CN105531859A - 燃料电池用单元电池 - Google Patents

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Abstract

一种单元电池(C)，其具有：膜电极接合体(M)，该膜电极接合体(M)具有利用一对电极层(2、3)夹持电解质膜(1)的构造；一对分隔件(4)，该一对分隔件(4)与膜电极接合体(M)之间形成有气体流路(G)，电极层(2、3)具有由多孔质体形成的电解质膜(1)侧的第1气体扩散层(2B、3B)和由排列有多个空孔(K)的金属多孔体形成的第2气体扩散层(2C、3C)，并且第1气体扩散层(2B、3B)的局部贯穿第2气体扩散层(2C、3C)的空孔(K)而形成凸部(T)，电极层(2、3)的表面形成为具有疏水性的细微凹凸形状，实现了液态水的排出功能的提高和发电功能的提高这两者的兼顾。

Description

燃料电池用单元电池
技术领域
本发明涉及一种用于固体高分子型的燃料电池(PEFC)等的燃料电池用单元电池。
背景技术
作为以往的燃料电池用单元电池，存在以燃料电池和燃料电池所使用的电极构造体的名称被记载在专利文献1中的燃料电池用单元电池。专利文献1所记载的燃料电池使用由较大粒径的导电性粒子构成的粗区域和由比较大粒径小的粒径的导电性粒子构成的密区域来形成MPL。该MPL的上表面与气体扩散层接触，下表面与催化剂层接触。
而且，上述燃料电池在密区域使用具有由开尔文式决定的空孔内的饱和水蒸气压力比开放空间的饱和水蒸气压力高那样的粒子径的粒子。由此，燃料电池使粗区域的饱和水蒸气压力比密区域的饱和水蒸气压力低，从而在密区域抑制在催化剂层产生的水蒸气的凝缩。
专利文献1：日本国特开2009-245871号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述那样的以往燃料电池中，因为由开尔文式决定的密区域的空孔率是纳米级别(nano-order)，当液态水在粗区域凝缩时，存在气体扩散性将大幅下降、由此发电性能也下降这样的问题，所以将解决这样的问题作为课题。
本发明着眼于上述以往的课题而做成，其目的在于提供一种能够实现伴随着发电而产生的液态水的排出功能的提高和发电性能的提高这两者的兼顾的燃料电池用单元电池。
用于解决问题的方案
本发明的燃料电池用单元电池是如下构造：其具有：膜电极接合体，该膜电极接合体具有利用一对电极层夹持电解质膜的构造；一对分隔件，该一对分隔件与膜电极接合体之间形成有气体流路。该燃料电池用单元电池具有以下结构：膜电极接合体的电极层具有由多孔质体形成的电解质膜侧的第1气体扩散层和由排列有多个空孔的金属多孔体形成的第2气体扩散层，并且第1气体扩散层的局部贯穿第2气体扩散层的空孔而形成凸部，利用上述结构解决以往的课题。
发明的效果
在本发明的燃料电池用单元电池中，电极层的表面形成为由第1气体扩散层的凸部和第2气体扩散层构成的细微凹凸形状，利用该细微凹凸形状能够使电极层的表面性状(亲·疏水性)比仅具有第1气体扩散层时的表面性状强，从而使伴随着发电而产生的液态水容易排出，与此同时提高电极层的气体扩散性(氧输送性)而实现发电性能的提高。即、能够实现液态水的排出功能的提高和发电功能的提高这两者的兼顾。
另外，燃料电池用单元电池即使不对由金属多孔体形成的第2气体扩散层实施疏水处理，也能够获得电极层表面的疏水性，所以能够容易地确保第2气体扩散层的导电性，由此也能够对发电功能的提高有帮助。
附图说明
图1是用于说明使用了本发明的燃料电池用单元电池的燃料电池的立体图(A)和分解状态的立体图(B)。
图2是图1所示的燃料电池用单元电池的剖视图(A)和俯视图(B)。
图3是用于说明燃料电池用单元电池的第1实施方式的带有放大图的俯视图(A)、第2气体扩散层的剖视图(B)以及单元电池的主要部件的剖视图(C)。
图4是用于说明燃料电池用单元电池的第2实施方式的主要部件的剖视图(A)和主要部件的放大剖视图(B)。
