面粗糙化处理、应用亲水剂以及用于形成小突起的处理，但是亲水性处理的方法不限于这些。在多孔部件170中，不在被密封板180掩蔽的第一表面171的第一区域171UA上执行亲水性处理，而是在第二表面172的第二区域172UA上执行亲水性处理。因此，能够使得第二区域172UA的亲水性高于多孔部件170的第一区域171UA的亲水性。
图8是示意发电时氧化剂气体流路131内部的状态的解释性视图。在该示例性实施例中的单体电池100被构造成使得至少在氧化剂气体流路131被夹在密封板180和阴极侧隔板150之间的部分处，多孔部件170的第二表面172具有比第一表面171高的亲水性。因此，在氧化剂气体流路131的该部分处，通过发电产生的水Wa能够沿着多孔部件170的第二表面172流动。结果，氧化剂废气Gex能够被沿着多孔部件170的第一表面171引导，并且被排到氧化剂废气排出歧管315。
图9是示意发电时对照实例的单体电池100C内部的状态的解释性视图。对照实例的单体电池100C仅在多孔部件170C的结构方面不同于示例性实施例中的单体电池100。在对照实例中不在多孔部件170C上执行亲水性处理，从而第一表面171C和第二表面172C的亲水性基本相同。关于对照实例的单体电池100C，水Wa至少在夹在密封板180和阴极侧隔板150之间的部分处沿着多孔部件170C的第一表面171C侧和第二表面172C侧这两侧流动。当水Wa沿着多孔部件170C的两侧流动时，如在图9中所示，水Wa可能阻断氧化剂气体流路131。当氧化剂气体流路131被水Wa阻断时，当氧化剂废气Gex被排到氧化剂废气排出歧管315时的压力损失增加，从而发电性能降低。
图10是比较示例性实施例的单体电池100中的氧化剂废气的压力损失和对照实例的单体电池100C中的氧化剂废气的压力损失的视图。单体电池的压力损失是在化学计量比为2.0，电流密度为1.5A/cm2，并且阴极输入气体温度为20℃的条件下比较的。结果示出，与对照实例的单体电池100C的4.0kPa的压力损失相比较，示例性实施例的单体电池100的压力损失为3.5kPa。由此，显然示例性实施例的结构减小了氧化剂气体流路131中的氧化剂废气Gex的压力损失。
关于根据上述第一示例性实施例的燃料电池10，能够抑制经由多孔部件170的内部排出的氧化剂废气Gex的压力损失的增加。更具体地，在多孔部件170的夹在密封板180和阴极侧隔板150之间的部分处，通过发电产生的水Wa能够沿着第一表面171侧或者第二表面172侧中的具有相对较高的亲水性的任一侧流动，并且氧化剂废气Gex能够沿着另一侧流动。结果，通过发电产生的水Wa较不可能阻断多孔部件170的内部，从而经由多孔部件170的内部排出的氧化剂废气Gex的压力损失的增加以及该增加引起的发电性能的降低能够受到抑制。
接着，将描述本发明的第二示例性实施例。
图11是示意根据第二示例性实施例的燃料电池的单体电池100S的视图。在图11中，为了示意的意图，与孔部件170S分离地示出密封板180S、阴极侧隔板150S和框架部件140。在第二示例性实施例的单体电池100S中，执行了亲水性处理的部件不同于在第一示例性实施例的单体电池100中的部件。在以下说明中，密封板180S的面对多孔部件170S的区域还可以被称作“第三区域180FA”，并且阴极侧隔板150S的在多孔部件170S的与密封板180S的第三区域180FA相对的一侧上的区域还可以被称作“第四区域150FA”。
第二示例性实施例的单体电池100S被构造成使得密封板180S的第三区域180FA和阴极侧隔板150S的第四区域150FA具有不同的亲水性。在该示例性实施例中，阴极侧隔板150S的第四区域150FA具有比密封板180S的第三区域180FA高的亲水性。不在多孔部件170S上执行亲水性处理，从而第一表面171S和第二表面172S的亲水性大致相同。
同样利用这种结构，经由多孔部件170S的内部排出的氧化剂废气Gex的压力损失的增加能够受到抑制。更具体地，在氧化剂气体流路中，通过发电产生的水能够沿着具有相对较高的亲水性的任一侧，即，密封板180S侧或者阴极侧隔板150S侧流动，并且氧化剂废气Gex能够沿着另一侧流动。结果，通过发电产生的水Wa较不可能阻断流路，从而经由该条流路排出的氧化剂废气Gex的压力损失的增加以及该增加引起的发电性能的降低能够受到抑制。
多孔部件170S被构造成使得在第一表面171S和第二表面172S中，面对带有相对高的亲水性的表面的表面具有比另一个表面高的亲水性。更具体地，如果阴极侧隔板150S的第四区域150FA具有比密封板180S的第三区域180FA高的亲水性，则多孔部件170S的第二表面172S可以具有比第一表面171S高的亲水性。在该情形中，通过发电产生的水Wa更加稳定地在一侧上流动，即，在阴极侧隔板150S和多孔部件170S的第二表面172S之间流动。结果，水Wa较不可能阻塞多孔部件170S的内部，这是更优选的。
