CN110323476B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池。燃料电池包括：膜电极组件；和被布置在膜电极组件的一侧上的分隔件，其中，分隔件包括流路凹槽，反应气体在分隔件和膜电极组件之间通过流路凹槽流动，流路凹槽包括：波状凹槽，波状凹槽在第一方向上波状地延伸，并且在与第一方向正交的第二方向上布置；和在第一方向上线性地延伸的线性凹槽，波状凹槽包括：在波状凹槽中最靠近线性凹槽定位的第一波状凹槽；和第二波状凹槽，第二波状凹槽相对于第一波状凹槽与线性凹槽相反地定位，并且第一波状凹槽的振幅小于第二波状凹槽的振幅。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池。
背景技术
燃料电池的分隔件形成有流路凹槽，反应气体在分隔件和膜电极组件之间通过流路凹槽流动。在流路凹槽中流动的反应气体的一个部分被供给到膜电极组件，从而发电反应在膜电极组件中发生。例如，在日本未审专利申请公报第2014-026960号中，分隔件形成有作为流路凹槽的波状凹槽和线性凹槽。
因为波状凹槽和线性凹槽在形状方面不同，所以在线性凹槽和最靠近线性凹槽的波状凹槽之间存在大的间隔。如果这种间隔太大，则反应气体可能没有被充分地供给到膜电极组件，并且燃料电池的发电性能可能劣化。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种抑制发电性能劣化的燃料电池。
通过一种燃料电池实现了以上目的，该燃料电池包括：膜电极组件；和被布置在膜电极组件的一侧上的分隔件，其中，分隔件包括流路凹槽，反应气体在分隔件和膜电极组件之间通过流路凹槽流动，流路凹槽包括：波状凹槽，波状凹槽在第一方向上波状地延伸，并且在与第一方向正交的第二方向上布置；和在第一方向上线性地延伸的线性凹槽，波状凹槽包括：在波状凹槽中最靠近线性凹槽定位的第一波状凹槽；和第二波状凹槽，第二波状凹槽相对于第一波状凹槽与线性凹槽相反地定位，并且第一波状凹槽的振幅小于第二波状凹槽的振幅。
因为最靠近线性凹槽的第一波状凹槽的振幅小于第二波状凹槽的振幅，所以能够抑制在线性凹槽和第一波状凹槽之间的间隔的增大。因此，能够抑制反应气体不被供给到膜电极组件的如下的一部分，该部分对应于在此处间隔增大的通道部，并且能够抑制燃料电池的发电性能劣化。
第一和第二波状凹槽的波长可以彼此相同。
第一和第二波状凹槽的相位可以彼此相同。
所有的波状凹槽的波长可以彼此相同，并且所有的波状凹槽的相位可以彼此相同。
线性凹槽可以在重力方向上位于波状凹槽的下方。
波状凹槽可以包括第三波状凹槽，第三波状凹槽相对于第二波状凹槽与第一波状凹槽相反地定位，并且第二波状凹槽的振幅可以小于或等于第三波状凹槽的振幅。
波状凹槽的振幅可以随着波状凹槽更加靠近线性凹槽定位而更小。
分隔件可以是被布置在膜电极组件的阳极侧上的阳极分隔件。
本发明的效果
根据本发明，能够提供一种抑制发电性能劣化的燃料电池。
附图说明
图1是燃料电池的单体电池的分解立体图；
图2是单体电池被堆叠起来的燃料电池的部分截面视图；
图3A是示意本实施例中的分隔件的流路部的一部分的放大视图，并且图3B是示意对照示例中的分隔件的流路部的一部分的放大视图；并且
图4A是示意第一变型例中的分隔件的流路部的一部分的放大视图，并且图4B是示意第二变型例中的分隔件的流路部的一部分的放大视图。
具体实施方式
图1是燃料电池1的单体电池2的分解立体图。燃料电池1通过堆叠多个单体电池2而被构造而成。图1仅示意了一个单体电池2，并且省略了其它单体电池。单体电池2在图1中所示意的Z方向上与其它单体电池堆叠。单体电池2具有大致矩形的形状。单体电池2的纵向方向和短方向分别对应于在图1中所示意的Y方向和X方向。