图5是用于说明燃料电池用单元电池的第3和第4实施方式的主要部件的剖视图(A)和主要部件的放大剖视图(B)。
图6是用于说明燃料电池用单元电池的第5实施方式的主要部件的剖视图(A)和主要部件的放大剖视图(B)。
具体实施方式
(第1实施方式)
图1所示燃料电池FC具有层叠多个矩形板状的燃料电池用单元电池(以下称为“单元电池”。)C而成的层叠体S。该燃料电池FC在层叠体S的层叠方向的一端部(图1B中的右侧端部)隔着集电板54A和间隔件55设置有端板56A，同时，在另一端部隔着集电板54B设置有端板56B。另外，在燃料电池FC中，针对层叠体S，在成为单元电池C的长边侧的两个面(图1B中的上下面)设置有连结板57A、57B，同时，在成为短边侧的两个面设置有加强板58A、58B。
而且，燃料电池FC利用螺栓B将各连结板57A、57B及加强板58A、58B连结于两个端板56A、56B。由此，燃料电池FC成为图1的(A)所示的外壳一体型构造，沿着层叠体S的层叠方向对层叠体S进行限制、加压以将规定的接触面压力施加到各个单元电池C上，从而良好地维持气封性、导电性等。
如图2所示，构成上述燃料电池FC的单元电池C具有：膜电极接合体M，该膜电极接合体M具有利用一对电极层2、3夹持电解质膜1的构造；一对分隔件4、4，在该一对分隔件与膜电极接合体M之间形成有气体流路G、G。另外，图2的(A)是基于图2的(B)中的A-A线的剖视图。
膜电极接合体M是所谓的MEA(MembraneElectrodeAssembly)，是利用阳极侧和阴极侧的电极层2、3夹持由固体高分子构成的电解质膜1而成的，在图示例子中，在外周部一体地具有树脂制的框架5。对于电极层2、3，在后面详细描述。
各分隔件4、4例如是不锈钢制，通过冲压加工形成为具有规定的凹凸的表背翻转形状，在各分隔件与膜电极接合体M之间分别形成有阳极侧的气体流路G及阴极侧的气体流路G。
膜电极接合体M的框架5及各分隔件4沿着两侧的短边形成有分别用于供反应用气体及冷却液流通的歧管孔H1～H3，H4～H6。反应用气体是阳极气体(含氢气体)和阴极气体(空气)，冷却液例如是水。
在图2的(B)的左侧所示的一方的短边侧，各歧管孔H1～H3从上侧起为阳极气体供给用(H1)、冷却液供给用(H2)以及阴极气体排出用(H3)，在层叠方向相互连通而形成各自的流路。另外，在图2的(B)的右侧所示的另一方的短边侧，各歧管孔H4～H6从上侧起为阴极气体供给用(H4)、冷却液排出用(H5)以及阳极气体排出用(H6)，在层叠方向相互连通而形成各自的流路。这些歧管孔H1～H6能够针对上述结构改变流体的种类、供给和排出的位置关系等。
另外，在分隔件4和框架5的缘部彼此之间以及歧管孔H1～H6的周围设置有在图2的(A)中示出局部的气封6。在将多个单元电池C层叠起来的状态下，在单元电池C彼此、即邻接的分隔件4彼此之间也设置有气封6。上述气封6在各层间将阴极气体、阳极气体以及冷却液各自的流通区域气密地分离，并且在歧管孔H1～H6的周缘部的适当位置设有开口，以使规定的流体流过该层间。
在构成上述燃料电池FC的单元电池C中，如图3所示，膜电极接合体M的各电极层2、3从电解质膜1侧依次具有：催化剂层2A、3A；由多孔质体形成的第1气体扩散层2B、3B；由金属多孔体形成的第2气体扩散层2C、3C。
第1气体扩散层2B、3B例如由碳材料形成，至少表面具有疏水性。具体而言，该第1气体扩散层2B、3B是利用粘合剂使纤维的无规则的层叠体牢固并实施了PTFE等疏水处理而成的构件、是利用PTFE等粘合剂烧结炭黑等凝集体而成的构件。
第2气体扩散层2C、3C是与形成第1气体扩散层的多孔质体不同的金属多孔体且具有导电性。该第2气体扩散层2C、3C能够使用铁、不锈钢、铝及铝合金、铬及铬合金、镍及镍合金以及镁及镁合金中的任何一种以上的金属。
另外，作为具体的形态，第2气体扩散层2C、3C为金属丝网、冲孔金属板、蚀刻金属板以及膨胀金属板等，在该实施方式中，是如图3所示的金属丝网。该第2气体扩散层2C、3C在为金属丝网的情况下，其网眼的部分为空孔K，在第2气体扩散层2C、3C为冲孔金属板、蚀刻金属板以及膨胀金属板等的情况下，孔、开口的部分为空孔K。需要说明的是，在以下的说明中，有时将第2气体扩散层2C、3C的线状部分称为固相部，将作为空孔K的网眼部分称为气相部。