图12是根据第二示例性实施例的变型实例的燃料电池的单体电池100S1和100S2的视图。在图12中，仅仅示出了密封板180S和阴极侧隔板150S的末端部分。省略了多孔部件170、框架部件140和阳极侧隔板160。除了上述对照实例的单体电池100C和第二示例性实施例的单体电池100S，还在图12中示出了根据第二示例性实施例的第一变型实例的燃料电池的单体电池100S1，和根据第二示例性实施例的第二变型实例的燃料电池的单体电池100S2。
在第一变型实例的单体电池100S1中，在阴极侧隔板150S的第四区域150FA的一部分上执行亲水性处理。因此，阴极侧隔板150S的第四区域150FA包括两个区域，即，已经经过亲水性处理的区域，和未经过亲水性处理的区域。密封板180S的第三区域180FA不经过亲水性处理。
在第二变型实例的单体电池100S2中，在密封板180S的第三区域180FA的一部分上，并且在阴极侧隔板150S的第四区域150FA的一部分上执行亲水性处理。因此，第三区域180FA和第四区域150FA这两者均包括两个区域，即，已经经过亲水性处理的区域，和尚未经过亲水性处理的区域。第四区域150FA的已经经过亲水性处理的区域比第三区域180FA的已经亲水性处理的区域宽。这些区域的亲水性是大致相同的。关于第一和第二变型实例的单体电池100S1和100S2，多孔部件不经过亲水性处理，从而这两个表面的亲水性是大致相同的。这里，密封板180S的第三区域180FA的经过亲水性处理的区域还可以被称作“第五区域180FAP”。而且，阴极侧隔板150S的第四区域150FA的经过亲水性处理的区域还可以称作“第六区域150FAP”。不经过亲水性处理的区域还可以被称作“未处理区域NP”。
图13是示意在第一变型实例中的阴极侧隔板150S的第六区域150FAP和未处理区域NP的平面视图。在图13中的变型实例(a)到(f)中示出了阴极侧隔板150S的第四区域150FA，并且绘制有图13的纸张的上侧面对氧化剂废气排出歧管315。如在图13中由变型实例(a)所示意地，第六区域150FAP可以由多个矩形区域形成，并且这些区域可以与具有矩形形状的未处理区域NP交替地布置。第六区域150FAP优选地接触阴极侧隔板150S的上侧上的端侧。在该情形中，沿着第六区域150FAP流动的水Wa能够被容易地排到氧化剂废气排出歧管315。而且，如在图13中由变型实例(b)所示意地，第六区域150FAP可以由多个弯曲区域形成。而且，如在图13中由变型实例(c)所示意地，第六区域150FAP可以由朝向氧化剂废气排出歧管315宽度变窄的多个大致三角形区域形成。而且，相反，如在图13中由变型实例(d)所示意地，形成第六区域150FAP的多个区域中的每个区域的宽度可以朝向氧化剂废气排出歧管315变宽。而且，形成第六区域150FAP的该多个区域中的每个区域的宽度与未处理区域NP中的每个区域的宽度的比率可以任意地设定。例如，如在图13中由变型实例(e)和(f)所示意地，形成第六区域150FAP的该多个区域中的每个区域的宽度可以比在图13中的变型实例(c)和(d)中宽度的相对地宽。图13中的变型实例(a)到(f)示意了第六区域150FAP的形状，但是第六区域150FAP的形状不限于此。
根据第一和第二变型实例的单体电池100S 1和100S2被构造成使得密封板180S的第三区域180FA中的经过亲水性处理的第五区域180FAP的面积AS不同于阴极侧隔板150S的第四区域150FA中的经过亲水性处理的第六区域150FAP的面积AC。这里，作为它的一个实例，密封板180S的第五区域180FAP的面积AS被形成为大于阴极侧隔板150S的第六区域150FAP的面积AC。
例如，关于第一变型实例的单体电池100S 1，阴极侧隔板150S的第四区域150FA被部分地亲水性处理，而密封板180S的第三区域180FA不经过亲水性处理。因此，密封板180S的第五区域180FAP的面积AS为0，而阴极侧隔板150S的第六区域150FAP的面积AC大于0。因此，面积AC大于面积AS。关于第二变型实例的单体电池100S2，第四区域150FA的经过亲水性处理的面积大于第三区域180FA的经过亲水性处理的面积，从而面积AC大于面积AS。
同样关于上述结构，经由在阴极侧隔板150S和密封板180S之间形成的流路排出的氧化剂废气Gex的压力损失的增加能够受到抑制。更具体地，在氧化剂气体流路中，大体上水Wa能够沿着密封板180S和阴极侧隔板150S中的亲水性处理区域的面积大的一侧流动，并且大体上氧化剂废气Gex能够在另一侧上流动。结果，通过发电产生的水Wa较不可能阻断流路，并且经由该条流路排出的氧化剂废气Gex的压力损失的增加，以及由该增加引起的发电性能的降低，能够受到抑制。
本发明不限于上述示例性实施例及其变型实例，而是可以在不偏离其范围的情况下以各种模式中的任何一种实施。例如，以下描述的变型也是可能的。
在下文中，将描述本发明的示例性实施例的一个变型实例。
图14是示意根据变型实例的燃料电池的单体电池的视图。在第一示例性实施例中，多孔部件170的第二表面172的第二区域172UA具有比第一表面171的第一区域171UA高的亲水性。然而，亲水性处理还可以应用于第一表面171的第一区域171UA，使得第一表面171的第一区域171UA具有比第二表面172的第二区域172UA高的亲水性。同样在该情形中，水Wa能够在第一表面171的亲水性相对高的一侧上流动，并且氧化剂废气Gex能够在第二表面172一侧上流动。