燃料电池1是聚合物电解质燃料电池，燃料电池用燃料气体(例如，氢气)和氧化剂气体(例如，氧气)作为反应气体产生电力。单体电池2包括：膜电极气体扩散层组件(MEGA)10；支撑MEGA 10的支撑框架18；将MEGA 10夹在中间的阴极分隔件20和阳极分隔件40(在下文中称作分隔件)。MEGA 10具有阴极气体扩散层16c和阳极气体扩散层16a(在下文中称作扩散层)。支撑框架18具有大致框架的形状，并且其内周边侧被联结到MEGA 10的周边区域。
孔c1到c3沿着分隔件20的两个短边中的一个边形成，并且孔c4到c6沿着另一边形成。类似地，孔s1到s3沿着支撑框架18的两个短边中的一边形成，并且孔s4到s6沿着另一边形成。类似地，孔a1到a3沿着分隔件40的两个短边中的一边形成，并且孔a4到a6沿着另一边形成。孔c1、s1和a1相互连通以限定阴极进口歧管。类似地，孔c2、s2和a2限定冷却剂进口歧管。孔c3、s3和a3限定阳极出口歧管。孔c4、s4和a4限定阳极进口歧管。孔c5、s5和a5限定冷却剂出口歧管。孔c6、s6和a6限定阴极出口歧管。在根据本实施例的燃料电池1中，液体冷却水被用作冷却剂。
分隔件40的、面对MEGA 10的表面形成有阳极流路部40A(在下文中称作流路部)，阳极流路部40A将阳极进口歧管与阳极出口歧管连通，并且燃料气体沿着阳极流路部40A流动。分隔件20的、面对MEGA 10的表面形成有阴极流路部20A(在下文中称作流路部)，阴极流路部20A将阴极进口歧管与阴极出口歧管连通并且氧化剂气体沿着阴极流路部20A流动。分隔件40的、与流路部40A相反的表面和分隔件20的、与流路部20A相反的表面分别地形成有冷却剂流路部40B和20B(在下文中称作流路部)，冷却剂流路部40B和20B将冷却剂进口歧管与冷却剂出口歧管连通并且冷却剂沿着冷却剂流路部40B和20B流动。流路部20A和20B在分隔件20的纵向方向(Y方向)上延伸。类似地，流路部40A和40B在分隔件40的纵向方向(Y方向)上延伸。每一个流路部在XY平面中基本上都被设置在分隔件的、面对MEGA 10的区域中。分隔件20和40由具有气体阻挡性质和导电性的材料制成，并且是通过压制不锈钢、金属(诸如钛或者钛合金)而形成的薄板形构件。
图2是单体电池2被堆叠起来的燃料电池1的部分截面视图。图2仅示意了一个单体电池2，并且省略其它单体电池。图2示意正交于Y方向的截面。
MEGA 10包括扩散层16a和16c和膜电极组件(MEA)11。MEA 11包括电解质膜12，和分别地在电解质膜12的一个表面和另一个表面上形成的阳极催化剂层14a和阴极催化剂层14c(在下文中称作催化剂层)。电解质膜12是在湿润状态下带有高质子传导性的固体聚合物薄膜，诸如氟基离子交换膜。通过在电解质膜12上涂覆包含携带铂(Pt)等的碳载体和具有质子传导性的离聚物的催化剂墨水而制成催化剂层14a和14c。扩散层16a和16c由具有气体渗透性和传导性的材料例如多孔纤维基础材料(诸如碳纤维或者石墨纤维)制成。扩散层16a和16c分别地被联结到催化剂层14a和14c。
当在Y方向上观察时，流路部20A、20B、40A和40B中的每一个在截面中都具有波状形状。具体地，关于流路部20A，远离扩散层16c凹进的流路凹槽21，和向扩散层16c突出的、并且与扩散层16c相接触的肋条23被交替地布置在X方向上。沿着流路凹槽21的内部流动的阴极气体经由扩散层16c被供给到MEA 11的催化剂层14c。此外，关于流路部20B，与扩散层16c相对地突出的、并且与在-Z方向上邻接分隔件20的另一个单体电池(未示意)的阳极分隔件相接触的肋条22，和远离这个阳极分隔件后退的流路凹槽24被交替地布置在X方向上。冷却剂沿着流路凹槽24的内部流动。在这里，流路凹槽21和肋条22在前和后表面上一体地形成，并且肋条23和流路凹槽24在前和后表面上一体地形成。流路凹槽21和24与肋条22和23在Y方向上延伸。