而且，在单元电池C中，电极层2、3使第1气体扩散层2B、3B的局部贯穿第2气体扩散层2C、3C的空孔K而形成凸部T。由此，电极层2、3的表面成为由第1气体扩散层2B、3B的凸部T和第2气体扩散层2C、3C的固相部构成的细微凹凸形状。
具有上述结构的单元电池C通过分别向阳极侧和阴极侧的电极层2、3供给气体，从而利用电化学反应来产生电能。此时，由于单元电池C的电极层2、3的表面是细微凹凸形状，所以利用该细微凹凸形状能够使该电极层2、3的表面性状(亲·疏水性)比仅为第1气体扩散层2B、3B时的表面性状强，而且，因为第1气体扩散层2B、3B在表面具有疏水性，所以能够使电极层2、3的表面的疏水性进一步提高。由此，单元电池C使得伴随发电而产生的液态水容易排出，与此同时能够提高电极层2、3的气体扩散性(氧输送性)，从而实现发电性能的提高。即、能够实现液态水的排出功能的提高和发电功能的提高这两者的兼顾。
在这里，在单元电池C中，形成第2气体扩散层2C、3C的金属多孔体与第1气体扩散层2B、3B相比表现出亲水性。于是，将液态水的排出作为目的，也考虑对比第1气体扩散层2B、3B靠外侧的第2气体扩散层2C、3C实施疏水处理，但是，如果使第2气体扩散层2C、3C疏水化，则第2气体扩散层与分隔件的接触阻力有可能增大，从而导致发电性能降低。
与此相对，在该实施方式的单元电池C中，即使不对第2气体扩散层2C、3C实施疏水处理，电极层2、3的表面利用细微凹凸形状而具有较强的表面性状，同时由于第1气体扩散层2B、3B而具有较高的疏水性，从而也能够容易地确保第2气体扩散层2C、3C的导电性。由此，在单元电池C中，也不会使第2气体扩散层2C、3C和分隔件4之间的接触阻力增大，能够对发电功能的提高有帮助。
另外，在上述单元电池C中，因为第1气体扩散层2B、3B在表面具有疏水性，所以能够进一步提高液态水的排水效果。而且，作为具体例子，测量了第1气体扩散层2B、3B和第2气体扩散层2C、3C的表面的水接触角和具有细微凹凸形状的电极层2、3的表面的水接触角。其结果，第1气体扩散层2B、3B的表面的水接触角为144.1度，第2气体扩散层2C、3C的表面的水接触角为83.1度。
而且，上述实施方式的电极层2、3的表面的接触角为160度(计算值)。即、利用电极层2、3的细微凹凸形状，使水在凸部T上团成水滴，水不与第2气体扩散层2C、3C的固相部接触，从而确认了能够获得较高的疏水性。
(第2实施方式)
图4是用于说明本发明的第2实施方式的图。另外，在以下的实施方式中，与第1实施方式相同的结构部位标注相同的附图标记而省略详细说明。
图示的单元电池C虽然省略了分隔件4，但其基本构成与第1实施方式相同。在该单元电池C中，对于沿着厚度方向相对应的第1气体扩散层2B、3B的凸部T和第2气体扩散层2C、3C的空孔K而言，凸部T的高度H是空孔K的周围的固相部的宽度尺寸W的一半(W/2)以上(H≥W/2)。在第2气体扩散层2C、3C是金属丝网的情况下，固相部的宽度尺寸W就是形成网眼的线状部分的宽度尺寸。
具有上述结构的单元电池C与之前的实施方式相同，电极层2、3的表面因细微凹凸形状而具有较强的表面性状，同时由于第1气体扩散层2B、3B而具有较高的疏水性，因此，能够实现液态水的排出功能的提高和发电功能的提高这两者的兼顾。另外，通过使单元电池C的凸部T的高度H比空孔K的周围的固相部的宽度尺寸W的一半大，对于具有固相部的宽度尺寸W以上的直径的水滴可发挥较高的疏水性，实现液态水的排出功能的进一步提高。
(第3实施方式)
对于图5所示的单元电池C的沿着厚度方向相对应的第1气体扩散层2B、3B的凸部T和第2气体扩散层2C、3C的空孔K而言，第1气体扩散层2B、3B的成为凸部T的部分的固相体积〔Va×(1-ε1)〕与第1气体扩散层2B、3B的掩埋空孔K的部分的固相体积〔Vb×(1-ε1)〕之和〔(Va+Vb)×(1-ε1)〕为空孔K的容积Vb以下〔(Va+Vb)×(1-ε1)≤Vb〕。