在第一示例性实施例中，仅仅在多孔部件170的第一区域171UA和第二区域172UA之一上执行亲水性处理，但是亲水性处理还可以应用于这两个区域，其中在这些区域之间亲水性程度是不同的。同样在该情形中，在这些区域171UA和172UA中，能够使得水Wa在亲水性相对高的一侧上流动，并且能够使得氧化剂废气Gex在另一侧上流动。
而且，在第二示例性实施例中，同样关于密封板180S的第三区域180FA和阴极侧隔板150S的第四区域150FA，亲水性处理可以应用于这两者，其中在这些区域之间亲水性程度是不同的。
在第一示例性实施例中，将亲水性施加到多孔部件170的第一区域171UA和第二区域172UA之一，但是还可以将斥水性处理应用于第一区域171UA和第二区域172UA中的任一个。可以在这些区域171UA和172UA的亲水性程度中，即，在接触角度程度中提供差异。斥水性处理的实例包括施加树脂、涂覆，和镜面加工等。
而且，在第二示例性实施例中，可以通过斥水性处理在密封板180S的第三区域180FA和阴极侧隔板150S的第四区域150FA之间形成亲水性程度的差异。而且，在第二示例性实施例的第一和第二变型实例中，可以在密封板180S的第三区域180FA和阴极侧隔板150S的第四区域150FA上部分地执行斥水性处理，并且不执行斥水性处理的区域可以是第五区域180FAP和第六区域150FAP。
在第一示例性实施例中，在多孔部件170的第一区域171UA和第二区域172UA中，将亲水性处理施加到一个整体区域，但是还可以部分地执行亲水性处理(即，在特定的部分处执行)。同样在该情形中，能够使得水Wa经由不经过亲水性处理的部分流动，从而能够使得氧化剂废气Gex在另一侧上流动。当部分地执行亲水性处理时，经过亲水性处理的区域优选地接触端侧部分171UE或者端侧部分172UE。更优选地，整个区域均经过亲水性处理。对于整个区域进行亲水性处理使得水Wa能够稳定地在一侧上流动。
第一示例性实施例的单体电池100的结构和第二示例性实施例的单体电池100S的结构还可以适当地组合。例如，第一示例性实施例的多孔部件170可以在第二示例性实施例的单体电池100S中使用。而且，类似于在第二示例性实施例的第二变型实例中的密封板180S的第三区域180FA和阴极侧隔板150S的第四区域150FA地，多孔部件170的第一区域171UA和第二区域172UA可以被部分地亲水性处理。

Claims (3)

1.一种燃料电池(10)，其特征在于包括：
膜电极组件(110)；
多孔部件(170)，所述多孔部件(170)具有第一表面(171)、第二表面(172)和端表面部分(173)，所述第一表面和所述第二表面位于所述多孔部件的相反侧上，所述第一表面被布置在所述膜电极组件的阴极侧上，所述端表面部分位于所述第一表面的端侧部分(171UE)和所述第二表面的端侧部分(172UE)之间；
密封板(180)，所述密封板(180)沿着所述第一表面的所述端侧部分布置；和
隔板(150)，所述隔板(150)被布置在所述第二表面上，其中所述多孔部件被构造成将氧化剂气体通过所述第一表面供应到所述膜电极组件，并且经由所述端表面部分将氧化剂废气排到所述燃料电池的排出部分(325)；并且
所述密封板具有面对所述多孔部件的第三区域(180FA)，所述隔板具有经所述多孔部件与所述密封板的所述第三区域相对的第四区域(150FA)，并且在所述第三区域或所述第四区域上执行亲水性处理，使得所述第三区域的亲水性不同于所述第四区域的亲水性。
2.一种燃料电池(10)，其特征在于包括：
膜电极组件(110)；
多孔部件(170)，所述多孔部件(170)具有第一表面(171)、第二表面(172)和端表面部分(173)，所述第一表面和所述第二表面位于所述多孔部件的相反侧上，所述第一表面被布置在所述膜电极组件的阴极侧上，所述端表面部分位于所述第一表面的端侧部分(171UE)和所述第二表面的端侧部分(172UE)之间；
密封板(180)，所述密封板(180)沿着所述第一表面的所述端侧部分布置；和
隔板(150)，所述隔板(150)被布置在所述第二表面上，其中
所述多孔部件被构造成将氧化剂气体通过所述第一表面供应到所述膜电极组件，并且经由所述端表面部分将氧化剂废气排到所述燃料电池的排出部分(325)；并且
所述密封板具有面对所述多孔部件的第三区域，所述第三区域包括经过亲水性处理的第五区域(180FAP)，所述隔板具有经所述多孔部件与所述密封板的所述第三区域相对的第四区域，所述第四区域包括经过亲水性处理的第六区域(150FAP)，并且所述第五区域的面积不同于所述第六区域的面积。
3.一种燃料电池(10)的制造方法，其特征在于包括：
通过沿着多孔部件(170)的第一表面(171)的端侧部分(171UE)布置密封板(180)，来形成所述多孔部件和所述密封板的组件，其中，所述多孔部件的第一表面具有面对所述密封板的区域且所述区域被所述密封板掩蔽；
在整个组件上执行亲水性处理；以及
