CN109565060B - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
作为如下的燃料电池(FC),其包括:具有用阳极电极(7)和阴极电极(6)夹着电解质(5)的构造的电池构造体(3);以及在与电池构造体(3)之间分别形成阳极气体以及阴极气体的流通区域(G1、G2)的一对隔板(4),在电池构造体(3)的阳极电极(7)侧具有:围绕阳极气体的流通区域(G1)的第1密封部(S1);以及围绕第1密封部(S1)的外周侧的第2密封部(S2),在第1密封部(S1)与第2密封部(S2)之间形成含氧气体的流通路(F),利用双层的密封构造来抑制阳极气体的漏出,即使万一第1密封部(S1)劣化,在将通过了第1密封部的阳极气体向外部排出之前将其无害化。
Description
技术领域
本发明关于具有用一对隔板夹持电池构造体的构造的燃料电池的改良。
背景技术
作为以往的燃料电池,有在例如专利文献1中记载的燃料电池。专利文献1所述的燃料电池包括:在电解质层的两面配备电极层的膜电极接合体;以及夹着膜电极接合体的相对的一对隔板。在膜电极接合体以及隔板分别形成反应气体的供给用歧管以及排出用歧管。
而且,对于燃料电池,为了防止反应气体的泄漏,环状的密封构件以包围电极层的周围的方式配置于膜电极接合体的周缘部与隔板之间。此外,对于膜电极接合体,在阳极侧,在阴极气体用的歧管的周围配置密封构件,并且在阴极侧,在阳极气体的歧管的周围配置密封构件,由此,将阳极气体和阴极气体的各自的流通空间气密地分离。
专利文献1:日本国特开2011-228187号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是,对于如上述那样的燃料电池,由于在阳极气体中含有可燃性气体(氢),因此有必要预先采取气体泄漏对策,在谋求安全性的提高的基础上进一步实施改良是非常重要的。
本发明鉴于上述以往的情况而成,目的在于提供一种能够抑制阳极气体向外部的漏出,即使万一阳极气体的密封部劣化,也能够在将通过了密封部的阳极气体向外部排出之前将其无害化的燃料电池。
用于解决问题的方案
本发明涉及的燃料电池,其特征在于,包括:具有用阳极电极和阴极电极夹着电解质的构造的电池构造体;以及在与所述电池构造体之间分别形成阳极气体的流通区域和阴极气体的流通区域的一对隔板。而且,对于燃料电池,所述电池构造体以及隔板具有用于使阳极气体和阴极气体流通的各个歧管孔,在所述电池构造体的阳极电极侧的周缘部具有围绕包含阳极气体的歧管孔的流通区域的第1密封部以及围绕所述第1密封部的外周侧的第2密封部,在所述第1密封部与第2密封部之间配置有阴极气体的歧管孔并形成供阴极气体流通的流通路。
发明的效果
在本发明涉及的燃料电池中,在电池构造体的阳极电极侧的周缘部和与其相对的隔板之间,利用第1密封部和第2密封部形成双层的密封构造来防止阳极气体向外部的漏出。此外,对于燃料电池,即使万一阳极气体向第1密封部的外侧漏出,由于在第1密封部和其外周侧的第2密封部之间配置有阴极气体的歧管孔并形成阴极气体的流通路,因此通过了第1密封部的阳极气体与阴极气体混合燃烧,或者被阴极气体稀释。
这样一来,本发明涉及的燃料电池能够抑制阳极气体的漏出,即使万一第1密封部劣化,也能够在将通过了第1密封部的阳极气体向外部排出之前将其无害化。由此,燃料电池能够提高安全性。
附图说明
图1是表示包含本发明的燃料电池的燃料电池堆的分解立体图。
图2是说明本发明的第1实施方式的燃料电池的立体图。
图3是燃料电池的长边部分的剖视图。
图4是说明电池构造体的阴极电极侧以及阳极电极侧的俯视图。
图5是表示本发明的第2实施方式的燃料电池的长边部分的剖视图。
图6是表示本发明的第3实施方式的燃料电池的长边部分的剖视图。
