CN105580177B - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

燃料电池包括：发电体，该发电体包括电解质膜；沿着发电体设置的分离器；流路，将被供应到燃料电池的流体流过该流路；第一密封部分，该第一密封部分在分离器的表面中包围流路，并且抑制流体流出燃料电池；和电解腐蚀抑制部，该电解腐蚀抑制部设置在流路和第一密封部分之间。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池。

背景技术

燃料电池由堆叠在一起的多个单电池形成，每个单电池是基本的发电单元。每个单电池包括膜电极组件和一对分离器，所述一对分离器夹持膜电极组件。将被供应到燃料电池的流体(氧化剂气体、燃料气体和冷却介质)流过的歧管形成在每个单电池的周缘部上(见日本专利申请公报No.2006-147468(JP 2006-147468 A))。包围每个歧管的密封部件设置在分离器的表面中。该密封部件抑制流体流出燃料电池。

当燃料电池发电时，通过歧管中的水分，可能在歧管附近形成局部化的电路，并且电流可以流动。如果电流流动到分离器的在歧管内侧暴露的一部分，则分离器的表面可能氧化并且劣化。这种类型的现象称作电解腐蚀。如果电解腐蚀发生，则分离器的劣化将逐渐地发展，并且布置在分离器的表面中的密封部件可能最终剥离。因此，已经在寻求使得能够在分离器的表面中布置密封部件的燃料电池中抑制由于电解腐蚀引起的密封部件剥离的技术。这种问题不限于冷却介质流过的歧管，并且还可以在产生的水流过的阳极侧歧管和阴极侧歧管中发生。另外，在传统燃料电池中，期望简化的结构，该结构是成本较低的、更加节约资源的并且是更小的等。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种燃料电池，该燃料电池包括：发电体，该发电体包括电解质膜；沿着发电体设置的分离器；流路，将被供应到燃料电池的流体流过该流路；第一密封部分，该第一密封部分在分离器的表面中包围流路，并且抑制流体流出燃料电池；和电解腐蚀抑制部，该电解腐蚀抑制部设置在流路和第一密封部分之间。根据这种燃料电池，电解腐蚀抑制部设置在第一密封部分和将被供应到燃料电池的流体流过的流路之间。因此，能够抑制布置在电解腐蚀抑制部的外侧上的第一密封部分由于电解腐蚀而剥离。

流路可以是被形成为贯穿分离器的表面的歧管，并且含氢气体流过该歧管。发电体和分离器可以在与重力方向垂直的方向上堆叠。电解腐蚀抑制部可以包括第二密封部分，当燃料电池被安装时，第二密封部分的至少一部分被布置在歧管的重力方向的下侧上。电解腐蚀通过在歧管中积聚的水分发生。因此，电解腐蚀抑制部(即，第二密封部分)至少设置在歧管的重力方向上的下侧上。相应地，能够减少用于形成电解腐蚀抑制部的材料。

流路可以包括被形成为贯穿分离器的表面的歧管；并且电解腐蚀抑制部可以包括第二密封部分和延伸部分，该第二密封部分设置在歧管和第一密封部分之间，并且该延伸部分的至少一部分设置在与第二密封部分不同的位置中，并且在该延伸部分中，形成歧管的外边缘的分离器的一部分朝向歧管的内侧延伸。以该方式，由于该延伸部分，从歧管到第一密封部分的距离增加，从而引起电解腐蚀的电流流过的电路的电阻增加。结果，即使在不形成第二密封部分的部分处，通过设置延伸部分，仍然能够有效地抑制电解腐蚀。

延伸部分可以被形成在夹持发电体的一对分离器中的一个分离器上。以该方式，因为延伸部分仅在该两个分离器中的一个分离器上形成，所以能够抑制燃料电池的重量增加。

第二密封部分的高度可以低于第一密封部分的高度。结果，当密封部分接触分离器时，能够抑制拍击发生。而且，第二密封部分能够用作尺寸确定部分，从而能提高第一密封部分的密封性能。

本发明不限于上述燃料电池的模式，而是可以利用各种模式中的任何一种模式实现。例如，还可以利用燃料电池的制造方法的模式或者设置有燃料电池的车辆实现本发明。

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，其中类似的数字表示类似的元件，并且其中：

图1是示出根据本发明的一个示例性实施例的燃料电池系统的总体结构的解释性视图；

图2是示出单电池的总体结构的框架格式的截面视图；

图3是第一分离器的总体结构的视图；

图4是第二分离器的总体结构的视图；

图5是示出沿着图3中的线V-V截取的截面的框架格式的视图；

图6是示出沿着图4中的线VI-VI截取的截面的框架格式的视图；并且

图7是示意由示例性实施例获得的效果的视图。

具体实施方式

A.示例性实施例

图1是示出根据本发明的一个示例性实施例的燃料电池系统1的总体结构的解释性视图。燃料电池系统1包括燃料电池100，该燃料电池100通过使用反应气体(燃料气体和氧化剂气体)引起电化学反应而发电。燃料电池系统1例如安装在车辆中。

燃料电池100具有堆叠结构，在该堆叠结构中，端板110、绝缘板120、集电板130、多个单电池140、集电板130、绝缘板120和端板110依次被堆叠到一起。在以下说明中，堆叠该多个单电池140的方向将称作“堆叠方向”。该堆叠方向是当燃料电池100被安装时与重力方向垂直的方向。

作为燃料气体的氢气被从氢气罐50经由切断阀51、调节器52和导管53供应到燃料电池100，在氢气罐50内存储了高压氢气。在燃料电池100中发电时未使用的燃料气体(即，阳极废气)经由排出导管63被从燃料电池100排出。燃料电池系统1可以具有向导管53侧再循环阳极废气的再循环功能。作为氧化剂气体的空气也经由空气泵62和导管61而被供应到燃料电池100。在燃料电池100中发电时未使用的氧化剂气体(即，阴极废气)经由排出导管54被从燃料电池100排出。

为了冷却燃料电池100，由散热器90冷却的冷却介质经由水泵91和导管92被供应到燃料电池100。从燃料电池100排出的冷却介质经由导管93循环到散热器90。例如，水、防冻剂诸如乙二醇或者空气可以被用作冷却介质。燃料气体、氧化剂气体和冷却介质可以被视为本发明的流体。

图2是示出单电池140的总体结构的框架格式的截面视图。每个单电池140包括膜电极组件10、气体扩散部件20、第一分离器30、第二分离器40和第一密封部分70。当燃料电池100被安装时，图2中的向下方向是在重力方向上的向下方向。关于图2所示每个部件，左侧上的表面将称作“第一表面”，并且右侧上的表面将称作“第二表面”。膜电极组件10可以被视为本发明的发电体。

众所周知，膜电极组件10由布置在电解质膜的一个表面上的阴极催化剂层和布置在电解质膜的另一个表面上的阳极催化剂层形成。电解质膜是由氟树脂材料或者碳氢化合物树脂材料等制成的固体聚合物膜，并且在湿润状态中具有良好的质子传导性。阴极催化剂层和阳极催化剂层例如包括铂或者铂和另一种金属的合金作为催化剂。气体扩散层也可以在每个催化剂层的表面上由具有传导性和气体渗透/气体扩散特性的多孔纤维结构诸如碳纤维或者石墨纤维形成。在膜电极组件10的阴极侧上由于发电而产生了水，但是这些水(即，产生的水)还渗透膜电极组件10并且流出到阳极侧。

膜电极组件10被第一分离器30和第二分离器40夹持。第一分离器30和第二分离器40每个由具有传导性的板状部件诸如金属板形成。第一分离器30的中央部以平面形状形成。波纹板状流路凹槽41形成在第二分离器40的中央部中。在第一表面侧上相邻的另一个单电池140的第二分离器40中形成的流路凹槽41接触第一分离器30的第一表面侧。从在以后描述的冷却介质供应歧管172供应的冷却介质在该流路凹槽41的第二表面和第一分离器30的第一表面之间流动。而且，从在以后描述的燃料气体供应歧管162供应的燃料气体在第二分离器40中形成的流路凹槽41的第一表面侧和膜电极组件10的阳极催化剂层之间流动。

气体扩散部件20布置在膜电极组件10的阴极催化剂层和第一分离器30之间。气体扩散部件20是具有传导性的多孔板状部件。在该示例性实施例中，通过切割和弯曲以栅格状结构形成单片金属板而制成的所谓的多孔金属网被用作气体扩散部件20。从在以后描述的氧化剂气体供应歧管152供应的氧化剂气体流入气体扩散部件20中。

黏着层60设置在膜电极组件10的外周部上。膜电极组件10与第一和第二分离器30和40包括气体扩散部件20通过该黏着层60形成为一体。黏着层60用作用于防止流动到单电池140的流体泄漏的密封层，并且用作将第一分离器30与第二分离器40电绝缘的绝缘层。例如，黏着层60由橡胶或者树脂制成。

第一密封部分70布置在第一分离器30的第一表面侧上。第一密封部分70接触相邻的单电池140的第二分离器40的第二表面侧。第一密封部分70抑制流过在以后描述的歧管的流体流出燃料电池100。例如第一密封部分70例如由气体可渗透的、弹性的并且在燃料电池的驱动温度范围中耐热的部件，例如橡胶或者弹性体的弹性部件形成。

图3是第一分离器30的总体结构的视图，并且示出从第一表面侧观察的第一分离器30。图4是第二分离器40的总体结构的视图，并且示出从第二表面侧观察的第二分离器40。如在图3和4中所示，在第一分离器30和第二分离器40每个上形成以下六个类型的歧管。这些歧管贯穿每个单电池140的周缘部在燃料电池100的堆叠方向上形成。

(A)向单电池140分配氧化剂气体的氧化剂气体供应歧管152

(B)收集在单电池140中未被用于发电的氧化剂气体并且将该氧化剂气体排出燃料电池100的氧化剂气体排出歧管154

(C)向单电池140分配燃料气体的燃料气体供应歧管162

(D)收集在单电池140中未被用于发电的燃料气体并且将该燃料气体排出燃料电池100的燃料气体排出歧管164

(E)向单电池140分配冷却介质的冷却介质供应歧管172

(F)收集从单电池140排出的冷却介质并且将该冷却介质排出燃料电池100的冷却介质排出歧管174

如在图3和4中所示，在该示例性实施例中，当燃料电池100被安装时，氧化剂气体供应歧管152被沿着单电池140的在重力方向上的下侧布置。而且，氧化剂气体排出歧管154被沿着单电池140的在重力方向上的上侧布置。此外，燃料气体供应歧管162被沿着图3中的单电池140的左侧布置在重力方向上的上侧上。而且，冷却介质排出歧管174被沿着图3中的单电池140的右侧布置在重力方向上的上侧上。此外，燃料气体排出歧管164被沿着图3中的单电池140的右侧布置在重力方向上的下侧上。

如在图3中所示，在第一分离器30的第一表面30a处，每个歧管被第一密封部分70以连续(无缝)的方式包围。每个歧管可以被视为本发明的流路。而且，由于在第一分离器30的第一表面30a处被第一密封部分70包围而在分离器的表面上形成的流路(即，在冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174之间的流路)也可以被视为本发明的流路。

在该示例性实施例中，第二密封部分71被布置在燃料气体供应歧管162和第一密封部分70之间、燃料气体排出歧管164和第一密封部分70之间、冷却介质供应歧管172和第一密封部分70之间以及冷却介质排出歧管174和第一密封部分70之间。即，在燃料气体供应歧管162、燃料气体排出歧管164冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174上形成了双重密封线。第二密封部分71抑制第一密封部分70由于分离器的表面由于电解腐蚀劣化而剥离。第二密封部分71可以被视为本发明的电解腐蚀抑制部。

第二密封部分71设置在相应的歧管周围的一部分上。更加具体地，为燃料气体供应歧管162和燃料气体排出歧管164设置的第二密封部分71被沿着在燃料气体供应歧管162和燃料气体排出歧管164的重力方向上的下部布置。即，为燃料气体供应歧管162和燃料气体排出歧管164设置的第二密封部分71在与在燃料气体供应歧管162和燃料气体排出歧管164的重力方向上的上侧对应的部分中具有切割线。以该方式仅在燃料气体供应歧管162和燃料气体排出歧管164的下侧上设置第二密封部分71的原因是，因为由于电解腐蚀形成的水(即，产生的水)将不以使其充满这些歧管的全部流路的程度流动的事实，电解腐蚀将不在这些歧管的重力方向上的上侧上发生。

同样，为冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174设置的第二密封部分71被设置在歧管的设置第一密封部分70的一侧(即，与分离器的外侧对应的一侧)上。即，为冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174设置的第二密封部分71在没有设置第一密封部分70的一侧(即，在与分离器的内侧对应的一侧)上具有切割线。在该位置中具有切割线的原因是，因为如果第二密封部分71被设置在没有设置第一密封部分70的一侧上，则冷却介质在冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174之间的流动将受到阻碍。

第二密封部分71只需要是一种靠近歧管以便抑制第一密封部分70由于电解腐蚀而剥离的密封部件，并且被设置在可以受到电解腐蚀影响的部分上。因此，第二密封部分71并不需要类似第一密封部分70地包围歧管的整个周边，而是仅需要被设置在歧管周围的一部分上。相应地，能够减少用于形成第二密封部分71的材料。