同样地，关于流路部40A，远离扩散层16a凹进的流路凹槽41和向扩散层16a突出的、并且与扩散层16a相接触的肋条43被交替地布置在X方向上。沿着流路凹槽41的内部流动的阳极气体经由扩散层16a被供给到MEA 11的催化剂层14a。此外，关于流路部40B，与扩散层16a相对地突出的、并且与在+Z方向上邻接分隔件40的另一个单体电池(未示意)的阴极分隔件相接触的肋条42，和远离这个阴极分隔件后退的流路凹槽44被交替地布置在X方向上。冷却剂沿着流路凹槽44的内部流动。在这里，流路凹槽41和肋条42在前和后表面上一体地形成，并且肋条43和流路凹槽44在前和后表面上一体地形成。流路凹槽41和44与肋条42和43在Y方向上延伸。
图3A是示意本实施例中的分隔件40的流路部40A的一部分的放大视图。图3A示意了作为流路凹槽41的一部分的凹槽411到416和作为肋条43的一部分的肋条431到435。凹槽411到416与肋条431到435被布置在X方向上。在凹槽411到416中，凹槽411在-X方向上最远离中心定位，并且凹槽416在+X方向上最远离中心定位。肋条431、432、433、434，和435分别地位于凹槽411和412之间、凹槽412和413之间、凹槽413和414之间、凹槽414和415之间，和凹槽415和416之间。
虽然凹槽411具有线性形状，但是凹槽412到416中的每一个都具有波状形状。另外，在图1中，流路部40A简单地由直线示意。凹槽412到416是在Y方向上波状地延伸的、并且被布置在正交于Y方向的X方向上的波状凹槽的示例。凹槽411是在Y方向上线性地延伸的线性凹槽的一个示例。肋条432到435中的每一个也具有波状形状，并且在肋条431和凹槽412之间的边界也具有波状形状。在凹槽412到416中，凹槽412最靠近凹槽411定位。凹槽412是在凹槽412到416中最靠近凹槽411定位的第一波状凹槽的一个示例。凹槽413到416中的每一个是相对于凹槽412与凹槽411相反地定位的第二波状凹槽的一个示例。
在凹槽413是第二波状凹槽的一个示例的情形中，任何凹槽414到416都是相对于凹槽413与凹槽412相反地定位的第三波状凹槽的一个示例。在凹槽414是第二波状凹槽的一个示例的情形中，任何凹槽415和416都是相对于凹槽414与凹槽412相反地定位的第三波状凹槽的一个示例。在凹槽415是第二波状凹槽的一个示例的情形中，凹槽416是相对于凹槽415与凹槽412相反地定位的第三波状凹槽的一个示例。
在X方向上在凹槽411到416之间的间距间隔大致相同。每一个具有波状形状的凹槽412到416都具有大致相同的波长和大致相同的相位，但是具有不同的振幅。具体地，凹槽412到416被布置成按照振幅的上升次序。换言之，随着更加靠近线性凹槽411，凹槽的振幅更小。例如，如在图3A中所示意的，凹槽412的振幅A2小于凹槽416的振幅A6。另外，在+X方向上远离凹槽416定位的、并且未在图3A中示意的凹槽的形状不受限制。
参考图2，将会给出至少凹槽412到416和肋条431到435为何是部分波状形状的主要原因中的一个的描述。例如，在分隔件40的所有流路凹槽41和肋条43与分隔件20的所有流路凹槽21和肋条23都为线性的情形中，如果在分隔件20和40之间的相对位置在平面方向上从期望位置移位，则在MEGA 10被夹在分隔件20的肋条23与分隔件40的肋条43之间的状态中，分隔件20的肋条23的位置在X方向上从分隔件40的肋条43移位。