在已经执行了亲水性处理的所述组件上，在所述第一表面的所述端侧部分面对用于排出氧化剂废气的排出部分(315)的同时，将膜电极组件(110)布置在所述多孔部件的所述第一表面上，并且将隔板(150)布置在第二表面(172)上，所述第一表面和所述第二表面为所述多孔部件的相反侧面，
其中，所述多孔部件(170)的端表面部分(173)位于所述第一表面的端侧部分(171UE)和所述第二表面的端侧部分(172UE)之间，并且其中，所述多孔部件(170)被构造成将氧化剂气体通过所述第一表面(171)供应到所述膜电极组件(110)，并且将氧化剂废气经由所述端表面部分(173)排到所述燃料电池(10)的排出部分(315)。
CN201510613477.1A 2014-09-25 2015-09-23 燃料电池和燃料电池的制造方法 Active CN105470538B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014-194930 2014-09-25
JP2014194930A JP6119707B2 (ja) 2014-09-25 2014-09-25 燃料電池および燃料電池の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105470538A CN105470538A (zh) 2016-04-06
CN105470538B true CN105470538B (zh) 2018-10-30

Family

ID=55485954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510613477.1A Active CN105470538B (zh) 2014-09-25 2015-09-23 燃料电池和燃料电池的制造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10446857B2 (zh)
JP (1) JP6119707B2 (zh)
KR (1) KR101805260B1 (zh)
CN (1) CN105470538B (zh)
DE (1) DE102015115897B4 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11251019B2 (en) * 2016-12-15 2022-02-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Plasma device
JP6863199B2 (ja) 2017-09-25 2021-04-21 トヨタ自動車株式会社 プラズマ処理装置
JP6922749B2 (ja) * 2018-01-12 2021-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
DE102019216867A1 (de) 2019-10-31 2021-05-06 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Vorbehandlung von Oberseiten oder Oberflächen von Einzelelementen einer Brennstoffzelle
KR20210076414A (ko) * 2019-12-16 2021-06-24 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1327275A2 (en) * 2000-09-27 2003-07-16 Proton Energy Systems, Inc. Method and apparatus for improved fluid flow within an electrochemical cell
US6519793B2 (en) * 2001-07-18 2003-02-18 Gray Matter Holdings Llc Collapsible mat with removable portion and method of making same
US20030148164A1 (en) * 2001-09-07 2003-08-07 Koch Carol A. Efficient fuel cell water transport plates
US7904524B2 (en) * 2006-03-06 2011-03-08 Aggregate Knowledge Client recommendation mechanism
JP2008004420A (ja) 2006-06-23 2008-01-10 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5380771B2 (ja) 2006-11-28 2014-01-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法、及び燃料電池