图7是表示本发明的第4实施方式的阳极电极侧的俯视图。
图8是表示本发明的第5实施方式的阳极电极侧的俯视图。
图9是表示本发明的第6实施方式的燃料电池堆的主要部分的剖视图。
具体实施方式
第1实施方式
图1是概略地表示包含本发明涉及的燃料电池FC的燃料电池堆FS的图。图示的燃料电池堆FS具有将在发电区域1的周围具备框架2的电池构造体3与隔板4交替层叠的构造。另外,虽然在图1中示出了2张电池构造体3,但是实际上层叠多张电池构造体3。此外,对于燃料电池堆FS,由于在各个电池构造体3的两面形成气体的流通区域的情况,隔板4的数量变得比电池构造体3的数量多1张。
如图2所示,电池构造体3包含保持其周围的框架2,燃料电池FC具有此电池构造体3和一对隔板4、4。换言之,就燃料电池FC来说,在图1所示的燃料电池堆FS中,相邻的燃料电池FC彼此共用相互间的隔板4来形成各自的燃料电池FC。
电池构造体3是形成为平面矩形的板状的多层构造体,如图3所示的一部分,其具有用图3中上侧的阴极电极(空气极)6和图3中下侧的阳极电极(燃料极)7夹着电解质5的构造。此外,电池构造体3在阳极电极7侧具有由泡沫金属等的多孔质材料形成的支承板8。此电池构造体3利用支承板8在维持向阳极电极7的透气性的同时提高机械强度,有被称为例如金属支承电池的情况。
上述框架2是电池构造体3的一部分,虽然没有特别限定其材料,但是能够使用树脂、金属。此框架2也可以与包括电解质5、阴极电极6以及阳极电极7的发电区域1一体成形。此外,对于框架2,也能够使用在中央能够配置发电区域1的大小的多孔质材料制的支承板8,将此支承板8的周围压缩而致密化,并将致密化部分作为框架(框架部)。
此实施方式的电池构造体3在阴极电极6侧配备由金属板网、金属网等具有透气性的材料形成的加强板9,在维持对阴极电极6的透气性的同时进一步提高机械强度。
隔板4是由不锈钢等金属材料形成,且与电池构造体3相对应的平面矩形的构件,利用冲压加工成形为具有凹凸的表背反转形状。在燃料电池FC中,一对隔板4、4中的一侧的隔板4在与电池构造体3的阴极电极6侧之间形成阴极气体(含氧气体·空气)的流通区域G2。此外,另一侧的隔板4在与电池构造体3的阳极电极7侧之间形成阳极气体(含氢气体·氢气)的流通区域G1。
另外,如前所述,在燃料电池堆FS中,燃料电池FC共用相互间的隔板4。因此,对于共用的各隔板4,在作为图3中的上侧的一侧形成阴极气体的流通区域G2,在作为图3中的下侧的另一侧形成阳极气体的流通区域G1,并将两者的流通区域G1、G2分离。各流通区域G1、G2是仅各自的气体能够流通的整个区域。
在此,在电池构造体3的框架2、以及隔板4的一侧的短边部分分别形成有阳极气体的供给用歧管孔H1以及阴极气体的排出用歧管孔H2。此外,在另一侧的短边部分分别形成有阳极气体的排出用歧管孔H3以及阴极气体的供给用歧管孔H4。在将电池构造体3以及隔板4层叠的状态下,这些歧管孔H1~H4相互连通并分别形成使燃料气体、空气流通的歧管。
如图1所示,燃料电池堆FS在燃料电池FC的层叠体的上下隔着集电板C1、C2配置端板E1、E2。而且,燃料电池堆FS将两侧的端板E1、E2利用螺栓·螺母类连结来约束层叠体。对于端板E1、E2的连结,根据需要配置用于施加层叠载荷的弹簧。另外,各个歧管孔H1~H4也形成于集电板C1、C2以及一侧的端板E2。
此外,在燃料电池堆FS中,在各构件间配置有在图1中用虚线表示的密封构件S。作为主要的密封构件S,有在电池构造体3的周缘部与隔板4的周缘部彼此之间配置的密封构件,以及在歧管孔H1~H4的周围配置的密封构件。其详细在以下说明。