在这里，第1气体扩散层2B、3B的固相体积指的仅仅是由多孔质体形成的第1气体扩散层2B、3B的固相部(除了气相部之外)的体积。上述公式中的Va是图5的(B)中由点划线示出的凸部T的整体体积，上述公式中的Vb是同一图5的(B)中由点划线所示的第1气体扩散层2B、3B的掩埋空孔K内的部分的整体体积，这些体积与空孔K的容积相等。于是，在上述公式中，使用凸部T的整体体积Va和空孔K的容积Vb、第1气体扩散层2B、3B的空孔率ε1来表示凸部T、第1气体扩散层2B、3B的空孔K内的部分的固相体积。
具有上述结构的单元电池C与之前的实施方式一样，电极层2、3的表面因细微凹凸形状而具有较强的表面性状，同时由于第1气体扩散层2B、3B而具有较高的疏水性，能够实现液态水的排出功能的提高和发电功能的提高这两者的兼顾。另外，对于单元电池C而言，在膜电极接合体M与分隔件4相接合时，如图5的(A)的下侧所示，局部的凸部T被分隔件4压扁。
即、对于单元电池C而言，第1气体扩散层2B、3B的成为凸部T的固相体积与第1气体扩散层2B、3B的掩埋空孔K的部分的固相体积之和为空孔K的容积以下，因此，在第1气体扩散层2B、3B的空孔K内的部分上存在供凸部T进入的空间(空孔)。由此，利用图示那样的分隔件4压扁凸部T，使得由金属多孔体形成的第2气体扩散层2C、3C与分隔件4接触，从而减小双方之间的电阻，能够对发电性能的进一步提高有帮助。
(第4实施方式)
该实施方式的单元电池C如之前的图5所示，对于沿着厚度方向相对应的第1气体扩散层2B、3B的凸部T和第2气体扩散层2C、3C的空孔K而言，第1气体扩散层2B、3B的成为凸部T的部分的固相体积〔Va×(1-ε1)〕与第1气体扩散层2B、3B的掩埋空孔K的部分的固相体积〔Vb×(1-ε1)〕之和〔(Va+Vb)×(1-ε1)〕为空孔K的容积Vb以下〔(Va+Vb)×(1-ε1)≤Vb〕。
而且，对于上述单元电池C而言，第1气体扩散层2B、3B的成为凸部T的部分的固相体积与第1气体扩散层2B、3B的掩埋空孔K的部分的固相体积之和〔(Va+Vb)×(1-ε1)〕基于将凸部T压缩在空孔K内之后的第1气体扩散层2B、3B的空孔率ε2来决定。
更具体而言，将凸部T压缩在空孔K内之后的第1气体扩散层2B、3B的固相体积〔Vb×(1-ε2)〕为压缩前的第1气体扩散层2B、3B的要成为上述凸部T的部分和要处于空孔K内的部分的固相体积〔(Va+Vb)×(1-ε1)〕以上〔(Va+Vb)×(1-ε1)≤Vb×(1-ε2)〕。
具有上述结构的单元电池C与之前的实施方式一样，电极层2、3的表面因细微凹凸形状而具有较强的表面性状，同时由于第1气体扩散层2B、3B而具有较高的疏水性，能够实现液态水的排出功能的提高和发电功能的提高这两者的兼顾。另外，对于单元电池C而言，在膜电极接合体M和分隔件4相接合时，如图5的(A)的下侧所示，凸部T被分隔件4压扁，使得第2气体扩散层2C、3C与分隔件4接触，从而减小双方之间的电阻，能够对发电性能的进一步提高有帮助。
而且，对于上述单元电池C而言，第1气体扩散层2B、3B的成为凸部T的部分的固相体积与第1气体扩散层2B、3B的掩埋空孔K的部分的固相体积之和基于将凸部T压缩在空孔K内之后的第1气体扩散层2B、3B的空孔率ε2来决定，因此，即使在将凸部T压缩之后，第1气体扩散层2B、3B的空孔K内的部分具有规定的空孔率ε2，由此能够维持良好的气体扩散性。换言之，第1气体扩散层2B、3B被设定为即使被压缩也能够维持多孔质性的空孔率。
(第5实施方式)
对于图6所示的单元电池C而言，第1气体扩散层2B3B具有电解质膜侧的内侧扩散层2B1、3B1、第2气体扩散层2C、3C侧的外侧扩散层2B2、3B2。而且，对于单元电池C而言，外侧扩散层2B2、3B2的局部贯穿第2气体扩散层2C、3C的空孔K且突出，将电极层2、3的表面形成为细微凹凸形状。