JP2009026519A (ja) * 2007-07-18 2009-02-05 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池搭載車両
JP2009218190A (ja) 2008-03-13 2009-09-24 Toyota Motor Corp 燃料電池
US8268041B2 (en) * 2008-06-30 2012-09-18 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Hollow organic/inorganic composite fibers, sintered fibers, methods of making such fibers, gas separation modules incorporating such fibers, and methods of using such modules
JP2010061991A (ja) 2008-09-03 2010-03-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5348416B2 (ja) 2009-09-16 2013-11-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法
JP2011108547A (ja) * 2009-11-19 2011-06-02 Toyota Motor Corp 燃料電池
US9249508B2 (en) * 2010-03-14 2016-02-02 Mark S. Braiman Bromine-sensitized solar photolysis of carbon dioxide
JP5240282B2 (ja) 2010-12-06 2013-07-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
JP5900034B2 (ja) * 2012-03-08 2016-04-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル、および、燃料電池セルの製造方法
JP5853782B2 (ja) * 2012-03-15 2016-02-09 日産自動車株式会社 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160036498A (ko) 2016-04-04
US10446857B2 (en) 2019-10-15
US20160093901A1 (en) 2016-03-31
DE102015115897B4 (de) 2023-02-09
JP2016066517A (ja) 2016-04-28
DE102015115897A1 (de) 2016-03-31
KR101805260B1 (ko) 2017-12-06
CN105470538A (zh) 2016-04-06
JP6119707B2 (ja) 2017-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105470538B (zh) 燃料电池和燃料电池的制造方法
JP5240282B2 (ja) 燃料電池セル
CN107342429B (zh) 燃料电池
CN103053057A (zh) 燃料电池
EP3108529A1 (en) Electrochemical cell with protector gasket arrangement
JP2013065413A (ja) 燃料電池
KR20140075465A (ko) 온도분포 개선을 위한 냉각판을 포함하는 연료전지 스택
CN1661840A (zh) 燃料电池
KR20150017402A (ko) 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택
WO2004070864A2 (en) Flow field
KR101851886B1 (ko) 연료 전지
JP2013114899A (ja) 燃料電池用スタック
JP2011192525A (ja) 燃料電池
CN105514452A (zh) 膜电极组件和燃料电池组
KR102034458B1 (ko) 연료전지 스택
JP5713151B2 (ja) 燃料電池
US11444291B2 (en) Gas diffusion layer
JP2010034005A (ja) 燃料電池
JP2009277385A (ja) 燃料電池
JP2017174563A (ja) 燃料電池
JP2017174564A (ja) 燃料電池
JP2006019116A (ja) 燃料電池
JP2008186788A (ja) 燃料電池
JP2012003857A (ja) 燃料電池
JP2013045563A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant