CN105917510A - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

通过层叠多个发电单元(100)形成燃料电池(10)。发电单元(100)包括：膜电极气体扩散层组件(110)；密封部分(140)，该密封部分(140)沿着膜电极气体扩散层组件(110)的外周布置；多孔体流路(170)，被供给到阴极侧催化剂层的氧化剂气体在多孔体流路(170)中流动；遮蔽板(180)，该遮蔽板(180)被设置在密封部分和多孔体流路之间；以及第一、第二隔板(150、160)，该第一、第二隔板(150、160)被构造成将膜电极气体扩散层组件和多孔体流路夹在第一、第二隔板(150、160)之间。遮蔽板(180)、多孔体流路(170)以及与多孔体流路接触的第一隔板(150)突出到由密封部分(140)确定的氧化剂排气排出歧管(315)中。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种使用多孔体作为反应气体通道的燃料电池。

背景技术

日本专利申请公开No.2012-123949(JP 2012-123949A)描述了被构造使得金属网和密封板突出到阴极的供给歧管中的燃料电池。

在阴极气体排出侧上，排出由于反应生成的水。然而，JP2012-123949A没有充分研究有效率地排出在排出侧歧管中的水的结构。

发明内容

本发明的方面涉及通过层叠多个发电单元形成的燃料电池。在燃料电池中，每个发电单元均包括：膜电极气体扩散层组件，该膜电极气体扩散层组件包括电解质膜、阳极侧催化剂层以及阴极侧催化剂层，使得电解质膜被夹在阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层之间；密封部分，该密封部分沿着膜电极气体扩散层组件的外周布置；多孔体流路，该多孔体流路被布置成与阴极侧催化剂层相对，并且被供给到阴极侧催化剂层的氧化剂气体在多孔体流路中流动；遮蔽板，该遮蔽板被设置在密封部分和多孔体流路之间；以及第一、第二隔板，该第一、第二隔板被构造成将膜电极气体扩散层组件和多孔体流路夹在第一、第二隔板之间。密封部分和第一、第二隔板在彼此对应的位置处具有开口。当多个发电单元被层叠时，开口彼此连通，以便形成氧化剂排气排出歧管，氧化剂排气通过氧化剂排气排出歧管从多孔体流路排出。第一隔板与多孔体流路接触。遮蔽板、多孔体流路以及与多孔体流路接触的第一隔板突出到由密封部分限定的氧化剂排气排出歧管中。根据燃料电池，遮蔽板、多孔体流路以及第一隔板突出到由密封部分限定的氧化剂排气排出歧管中。因此，由于燃料电池的反应产生的生成水容易被排出到氧化剂排气排出歧管中，由此能够抑制水从氧化剂排气排出歧管到多孔体流路的反向流动。

突出到氧化剂排气排出歧管中的多孔体流路的那个部分的两个表面都可由遮蔽板和第一隔板覆盖。在这样的构造中，因为多孔体流路的两个表面都由遮蔽板和第一隔板覆盖，所以能够抑制生成水从因此覆盖的区域的反向流动。

在氧化剂排气排出歧管中的氧化剂排气的流动方向的下游布置的遮蔽板和第一隔板中的一个与在流动方向的上游布置的遮蔽板和第一隔板中的另一个相比可以具有较小的突出到氧化剂排气排出歧管中的突出量。排出到氧化剂排气排出歧管的生成水从上游流动到下游。在这样的构造中，因为多孔体流路的上游侧被覆盖，所以生成水难以向后流动到多孔体流路。

与遮蔽板和第一隔板相比，多孔体流路可以突出到氧化剂排气排出歧管中更多。通过这种构造，生成水容易从多孔体的突出部分排出。

在氧化剂排气排出歧管中的氧化剂排气的流动方向上的下游中布置的遮蔽板和第一隔板中的一个可以包括孔或狭缝，该孔或狭缝被构造成使氧化剂排气排出歧管与多孔体流路连通。通过这种构造，生成水能够从孔或狭缝排出。

注意，本发明能够以各种形式实现。例如，本发明可以除了燃料电池外的燃料电池的生成水排水结构和类似形式实现。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特点、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示意地示出燃料电池的外观的说明图；

图2是示意地示出在设置成更靠近端子板的发电单元中的氧化剂排气排出歧管附近的剖面图；

图3是示出膜电极气体扩散层组件(MEGA)的构造的说明图；

图4是以放大的方式示出靠近氧化剂排气排出歧管的发电单元的部分的说明图；

图5是示出表示在比较例和在本实施例中的氧化剂排气的流动方向的模拟结果的说明图；

图6是示出在比较例中靠近端子板的氧化剂排气排出歧管的那个部分中生成水的分布的说明图；

图7是示出在本实施例中靠近端子板的氧化剂排气排出歧管的那个部分中生成水的分布的说明图；

图8是简要地比较本实施例和比较例的生成水的流动的说明图；

图9是示出发电单元的压力损失的曲线图；

图10是示出发电单元的空气化学计量比和电压(电池电压)的说明图；并且

图11A至图11C是示出本实施例的变型的部分的说明图。

具体实施方式

第一实施例：图1是示意地示出燃料电池的外观的说明图。燃料电池10包括发电单元100、端子板200、210、绝缘板220以及端板230、240。多个发电单元100以层叠的方式设置。端子板200、210被放置在发电单元100的相应侧上因而层叠，并且用于从发电单元100引出电压和电流。绝缘板220被放置在端子板200外部。取决于固定到本体的部分，绝缘板可以被放置在端子板210外部。端板230、240被放置在燃料电池10的相应侧以便紧固发电单元100、端子板200、210以及绝缘板220。

燃料电池10被构造成使得发电单元100、端子板200、绝缘板220以及端板230每个具有多个开口，并且相应的开口彼此连通，以便形成歧管310、315、320、325、330、335。歧管310用于向发电单元100供给氧化剂气体，所以歧管310也被称为氧化剂气体供给歧管310。在下文中，从各自的作用的观点，歧管315、320、325、330、335分别被称为“氧化剂排气排出歧管315”、“燃料气体供给歧管320”、“燃料排气排出歧管325”、“制冷剂供给歧管330”以及“制冷剂排出歧管335”。

图2是示意地示出在设置成更靠近端子板210的发电单元100中的氧化剂排气排出歧管315附近的剖面图。发电单元100每个包括膜电极气体扩散层组件110(下文中称为“MEGA 110”)、框架140、阴极侧隔板150、阳极侧隔板160、多孔体流路170以及遮蔽板180。后面将描述MEGA 110的构造。

框架140是用于从MEGA 110的外边缘支撑MEGA 110的构件，并且框架140由树脂制成。框架140与阴极侧隔板150和阳极侧隔板160一起密封氧化剂气体、燃料气体以及制冷剂的泄漏，所以框架140也称为密封部分。遮蔽板180被放置在框架140的阴极侧上。遮蔽板180是金属板，并且部分地突出到氧化剂排气排出歧管315中。注意，在本实施例中，阴极侧隔板150、阳极侧隔板160以及框架140具有不同的长度，使得氧化剂排气排出歧管315的端部(在图2中的底端)由框架140的端表面140a确定。考虑到框架140的制造偏差、毛刺等，氧化剂排气排出歧管315的端部可以由框架140的端表面140a的平均位置确定。注意，框架140的相对端表面140b、阴极侧隔板150以及阳极侧隔板160的端部位置在图中的上下方向上是相同的位置，所以氧化剂排气排出歧管315的另一端(在图2中的上端)可以由框架140的相对端表面140b以及阴极侧隔板150和阳极侧隔板160的端部中的任一个确定。多孔体流路170被放置在MEGA 110的阴极侧、框架140以及遮蔽板180上。多孔体流路170是使氧化剂气体流动通过其的流路，并且由金属网制成。代替金属网，多孔体流路170可以由其他类型的金属多孔体制成。在氧化剂排气排出歧管315中，多孔体流路170突出到与遮蔽板180相同的位置。注意，在图2中，示意地示出阴极侧隔板150、多孔体流路170以及遮蔽板180的突出量。