如图2~4所示,构成上述的燃料电池堆FS的燃料电池FC在电池构造体3的阳极电极7侧具有围绕阳极气体的流通区域G1的第1密封部S1和围绕第1密封部S1的外周侧的第2密封部S2。第1以及第2密封部S1、S2以隔开一定的间隔配置,在两者之间形成有含氧气体的流通路F。
此外,在电池构造体3的阳极电极7侧,燃料电池FC在阳极气体的流通区域G1内含有阳极气体的歧管孔H1、H3,同时阴极气体的歧管孔H2、H4配置于第1密封部与第2密封部之间。
另外,在电池构造体3的阴极电极6侧,燃料电池FC具有围绕阳极气体的歧管孔H1、H3的第3密封部和围绕阴极气体的流通区域G2的第4密封部。
换言之,对于燃料电池FC,在图3中右侧所示的电池构造体3的阳极电极7侧,以围绕阳极气体的流通区域G1,也就是含有阳极电极7以及歧管孔H1、H3的流通区域G1的方式配置有环状的第1密封部S1。此时,阴极气体的歧管孔H2、H4成为第1密封部S1的外侧。而且,在电池构造体3的阳极电极7侧,以包含阳极气体的流通区域G1以及阴极气体的歧管孔H2、H4的方式在框架2的周缘部配置有环状的第2密封部S2。
另一方面,在电池构造体3的阴极电极6侧,如图3中左侧所示,在阳极气体的歧管孔H1、H3的周围配置有环状的第3密封部S3。此外,同样在阴极电极6侧,以围绕阴极气体的流通区域G2,也就是含有阴极电极6以及歧管孔H2、H4的流通区域G2的方式在框架2的周缘部配置有环状的第4密封部S4。
具有上述结构的燃料电池FC向电池构造体3的阴极电极6供给阴极气体,并且向阳极电极7供给阳极气体,从而利用各电极6、7以及电解质5中的电化学反应来产生电能。
此时,对于燃料电池FC,在图3中的右侧所示的阳极电极7侧,阳极气体(箭头AG)自供给用的歧管孔H1经过阳极电极7流向排出用的歧管孔H3。此外,在图3中的左侧所示的阴极电极6侧,阴极气体(箭头CG)自供给用的歧管H4经过阴极电极6流向排出用的歧管孔H2,成为与阳极气体(AG)反向的流动。
此外,在此实施方式的燃料电池FC中,在电池构造体3的阳极电极7侧,在第1密封部S1与第2密封部S2之间形成含氧气体的流通路F,由于在此流通路F配置有阴极气体的歧管孔H2、H4,因此如图3中以短箭头所示,在流通路F中作为含氧气体的阴极气体持续流通。由于向此流通路F供给的阴极气体是在向发电区域1供给前的阴极气体的一部分,因此含有充分的氧量。
具有上述结构的燃料电池FC在电池构造体3的阳极电极7侧和与此相对的隔板4之间利用第1密封部S1和第2密封部S2形成双层的密封构造来防止阳极气体向外部的漏出。
此外,对于燃料电池FC,如图3中以虚线箭头所示,即使万一阳极气体向第1密封部S1的外侧漏出,由于在第1密封部S1与第2密封部S2之间具有含氧气体的流通路F,因此在此流通路F中,阳极气体和阴极气体(含氧气体)混合燃烧,或者阳极气体被阴极气体稀释。
这样一来,燃料电池FC能够利用双层的密封结构来防止阳极气体向外部的漏出,即使万一第1密封部S1劣化,也能够在流通路F中将通过了第1密封部S1的阳极气体在向外部排出之前无害化。由此,能够将高浓度的阳极气体向外部排出这样的事态阻止于未然,能够提高安全性。
此外,上述的燃料电池FC由于设为在第1以及第2密封部S1、S2之间配置阴极气体的歧管孔H2、H4,使作为含氧气体的阴极气体在流通路F中流通,因此相对于流通路F,无需使用独立的含氧气体的供给系统,能够实现装置构造以及系统整体的简化、低成本化。
图5~图9是表示本发明涉及的燃料电池以及燃料电池堆的第2~第6实施方式的图。在以下的各实施方式中,对于与第1实施方式同样的构成部位,附上同样的附图标记并省略详细的说明。
第2实施方式
作为更加优选的实施方式,燃料电池FC能够设为第1以及第2密封部S1、S2的密封强度与第3以及第4密封部S3、S4的密封强度彼此不同。在此情况下,作为再进一步优选的实施方式,能够设为第1以及第2密封部S1、S2的密封强度比第3以及第4密封部S3、S4的密封强度大。
对于图5所示的燃料电池FC,第1以及第2密封部S1、S2利用焊接形成,第4密封部S4由低结晶化玻璃等玻璃材料形成。由此,燃料电池FC的密封构造在阳极侧以及阴极侧密封强度彼此不同,采用焊接的阳极侧的密封强度相对地较大。另外,由于图5是燃料电池FC的长边部分的剖面,因此第3密封部(S3)在图中不表示。
第1以及第3密封部S1、S3与阳极气体以及阴极气体这两者接触。此外,第2以及第4密封部S2、S4主要与阴极气体接触。因此,根据接触的气体的种类等,燃料电池FC适当选择各密封部S1~S4的密封方法、密封构件的材料以及密封构造等而使各自的密封强度不同。
由此,与之前的实施方式同样地,燃料电池FC利用由第1以及第2密封部S1、S2形成的双层的密封构造来防止阳极气体向外部的漏出。此外,对于燃料电池FC,如图中以虚线箭头所示,即使万一第1密封部S1劣化,在流通路F中使通过了第1密封部S1的阳极气体燃烧或者稀释,在向外部排出之前将其无害化。
而且,对于燃料电池FC,在上述的作用效果之外,由于第1以及第2密封部S1、S2与第3以及第4密封部S3、S4彼此具有不同的密封强度,因此还能够实现密封部S1~S4相对于腐蚀、氧化以及还原的鲁棒性的提高,能够谋求可靠性以及安全性的进一步提高。
另外,燃料电池FC通过使第1以及第2密封部S1、S2的密封强度比第3以及第4密封部S3、S4的密封强度大来实现密封部S1~S4相对于腐蚀、氧化以及还原的鲁棒性的进一步提高。在此,焊接部由于是金属,在高温的氧化环境下放置时劣化(生成氧化层而脆化),因此优选设置于还原气氛中。从这样的观点来说,在上述实施方式中,通过在作为阳极气体侧的第1以及第2密封部S1、S2采用焊接来实现上述鲁棒性的提高。
另外,在上述实施方式中,利用焊接形成第1以及第2密封部S1、S2,由玻璃材料形成第3以及第4密封部S3、S4,从而使彼此的密封强度不同。但是,密封强度也能够通过例如增减焊接范围、改变玻璃材料的组成来设定。因此,例如,也能够利用焊接形成阳极侧的第1密封部S1以及阴极侧的第3密封部S3,以玻璃材料形成阳极侧的第2密封部S2以及阴极侧的第4密封部S4,从而使各密封部S1~S4密封强度彼此不同。
第3实施方式
对于此实施方式的燃料电池FC,第1密封部S1的密封强度和第2密封部S2的密封强度彼此不同。此外,对于燃料电池FC,作为更加优选的实施方式,第1密封部S1的密封强度能够设为比第2密封部S2的密封强度大。作为其具体例,对于图6所示的燃料电池FC,第1密封部S1利用焊接形成,同时第2密封部S2由玻璃材料形成。
具有上述结构的燃料电池FC的第1密封部S1以及第2密封部S2各自的断裂模式(对断裂有效的输入)不同。由此,燃料电池FC在能够得到与之前的实施方式同样的作用效果的基础上,还将相对于某输入而第1以及第2密封部S1、S2这两者同时断裂这样的事态阻止于未然。
此外,燃料电池FC由于第1密封部S1的密封强度比第2密封部S2的密封强度大,因此利用第1密封部S1的阳极气体的密封功能提高。而且,即使假设第1密封部S1劣化,燃料电池FC也能够在含氧气体流通的流通路F中使通过了第1密封部S1的阳极气体燃烧或者稀释,在向外部排出之间将其无害化。
另外,燃料电池FC利用焊接形成第1密封部S1,由玻璃材料形成第2密封部S2,从而能够在阳极气体的密封功能得以提高的基础上,在高温时第2密封部S2软化而脆性下降,对密封功能的鲁棒性的提高做出贡献。
第4实施方式