图5是示出沿着图3中的线V-V截取的截面的框架格式的视图。如在图5中所示，在该示例性实施例中，第二密封部分71的堆叠方向上的高度H2被形成为低于第一密封部分70的高度H1。因此，抑制了当包围歧管的整个外周边的第一密封部分70接触相邻的单电池140时发生拍击。而且，第二密封部分71被设计成抑制电解腐蚀，而不抑制流体流出。因此，如果第二密封部分71的高度低于第一密封部分70的高度，则这是无关紧要的。而且，利用这种结构，能够使得第二密封部分71用作用于规定在单电池140之间的间隔的尺寸确定部分。相应地，第一密封部分70可以仅用作密封件，从而使得能够提高密封性能。在另一个示例性实施例中，第二密封部分71的高度H2和第一密封部分70的高度H1可以是相同的。

如在图3中所示，延伸部分73在第一分离器30上设置在冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174的外边缘的一部分上。通过朝向这些歧管的内侧延伸形成冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174的外边缘的第一分离器30的一部分而形成该延伸部分73。该延伸部分73被设置成增加在这些歧管和包围冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174这两者的第一密封部分70之间的距离。这是因为，如将在以后描述地，这个距离越大，越能够抑制电解腐蚀对于第一密封部分70的影响。延伸部分73设置在靠近包围冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174这两者的第一密封部分70的位置中。而且，延伸部分73设置在没有设置第二密封部分71的位置中(即，难以设置第二密封部分71的位置中)。即，延伸部分73设置在不同于设置第二密封部分71的位置的位置中。然而，设置第二密封部分71和延伸部分73的位置不必是完全不同的位置，即，一部分可以重叠。类似于第二密封部分71地，延伸部分73可以被视为本发明的电解腐蚀抑制部。即，在该示例性实施例中，第二密封部分71和延伸部分73作为电解腐蚀抑制部设置在燃料电池100中。

图6是示出沿着图4中的线VI-VI截取的截面的框架格式的视图。如在图6中所示，在该示例性实施例中，延伸部分73仅形成在夹持膜电极组件10的第一分离器30和第二分离器40中的第一分离器30上。黏着层60布置在第二分离器40的第二表面(即，后表面)侧上，但是不在此处布置第二分离器40。即，延伸部分73不形成在第二分离器40上。因此，能够通过在第二分离器40上设置延伸部分73而抑制燃料电池系统1的重量增加。而且，能够通过在第二分离器40上设置延伸部分73而抑制流体从冷却介质供应歧管172的流动中断。

图7是示意该示例性实施例的效果的视图。当由燃料电池100发电时，通过产生的水和歧管中的冷却介质，氧化反应可能因此在分离器30和40的表面上发生。当氧化反应发生并且由钛制成的分离器30和40是利用碳表面处理的时，在钛和碳之间的边界处的TiC(碳化钛)氧化并且剥离。这种现象称作电解腐蚀。例如，可以如在以下表达式(1)中所示地表达该氧化反应。

TiC+H₂O→Ti³⁺+CO+2H⁺+5e^-···(1)

当这种反应发生时，局部化电路靠近歧管形成，并且电流流动。流动的电流越强，氧化反应的速度越快，并且剥离发展地越快。电流I的大小例如由以下表达式(2)表达。

I＝E/(L/(σ*A))···(2)

其中I是电流，E是当正在发电时单电池140的电压(大致1V)，L是从歧管到密封部分的距离，σ是产生的水或者冷却介质的导电率，并且A是在歧管的外周边处在单电池140之间的空间的开口面积。

关于这种现象，在该示例性实施例的燃料电池100中，第二密封部分71被布置于第一密封部分70的内侧，并且因为该第二密封部分71，在单电池140之间的空间的开口面积A更窄。相应地，电流I流过的电路的电阻增加，从而电流I变得更小。同样参考以上表达式(2)，显然随着开口面积A的值变得更小，电流I降低。因此，利用该示例性实施例，由于设置第二密封部分71，抑制了电解腐蚀发展到第一密封部分70，并且结果能够抑制第一密封部分70剥离。特别地，利用该示例性实施例，第二密封部分71被布置成用于燃料气体供应歧管162和燃料气体排出歧管164，从而能够抑制燃料气体的流出。

而且，在该示例性实施例中，延伸部分73设置在冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174的周缘上。因此，从冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174到包围这两个歧管的第一密封部分70的距离L增加。相应地，电流I流过的电路的电阻增加，从而电流变得更小。同样参考以上表达式(2)，显然随着距离L的值增加，电流I降低。因此，利用该示例性实施例，通过设置延伸部分73，能够抑制电解腐蚀的发展，从而能够抑制第一密封部分70剥离。