阴极侧隔板150被放置在与发电单元100或与端子板210相邻的多孔体流路170的那个侧面上。阴极侧隔板150是金属板，并且部分地突出到氧化剂排气排出歧管315中。阴极侧隔板160被放置在与多孔体流路170相对的MEGA 110和框架140的那些表面上。阳极侧隔板160是具有不规则形状的金属板。阳极侧隔板160未突出到氧化剂排气排出歧管315中。燃料气体流路132形成在阳极侧隔板160和MEGA 110之间，并且制冷剂通道形成在阴极侧隔板160和阴极侧隔板150之间。

图3是示出膜电极气体扩散层组件110(MEGA 110)的构造的说明图。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以及阳极侧气体扩散层120。电解质膜112是具有质子导电性的电解质膜，并且使用例如氟化电解质树脂(离子交换树脂)诸如全氟化碳磺酸聚合物

阴极侧催化剂层114和阳极侧催化剂层116具有携带催化剂(例如铂)的碳。在本实施例中，阳极侧催化剂层116被施加到电解质膜112的第一表面各处，但是阴极侧催化剂层114仅被施加到电解质膜112的第二表面的部分区域(发电区域)。这个的原因如下：阳极侧催化剂层116可以具有比阴极侧催化剂层114小的每单位面积催化剂量(典型地不多于阴极侧催化剂层114的每单位面积催化剂量的一半，例如约其三分之一)，所以即使催化剂施加到电解质膜112的第一表面各处，这并不引起过量的浪费，并且能够容易地执行施加步骤。

阴极侧气体扩散层118被放置在阴极侧催化剂层114上，并且阳极侧气体扩散层120被放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由碳纸制成。然而，它们可以代替碳纸地由碳无纺纤维制成。

图4是以放大的方式示出靠近氧化剂排气排出歧管315的发电单元100的那个部分的说明图。在这里，示出本实施例和比较例的两个结构。本实施例和比较例的共同之处在于，多孔体流路170和遮蔽板180突出到氧化剂排气排出歧管315中。然而，在本实施例中，阴极侧隔板150和遮蔽板180突出到氧化剂排气排出歧管315仅与多孔体流路170相同的长度，并且多孔体流路170的两个表面都覆盖有阴极侧隔板150和遮蔽板180。相反，在比较例中，阴极侧隔板150未突出到氧化剂排气排出歧管315中，这不同于本实施例。

图5是示出表示比较例和本实施例的氧化剂排气的流动方向的模拟结果的说明图。在本实施例中，因为多孔体流路170的两个表面都覆盖有遮蔽板180和阴极侧隔板150，所以从多孔体流路170排出的氧化剂排气和生成水的方向通常与流过氧化剂排气排出歧管315的氧化剂排气的流动方向垂直。相反，在比较例中，因为在阴极侧隔板150侧上的多孔体流路170的表面的部分未覆盖有阴极侧隔板150，所以从多孔体流路170排出的氧化剂排气和生成水不仅在与流过氧化剂排气排出歧管315的氧化剂排气的流动方向大致垂直的方向上流动，而且在与流过氧化剂排气排出歧管315的氧化剂排气的流动方向相反的方向上流动。