因为MEGA 10具有低刚度，所以如果分隔件20的肋条23的位置在Y方向上的长的范围(例如，4mm或者更大)中在X方向上从分隔件40的肋条43移位，则MEGA 10可能被弯折，从而局部地经受强应力，使得MEA11的强度可能降低。作为对照，在经由MEGA 10而面对每一个都具有波状形状的凹槽412到416和肋条431到435的分隔件20的流路凹槽21和肋条23中的每一个都具有线性形状或者分隔件20的流路凹槽21和肋条23中的每一个都具有在相位、振幅、波长等方面不同于凹槽412到416的波状形状的波状形状的情形中，即便在分隔件20和40之间的相对位置如上所述地从期望位置移位，也抑制了MEGA 10通过分隔件20的肋条23的位置在Y方向长上的范围中在X方向上从分隔件40的肋条43移位而被弯折。这抑制了MEA 11的强度降低。在本实施例中，经由MEGA 10面对凹槽412到416和肋条431到435的分隔件20的流路凹槽21和肋条23中的每一个都具有线性形状，但是它们不限于此。
图3B是示意对照示例中的分隔件40x的流路部40X的一个部分的放大视图。图3B对应于图3A。分隔件40x的凹槽412x到416x和肋条432x到435x具有大致相同的振幅以及波长和相位。具体地，如在图3B中所示意的，凹槽412x到415x和肋条432x到435x中的每一个的振幅大致与凹槽416x的振幅A6x相同。在这里，在X方向上的、在具有线性形状的凹槽411和最靠近凹槽411的具有波状形状的凹槽412x之间的间隔，换言之，肋条431x在X方向上的宽度根据在Y方向上的位置而不同。肋条431x具有宽度在此处最大的部分W1x。因此，肋条431x和扩散层16a之间的接触面积在这个部分W1x处增加。因此，在凹槽411和凹槽412x中流动的阳极气体可能没有被充分地供给到MEA 11的、沿着+Z方向远离部分W1x定位的一个部分。如上所述，在使用对照示例中的分隔件40x的情形中，阳极气体可能没有被充分地供给到MEA 11的一个部分，从而发电性能可能劣化。
然而，如在图3A中所示意的本实施例中，最靠近凹槽411的凹槽412的振幅A2小于凹槽413到416的每一个的振幅。因此，在X方向上的、在凹槽411和412之间的肋条431的宽度最大的部分W1小于上述部分W1x。因此，能够抑制阳极气体未部分地供给到MEA 11的一部分，并且能够抑制发电性能劣化。这还抑制了由于由氢气不足而引起的催化剂层14a的劣化从而导致的发电性能劣化。
凹槽412到416按照振幅的上升次序并且按照距凹槽411的距离的上升次序布置。这抑制了在振幅稍微不同的凹槽412和413之间的肋条432在X方向上的宽度增加。这同样适用于肋条433到435中的每一个。如上所述，抑制了肋条432到435中的每一个在X方向上的宽度的增加，由此均匀地将阳极气体供给到MEA 11。
此外，如果在凹槽411和412x之间振幅差异如在对照示例中的那样大，则在凹槽411和412x之间的阳极气体压力损失的差异可能增加，从而阳极气体可能不被供给到MEA11的一部分。在本实施例中，因为凹槽412的振幅A2小于凹槽412x的振幅A2x，所以抑制了在凹槽411和412之间的阳极气体压力损失差异的增加。这抑制了阳极气体不被供给到MEA 11的一部分，这抑制了发电性能劣化。另外地，抑制了在凹槽412和413之间的阳极气体压力损失差异的增加。这同样适用于凹槽413到416。因此能够均匀地将阳极气体供给到MEA 11。
此外，如上所述，流路凹槽44在肋条43的后侧上形成，冷却剂通过流路凹槽44流动。因此，该两个流路凹槽44在肋条431和432的后侧上形成，并且被形成为与肋条431和432大致相同的形状。因此能够抑制在肋条431和432的后侧上形成的流路凹槽44之间的冷却剂压力损失差异的增加。因此能够抑制由于冷却剂几乎不流过的部分而使MEA 11未部分地冷却，并且抑制发电性能劣化。这同样适用于在肋条433到435的后侧上的流路凹槽44之间的冷却剂的压力损失。因此，MEA 11被均匀地冷却。
此外，关于对照示例中的分隔件40x，在从凹槽412x到凹槽416x的区域中，在压制加工中基础材料的伸长率可能增加，并且成品率可能降低。在本实施例中，因为在凹槽412到416之间振幅逐渐地改变，所以能够在从凹槽412到凹槽416的区域中抑制基础材料的伸长率增加，并且抑制成品率降低。
此外，由于在凹槽411和最靠近它的凹槽412x之间的形状差异，对照示例中的分隔件40x可能在压制加工中经受大的残余应力。这个残余应力可能在分隔件40x中引起翘曲。在本实施例中，凹槽416到412按照振幅的下降次序，换言之，按照与线性形状的类似性次序布置。因此能够减小压制加工中的残余应力，并且降低在分隔件40中发生翘曲的可能性。
可设想地，在本实施例中的燃料电池1是在这样的姿态中使用的，在该姿态中，凹槽411在重力方向上位于凹槽412到416的下方，使得-X方向是向下的重力方向。在此情形中，例如，即使在阳极侧上产生的水流入凹槽411中，因为凹槽411具有线性形状，所以也抑制了水留滞在凹槽411中，并且在凹槽411中流动的阳极气体允许水流动到下游侧。以此方式，排水性得到改进。即使在X方向相对于重力方向倾斜的姿态中使用燃料电池1的情形中，也抑制了水留滞在凹槽411中并且确保了排水性，只要凹槽411在重力方向上位于凹槽412到416下方。
接着，将描述变型例。在变型例中，相同的附图标记被赋予与上述实施例的那些相同的部件，并且省略重复的解释。图4A是示意在第一变型例中分隔件40a的流路部40Aa的一部分的放大视图。流路部40Aa包括具有线性形状的凹槽411和每一个都具有波状形状的凹槽412a到416a。凹槽412a到416a具有大致相同的波长和大致相同的相位。凹槽413a到416a具有大致相同的振幅，例如，如在图4A中所示意的，凹槽413a到415a中的每一个振幅与凹槽416a的振幅A6a相同。在凹槽413a是第二波状凹槽的一个示例的情形中，任何凹槽414a到416a都是第三波状凹槽的一个示例。在这个变型例中，第二波状凹槽的振幅和第三波状凹槽的振幅相同。作为对照，作为第一波状凹槽的一个示例的凹槽412a的振幅A2a小于凹槽413a到416a中的每一个振幅。即使在这种构造中，也能够抑制在凹槽411和412a之间在X方向上肋条431a的宽度增加，并且抑制阳极气体不被供给到MEA 11的一个部分。这抑制了发电性能劣化。由于凹槽412a到416a的上述形状，肋条432a在X方向上的宽度根据在Y方向上的位置而改变，但是在Y方向上，肋条433a到435a在X方向上的每一个宽度都是恒定的。
另外，凹槽413a到416a具有基本相同的波长、相同的相位、相同的振幅和共同的形状。这里，通常，对于压制来说，由模具形成的金属板的形状不总是与模具的反转形状相同。在金属板被模具变形之后，由于金属板的弹性，金属板的形状稍微变为它在模制之前的初始形状。这被称为回弹。因此，在设计模具时，这个回弹被加以考虑。在凹槽形状彼此不同的情形中，可能需要为分别的凹槽形状设计模具，并且设计模具可能占用长的时间。在本实施例中，凹槽具有共同的形状。因此能够抑制设计模具要求的长时间。在形成类似于用于燃料电池的分隔件的精确形状的情形中，将金属板以不同的模具压制几次，从而金属板逐渐地扩展以实现最终产品形状。在最终产品形状中的波状形状彼此不同的情形中，在压制中使用的模具的设计是不同的，从而设计模具要求的时间可能进一步延长。在另一方面，在本实施例中凹槽413a到416a具有共同的形状。因此能够在用于压制的模具中形成共同的形状，并且抑制设计用于生产分隔件40a的模具要求的时间延长。