此外，当第二密封部分71被布置在歧管周围时，延伸部分73能够被布置在流体的流动受到阻碍的部分(即，在冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174之间的位置)上。即，利用该示例性实施例，即使在没有设置第二密封部分71的部分处，通过设置延伸部分73，仍然能够有效地抑制电解腐蚀。

B.变型实例：在上述示例性实施例中，燃料电池100设置有第二密封部分71和延伸部分73两者作为电解腐蚀抑制部，但是燃料电池100还可以仅设置有这两者之一。

在上述示例性实施例中，为燃料气体供应歧管162、燃料气体排出歧管164、冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174设置了第二密封部分71。然而，还可以为燃料气体供应歧管162、燃料气体排出歧管164、氧化剂气体供应歧管152、氧化剂气体排出歧管154、冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174中的全部或者某些歧管设置第二密封部分71。

在上述示例性实施例中，第二密封部分71包围歧管的外周的一部分，但是第二密封部分71还可以被形成为包围除了冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174之外的歧管(即，燃料气体供应歧管162、燃料气体排出歧管164、氧化剂气体供应歧管152和氧化剂气体排出歧管154)的整个外周。

在上述示例性实施例中，延伸部分73仅设置在第一分离器30上。然而，延伸部分73还可以被设置在第一分离器30和第二分离器40两者上。而且，在上述示例性实施例中，黏着层60设置在延伸部分73的后表面上，但是黏着层60不是必须设置在延伸部分73的后表面上。此外，延伸部分73还可以仅被设置在第二分离器40上。除此之外，延伸部分73还可以仅由黏着层60形成。

在上述示例性实施例中，延伸部分73设置在冷却介质供应歧管172和冷却介质排出歧管174上。然而，延伸部分73还可以设置在冷却介质供应歧管172、冷却介质排出歧管174、氧化剂气体供应歧管152、氧化剂气体排出歧管154、燃料气体供应歧管162和燃料气体排出歧管164中的全部或者某些歧管上。

在上述示例性实施例中，可以适当地变型单电池140的结构。例如，氧化剂气体、燃料气体和冷却介质沿着膜电极组件10流过的每条流路不限于是多孔金属网或者流路凹槽，即，还可以采用各种模式。而且，形成燃料电池100的每个部分的材料不限于在上述示例性实施例中描述的材料。可以使用各种适当的材料中的任何一种材料。而且，在燃料电池100中形成的歧管的布置仅仅是一个实例。还可以采用不同的布置。

本发明不限于上述示例性实施例和变型实例，并且可以在不偏离本发明的范围的情况下利用各种结构中的任何一种结构实现。示例性实施例的技术特征可以被适当地取代或者组合以解决前述问题中的所有的或者某些问题，或者以实现前述效果中的所有的或者某些效果。而且，除非在本说明书中被描述成是绝对必要的，否则可以适当地省略本发明的技术特征。

Claims (5)

1.一种燃料电池，其特征在于包括：

发电体，所述发电体包括电解质膜；

沿着所述发电体设置的分离器；

流路，将被供应到所述燃料电池的流体流过所述流路；

第一密封部分，所述第一密封部分在所述分离器的表面中包围所述流路，并且抑制所述流体流出所述燃料电池；和

电解腐蚀抑制部，所述电解腐蚀抑制部设置在所述流路和所述第一密封部分之间；其中：

所述流路包括被形成为贯穿所述分离器的表面的歧管；并且

所述电解腐蚀抑制部包括第二密封部分，所述第二密封部分设置在所述歧管和所述第一密封部分之间，并且所述第二密封部分仅被设置在所述歧管周围的一部分上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于

含氢气体流过所述歧管；

当所述燃料电池被安装时，所述发电体和所述分离器在与重力方向垂直的方向上堆叠；并且

当所述燃料电池被安装时，所述第二密封部分的至少一个部分被布置在所述歧管的所述重力方向的下侧上。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于

所述电解腐蚀抑制部包括延伸部分，所述延伸部分的至少一部分设置在与所述第二密封部分不同的位置中，并且在所述延伸部分中，形成所述歧管的外边缘的所述分离器的一部分朝向所述歧管的内侧延伸。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于

所述延伸部分被形成在夹持所述发电体的一对分离器中的一个分离器上。

5.根据权利要求2到4中的任一项所述的燃料电池，其特征在于

所述第二密封部分的高度低于所述第一密封部分的高度。