图6是示出在比较例中靠近端子板210的氧化剂排气排出歧管315的那个部分中生成水的分布的说明图。如上所述，在比较例中，因为从多孔体流路170排出的氧化剂排气和生成水也在与流过氧化剂排气排出歧管315的氧化剂排气的流动方向相反的方向上流动，所以如在图6中的左侧上的箭头所示，生成水积聚并且保留在氧化剂排气排出歧管315的较深侧上，即靠近端子板210。这里，当燃料电池10的负荷(图1)减少并且氧化剂气体的流量减少时，因此保留的生成水(在下文也称为“保留水”)相对于从多孔体流路170排出的氧化剂排气起覆盖物的作用，以便阻挡氧化剂排气的排出。结果，氧化剂气体的压力损失增加。这导致氧化剂气体难以供给到在较深侧上的发电单元100。此外，在保留水和多孔体流路170之间的接触部分是大的，并且因此，当氧化剂气体向燃料电池10的供给停止时，保留水易于向后流动到多孔体流路170。

图7是示出在本实施例中靠近端子板210的氧化剂排气排出歧管315的那个部分中生成水的分布的说明图。因为在多孔体流路170的氧化剂排气出口部分中几乎没有保留水，所以即使在其它部分中有保留水，保留水也难以像覆盖物一样作用。此外，因为，在保留水和多孔体流路170之间的接触部分是小的，所以即使氧化剂气体向燃料电池10的供给停止，保留水也难以向后流动到多孔体流路170。

图8是简要地比较本实施例和比较例的生成水的流动的说明图。在本实施例中，氧化剂排气和生成水在沿着多孔体流路170的纵向方向的方向(图8中的上下方向)上排出。相反，在比较例中，氧化剂排气和生成水朝向在沿着多孔体流路170的纵向方向的方向和朝向氧化剂排气排出歧管315的上游的方向之间的中间方向排出。注意，在本实施例中，如图7所示，保留水(生成水)在阴极侧隔板150和遮蔽板180之间的凹进部分中积聚。然而，保留水几乎不与多孔体流路170接触，所以保留水难以向后流动到多孔体流路170。相反，在比较例中，如图6所示，保留水(生成水)在多孔体流路170和遮蔽板180之间的凹进部分中积聚，以便与多孔体流路170接触，并且因而，能够说保留水易于向后流动到多孔体流路170。

图9是示出发电单元100的压力损失的曲线图。注意，在图9中，压力损失利用比率表示，当在比较例的干燥状态下压力损失是1.0。此外，许多发电单元100被设置在燃料电池10中，但是在曲线图中的值是平均值。“干燥”表示氧化剂气体在燃料电池10中没有产生电力的状态，即没有生成水产生的状态下流动的状态。“湿润”表示氧化剂气体在以最大电流量在燃料电池10下发电的状态，即在生成水的生成量是最大的状态下流动的状态。当燃料电池10被设置在车辆等中用于使用时，燃料电池10在干燥状态和湿润状态之间的状态下工作。

通常，在氧化剂气体供给歧管310的入口侧上，氧化剂气体易于进入发电单元100。然而，在端子板210的远端侧上，由于压力损失，氧化剂气体难以进入发电单元100。特别地，在湿润状态下，在入口侧上的压力损失没有如此不同于干燥状态。然而，在端子板210的远端侧上，由于生成水，压力损失进一步增加，所以由于压力损失，氧化剂气体难以进入发电单元100。因此，与干燥状态相比，压力损失在湿润状态下较大。

如上所述，在车辆中，燃料电池10在干燥状态和湿润状态之间的状态下工作。因此，优选的是，压力损失在压力损失是大的湿润状态下减少。当在比较例的干燥状态下压力损失是1.0时，在比较例的湿润状态下压力损失是2.8，并且在本实施例的湿润状态下压力损失是2.5。因此，与比较例相比，本实施例是更加优选的。

此外，同样优选的是，因为以下原因，湿润/干燥压力损失比是小的。例如，在燃料电池10在高温下工作的情况下的工作状态下，由于高温使燃料电池10干燥，所以此时的工作状态接近在干燥状态下的工作状态。这里，当车辆停止并且缓慢移动以便进入停车场等时，燃料电池10的温度降低，所以工作状态从干燥状态改变为湿润状态。在这种情况下，发电单元100不进入相同的湿润状态。这里，如果在干燥状态和湿润状态之间的压力损失比是大的，则每个发电单元100的气体供给状态在这两个状态之间较大地改变，所以可能阻碍有效的发电。因此，优选的是，湿润/干燥压力损失比是小的。在比较例中，湿润/干燥压力损失比是2.8，而在本实施例中，湿润/干燥压力损失比是2.4，所以与比较例相比，本实施例是更加优选的。

图10是示出发电单元100的空气化学计量比和电压(电池电压)的说明图。在本实施例中，测量在给定电流流过发电单元100时发电单元100的电压。这里，空气化学计量比表示流过发电单元100的氧化剂气体量相对于使给定电流流过发电单元100的必要氧化剂气体量的比率。例如，当空气化学计量比是2时，具有与使给定电流流过发电单元100的必要氧化剂气体量两倍一样多的量的氧化剂气体流过发电单元。这里，在氧化剂气体的小流量的情况下，由生成水的保留产生的影响容易发生在低的空气化学计量比侧。在空气化学计量比低的区域中，与在比较例中相比，在本实施例中电池电压较高，所以可以说，本实施例是有效的。

如上所述，在本实施例中，多孔体流路170、阴极侧隔板150以及遮蔽板180突出到由框架140限定的氧化剂排气排出歧管中，所以在多孔体流路170的氧化剂排气出口部分中几乎没有保留水，并且保留水难以像覆盖物一样作用。此外，因为在保留水和多孔体流路170之间的接触部分是小的，所以即使氧化剂气体向燃料电池10的供给停止，保留水也难以向后流动到多孔体流路170。结果，生成水易于排出，由此使其能够抑制在湿润状态下发电性能的降低。

图11A至图11C是示出本实施例的变型的部分的说明图。在图11A中，多孔体流路170、阴极侧隔板150以及遮蔽板180突出到由框架140限定的氧化剂排气排出歧管中，这与本实施例是共同的。然而，遮蔽板180的突出量小于多孔体流路170的突出量。结果，遮蔽板180覆盖较接近框架140的端表面140a的多孔体流路170的该部分，但是未覆盖多孔体流路170的端部(图11A的上侧)。在这个变型中，氧化剂排气和生成水朝向在沿着多孔体流路170的纵向方向的方向和朝向氧化剂排气排出歧管315的下游的方向之间的中间方向排出。由此，在没有向后流动的情况下，生成水流畅地排出。

在图11B中，多孔体流路170、阴极侧隔板150以及遮蔽板180以与本实施例中相同的方式放置，但是遮蔽板180包括许多孔181，这不同于本实施例。在这个变型中，与本实施例类似地，氧化剂排气和生成水在沿着多孔体流路170的纵向方向的方向上排出，并且在氧化剂排气的流动的下游方向上从遮蔽板180的孔181进一步排出。由此，在没有向后流动的情况下，生成水容易地排出燃料电池10外部。注意，可以代替孔181而采用狭缝，只要生成水可从其排出。

在图11C中，多孔体流路170、阴极侧隔板150以及遮蔽板180被构造成突出到由框架140限定的氧化剂排气排出歧管315中，这与本实施例是共同的，但是遮蔽板180和阴极侧隔板150的突出量小于多孔体流路170的突出量。也就是说，较接近框架140的端表面140a的多孔体流路170的部分覆盖有阴极侧隔板150和遮蔽板180，但是多孔体流路170的端部(在图11C中的上侧)未覆盖有遮蔽板180和阴极侧隔板150。在这个变型中，与本实施例类似地，氧化剂排气和生成水在沿着多孔体流路170的纵向方向的方向上排出。当保留水离开时，如在图6或图7中的右侧上所示，保留水在阴极侧隔板150和遮蔽板180之间积聚。即使在这个变型中，与图7中示出的本实施例类似地，多孔体流路170也难以与保留水接触，所以保留水难以像覆盖物一样作用。此外，即使氧化剂气体向燃料电池10的供给停止，保留水也难以向后流动到多孔体流路170。优选的是，遮蔽板180和阴极侧隔板150的突出量具有相同的突出量，或者与遮蔽板180相比，在氧化剂排气的流的上游中设置的阴极侧隔板150突出更多，只要遮蔽板180和阴极侧隔板150的突出量小于多孔体流路170的突出量。优选的是，满足以下关系，“多孔体流路170的突出量＞阴极侧隔板150的突出量≥遮蔽板180的突出量”。注意，与阴极侧隔板150相比，遮蔽板180可以突出更多。