对于上述各实施方式所说明的单元电池C的膜电极接合体M而言，例如能够以使第1气体扩散层2B、3B和第2气体扩散层2C、3C彼此压接、且第1气体扩散层2B、3B的局部进入第2气体扩散层2C、3C的空孔K的方式使第1气体扩散层2B、3B沿着厚度方向进行塑性变形而形成。
此时，在膜电极接合体M中，利用第2气体扩散层2C、3C的固相部压缩第1气体扩散层2B、3B，因此，无法避免空孔率的降低。于是，在该实施方式中，例如，使第1气体扩散层2B、3B的外侧扩散层2B2、3B2与第2气体扩散层2C、3C彼此接合而形成凸部T，之后，通过形成内侧扩散层2B2、3B2，能够获得第1气体扩散层2B、3B的良好的气体扩散性。
另外，对于第1气体扩散层2B、3B而言，预先使内侧扩散层2B1、3B1的强度比外侧扩散层2B2、3B2的强度大也是有效的。在该情况下，预先将内侧扩散层2B1、3B1和外侧扩散层2B2、3B2相接合，在形成了第1气体扩散层2B、3B之后，使该第1气体扩散层2B、3B和第2气体扩散层2C、3C接合而形成凸部T。由此，只有外侧扩散层2B2、3B2发生塑性变形，即使外侧的空孔率降低，也能够利用内侧扩散层2B1、3B1确保良好的气体扩散性。
即使是具有上述结构的单元电池C，与之前的实施方式一样，电极层2、3的表面因细微凹凸形状而具有较强的表面性状，同时由于第1气体扩散层2B、3B而具有较高的疏水性，能够实现液态水的排出功能的提高和发电功能的提高这两者的兼顾，能够提高电极层2、3的设计上的自由度。
另外，本发明的燃料电池用的单元电池的结构并不只限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内适当地改变结构的细节部分。
附图标记说明
FC燃料电池
G气体流路
K空孔
M膜电极接合体
T凸部
1电解质膜
2电极层2(阳极侧)
3电极层3(阴极侧)
4分隔件
2B、3B第1气体扩散层
2B1、3B1内侧扩散层(第1气体扩散层)
2B2、3B2外侧扩散层(第1气体扩散层)
2C、3C第2气体扩散层

Claims (6)

1.一种燃料电池用单元电池，其特征在于，具有：
膜电极接合体，该膜电极接合体具有利用一对电极层夹持电解质膜的构造；
一对分隔件，该一对分隔件与膜电极接合体之间形成有气体流路，
膜电极接合体的电极层具有由多孔质体形成的电解质膜侧的第1气体扩散层和由排列有多个空孔的金属多孔体形成的第2气体扩散层，并且第1气体扩散层的局部贯穿第2气体扩散层的空孔而形成凸部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用单元电池，其特征在于，
第1气体扩散层的表面具有疏水性。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用单元电池，其特征在于，
对于沿着厚度方向相对应的第1气体扩散层的凸部和第2气体扩散层的空孔而言，
凸部的高度为空孔的周围的固相的宽度尺寸的一半以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池用单元电池，其特征在于，
对于沿着厚度方向相对应的第1气体扩散层的凸部和第2气体扩散层的空孔而言，
第1气体扩散层的成为凸部的部分的固相体积与第1气体扩散层的掩埋空孔的部分的固相体积之和为空孔的容积以下。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用单元电池，其特征在于，
第1气体扩散层的成为凸部的部分的固相体积与第1气体扩散层的掩埋空孔的部分的固相体积之和基于将凸部压缩在空孔内之后的第1气体扩散层的空孔率来决定。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池用单元电池，其特征在于，
第1气体扩散层具有电解质膜侧的内侧扩散层和第2气体扩散层侧的外侧扩散层，外侧扩散层的局部贯穿第2气体扩散层的空孔且突出。
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