对于图7所示的燃料电池FC,在电池构造体3的阳极电极7侧,第1以及第2密封部S1、S2以将阴极气体的歧管孔H2、H4排除在外的方式围绕阳极气体的流通区域G1。而且,燃料电池FC在第1以及第2密封部S1、S2之间形成含氧气体的流通路F,自供给源10向流通路F持续地供给含氧气体。此外,在图示的燃料电池FC的阳极电极7侧,设有围绕阴极气体的歧管孔H2、H4的密封构件S、S。
在此情况下,燃料电池FC在流通路F形成含氧气体的入口11A。供给源10例如可以包含于阴极气体的供给系统中,也可以独立供给含氧气体。此外,如果使用氧气作为含氧气体,则与向流通路F漏出的阳极气体的混合燃烧被进一步促进,能够对阳极气体的进一步无害化做出贡献。
另外,在此实施方式的情况下,如图中以虚线箭头所示,也可以设置流通路F的出口11B,并提高流通路F中的含氧气体的流通性。此外,在此实施方式中,虽然举例示出了围绕阴极气体的歧管孔H2、H4的密封构件S、S,但是也可以在歧管孔H2、H4的部分以穿过歧管孔H2、H4的内侧以及外侧的方式使第2密封部S2分岐。
第5实施方式
对于图8所示的燃料电池FC,在电池构造体3的阳极电极7侧,在第1以及第2密封部S1、S2之间形成含氧气体的流通路F,并且配置阴极气体的歧管孔H2、H4中的一者。在图示的例子中,将阴极气体的供给用的歧管孔H4配置于流通路F内,并设有围绕排出用的歧管孔H2的密封构件S。在此情况下,以图中的虚线箭头所示,也可以在阴极气体的排出侧的歧管孔H2的附近设置含氧气体的出口11B,或者设置自该出口11B直至排出用歧管孔H2的通路。
即使在上述的燃料电池FC中,与之前的实施方式同样地,利用由第1以及第2密封部S1、S2形成的双层的密封构造来防止阳极气体向外部的漏出,即使万一第1密封部S1劣化,也能够在流通路F使通过了第1密封部S1的阳极气体燃烧或者稀释,在向外部排出之前将其无害化。
第6实施方式
图9所示的燃料电池堆FS具有将在之前实施方式中说明的燃料电池FC(参照图2)层叠的构造,此时,相邻的燃料电池FC彼此共用相互间的隔板4来构成各自的燃料电池。此外,对于燃料电池堆FS,构成燃料电池FC的电池构造体3包含保持其周围的框架2。
对于上述的燃料电池堆FS,各电池构造体3的框架2在其外周具有与隔板4的周缘部相比向外周侧延伸的延伸部2A。而且,燃料电池堆FS在相邻的电池构造体3、3的框架2、2的延伸部2A、2A彼此之间配置有第2密封部S2。
如在之前的实施方式中所说明的那样,相对于围绕阳极气体的流通区域G1的第1密封部S1,第2密封部S2围绕其外周侧。但是,此实施方式的第2密封部S2配置于框架2的延伸部2A、2A之间,也就是配置于不存在隔板4的部分。由此,第2密封部S2与配置于电池构造体3的阴极电极6侧的第4密封部(S4)一体化。
对于上述的燃料电池堆FS,第2密封部S2即使设为与第4密封部S4一体化,也在第1密封部S1密封阳极气体,并且在第2密封部S2密封阴极气体。由此,燃料电池堆FS在第1密封部S1与第2密封部S2之间形成含氧气体的流通路F。因此,在流通路F中流通的含氧气体在构造上更加优选使用阴极气体。
与在之前的实施方式中说明的燃料电池FC同样地,上述的燃料电池堆FS利用由第1以及第2密封部S1、S2形成的双层的密封构造来防止阳极气体向外部的漏出。此外,对于燃料电池堆FS,即使万一第1密封部S1劣化,也能够在流通路F使阳极气体燃烧或者稀释,在向外部排出之前将其无害化。
另外,对于上述的燃料电池堆FS,由于第2密封部S2变为与第4密封部S4一体化,因此能够削减与该部分相应的部件件数、工时,能够实现制造效率的提高、低成本化。
对于本发明涉及的燃料电池以及燃料电池堆,其结构不仅限定于上述各实施方式,在不脱离本发明的要旨的范围内适当改变结构的细节或者将上述各实施方式的结构适当组合是可能的。
此外,在上述的各实施方式中,举例示出了在电池构造体3的阳极电极7侧具有第1密封部S1和第2密封部S2,在第1密封部S1的外侧配置阴极气体的歧管孔H2、H4的结构。