在以上实施例中，发电单元100的阴极侧被放置在氧化剂排气排出歧管315的流的上游中，并且发电单元100的阳极侧被放置在氧化剂排气排出歧管315的流的下游中，但是阴极和阳极的关系可以与以上相反。在这样的情况下，在与变型的图11A对应的示例中，阴极侧隔板150的突出量应该小于多孔体流路170和遮蔽板180的突出量。此外，在与变型的图11B对应的示例中，开口应该被设置在阴极侧隔板150中。

如能够从以上实施例和各种变型所理解，优选的是，遮蔽板180、多孔体流路170以及阴极侧隔板150突出到由框架140限定的氧化剂排气排出歧管315中。

以上基于一些示例已经描述本发明的实施例，但是本发明的以上实施例旨在便于本发明的理解，而不限制本发明。在不偏离权利要求书的主旨和范围的情况下，本发明能够改变或变型，并且进一步，毋庸置疑本发明包括其等同物。

Claims (5)

1.一种通过层叠多个发电单元形成的燃料电池，其中：

每个所述发电单元均包括：

膜电极气体扩散层组件，所述膜电极气体扩散层组件包括电解质膜、阳极侧催化剂层以及阴极侧催化剂层，使得所述电解质膜被夹在所述阳极侧催化剂层和所述阴极侧催化剂层之间；

密封部分，所述密封部分沿着所述膜电极气体扩散层组件的外周布置；

多孔体流路，所述多孔体流路被布置成与所述阴极侧催化剂层相对，并且被供给到所述阴极侧催化剂层的氧化剂气体在所述多孔体流路中流动；

遮蔽板，所述遮蔽板被设置在所述密封部分和所述多孔体流路之间；以及

第一隔板、第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板被构造成将所述膜电极气体扩散层组件和所述多孔体流路夹在所述第一隔板和所述第二隔板之间，

所述密封部分和所述第一隔板、所述第二隔板在彼此对应的位置处具有开口，

当所述多个发电单元被层叠时，所述开口彼此连通，以便形成氧化剂排气排出歧管，氧化剂排气通过所述氧化剂排气排出歧管从所述多孔体流路排出，

所述第一隔板与所述多孔体流路接触，并且

所述遮蔽板、所述多孔体流路以及所述第一隔板突出到由所述密封部分限定的所述氧化剂排气排出歧管中。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中：

所述多孔体流路的突出到所述氧化剂排气排出歧管中的那个部分的两个表面由所述遮蔽板和所述第一隔板覆盖。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中：

在所述氧化剂排气排出歧管中的所述氧化剂排气的流动方向上的下游布置的所述遮蔽板和所述第一隔板中的一个与在所述流动方向上的上游布置的所述遮蔽板和所述第一隔板中的另一个相比具有较小的突出到所述氧化剂排气排出歧管中的突出量。

4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中：

与所述遮蔽板和所述第一隔板相比，所述多孔体流路突出到所述氧化剂排气排出歧管中更多。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池，其中：

在所述氧化剂排气排出歧管中的所述氧化剂排气的流动方向上的下游布置的所述遮蔽板和所述第一隔板中的一个包括孔或狭缝，所述孔或狭缝被构造成使所述氧化剂排气排出歧管和所述多孔体流路连通。