图4B是示意第二变型例中的分隔件40b的流路部40Ab的一部分的放大视图。位于凹槽412a和414a之间的凹槽413b的振幅大致与凹槽412a的振幅相同。因此，在Y方向上，位于凹槽412a和413b之间的肋条432b在X方向上的宽度是大致恒定的。作为对照，因为在凹槽413b和414a之间存在振幅差异，所以具有位于凹槽413b和414a之间的肋条433b的最大宽度的部分W3b的宽度大于肋条432b在X方向上的宽度。部分W3b的宽度大致与具有肋条431a的最大宽度的部分W1a的宽度相同。以此方式，宽度在此处增加的部分W1a和W3b经由凹槽412a、肋条432b和凹槽413b在X方向上彼此远离。因此，如与这样的两个部分经由一个凹槽彼此相邻的情形相比较，能够抑制阳极气体相对地难以被供给的部分彼此相邻，并且能够均匀地将阳极气体供给到MEA 11。
可以将在本实施例和上述变型例中的流路凹槽应用于阴极分隔件。
虽然分隔件40、40a和40e被采用在使用液体作为冷却剂的水冷却燃料电池1中，但是它们不限于此，并且可以在使用空气作为冷却剂的空气冷却燃料电池中采用。
上述波状凹槽可以具有正弦波形，或者带有直线和圆弧的波状形状。
在上述实施例和变型例中，波状凹槽具有大致相同的波长和大致相同的相位，但是它们不限于此。在任何情形中，都能够抑制在线性凹槽和最靠近线性凹槽的波状凹槽之间的间隔增大，只要最靠近线性凹槽的波状凹槽的振幅小于其它波状凹槽的振幅，所述其它波状凹槽是相对于所述最靠近线性凹槽的波状凹槽与线性凹槽相反地定位的凹槽。此外，在上述实施例和变型例中，波状凹槽和线性凹槽以大致相同的间距间隔形成，但是它们不限于此。
虽然已经详细描述了本发明的一些实施例，但是本发明不限于具体实施例，而是可以在要求保护的本发明的范围内改变或者变化。

Claims (8)

1.一种燃料电池，包括：
膜电极组件；和
分隔件，所述分隔件被布置在所述膜电极组件的一侧上，
其中
所述分隔件包括流路凹槽，反应气体在所述分隔件和所述膜电极组件之间通过所述流路凹槽流动，
所述流路凹槽包括：
波状凹槽，所述波状凹槽在第一方向上波状地延伸，并且在与所述第一方向正交的第二方向上布置；和
线性凹槽，所述线性凹槽在所述第一方向上线性地延伸，
所述波状凹槽包括：
在所述波状凹槽中最靠近所述线性凹槽定位的第一波状凹槽；和
第二波状凹槽，所述第二波状凹槽相对于所述第一波状凹槽与所述线性凹槽相反地定位，并且
所述第一波状凹槽的振幅小于所述第二波状凹槽的振幅。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第一波状凹槽和所述第二波状凹槽的波长彼此相同。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述第一波状凹槽和所述第二波状凹槽的相位彼此相同。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的燃料电池，其中：
所有的所述波状凹槽的波长彼此相同，并且
所有的所述波状凹槽的相位彼此相同。
5.根据权利要求1到3中的任一项所述的燃料电池，其中，所述线性凹槽在重力方向上位于所述波状凹槽的下方。
6.根据权利要求1到3中的任一项所述的燃料电池，其中：
所述波状凹槽包括第三波状凹槽，所述第三波状凹槽相对于所述第二波状凹槽与所述第一波状凹槽相反地定位，并且
所述第二波状凹槽的振幅小于或等于所述第三波状凹槽的振幅。
7.根据权利要求1到3中的任一项所述的燃料电池，其中，所述波状凹槽的振幅随着所述波状凹槽更加靠近所述线性凹槽定位而更小。
8.根据权利要求1到3中的任一项所述的燃料电池，其中，所述分隔件是被布置在所述膜电极组件的阳极侧上的阳极分隔件。
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