对于本发明的燃料电池FC,只要各个气体的流通区域G1、G2被气密地分离即可,因此也可以在阳极电极7侧,将阴极气体的歧管孔H2、H4配置于第1密封部S1的内侧,将其他的密封部(图7、8的密封构件S)配置于该歧管孔H2、H4的周围。在此情况下,作为向流通路F供给含氧气体的结构,能够使用图7所示的独立的供给源10、自歧管孔H2、H4直至流通路F的阴极气体(含氧气体)的连通路,由此,得到与各实施方式同样的作用效果。
附图标记说明
F、流通路;FC、燃料电池;FS、燃料电池堆;G1、阳极气体的流通区域;G2、阴极气体的流通区域;H1、H3、阳极气体的歧管孔;H2、H4、阴极气体的歧管孔;S1、第1密封部;S2、第2密封部;S3、第3密封部;S4、第4密封部;2、框架;2A、延伸部;3、电池构造体;4、隔板;5、电解质;6、阴极电极;7、阳极电极。
Claims (9)
1.一种燃料电池,其特征在于,
所述燃料电池包括:
电池构造体,其具有用阳极电极和阴极电极夹着电解质的构造;以及
一对隔板,其在与所述电池构造体之间分别形成阳极气体的流通区域和阴极气体的流通区域,
所述电池构造体包含保持所述电池构造体的周围的金属框架,
所述金属框架以及隔板具有用于使阳极气体和阴极气体流通的各个歧管孔,
在所述电池构造体的阳极电极侧在所述金属框架的周缘部具有围绕包含阳极气体的歧管孔的流通区域的第1密封部以及围绕第1密封部的外周侧的第2密封部,
在所述第1密封部与第2密封部之间配置有阴极气体的歧管孔并形成供阴极气体流通的流通路,
所述阴极气体的歧管孔包括供给用歧管孔和排出用歧管孔,供阴极气体流通的所述流通路具有环形形状,该流通路包括第一部分和第二部分,所述第一部分和所述第二部分形成为分别允许阴极气体从所述供给用歧管孔到所述排出用歧管孔的顺时针流动和阴极气体从所述供给用歧管孔到所述排出用歧管孔的逆时针流动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池,其特征在于,
在所述电池构造体的阴极电极侧,具有围绕阳极气体的歧管孔的第3密封部以及围绕阴极气体的流通区域的第4密封部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池,其特征在于,
所述第1密封部以及所述第2密封部的密封强度与所述第3密封部以及所述第4密封部的密封强度彼此不同。
4.根据权利要求3所述的燃料电池,其特征在于,
所述第1密封部以及所述第2密封部的密封强度比所述第3密封部以及所述第4密封部的密封强度大。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池,其特征在于,
所述第1密封部的密封强度和所述第2密封部的密封强度彼此不同。
6.根据权利要求5所述的燃料电池,其特征在于,
所述第1密封部的密封强度比所述第2密封部的密封强度大。
7.根据权利要求6所述的燃料电池,其特征在于,
所述第1密封部利用焊接形成,所述第2密封部由玻璃材料形成。
8.一种燃料电池堆,其特征在于,
所述燃料电池堆具有将权利要求1所述的燃料电池层叠的构造,
相邻的燃料电池彼此共用相互间的隔板来构成各自的燃料电池。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆,其特征在于,
所述电池构造体包含保持所述电池构造体的周围的框架,
所述框架在其外周具有与所述隔板的周缘部相比向外周侧延伸的延伸部,
在相邻的电池构造体的框架中的所述延伸部彼此之间配置有所述第2密封部。
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