CN111509249A - 用于燃料电池的分隔体 - Google Patents

Abstract

用于燃料电池的分隔体包括：金属的分隔体基部、脊部和谷部。由各个谷部和相应的电极层包围的区域分别构成将氧化气体或燃料气体供应到电极层的通道。第一薄膜置于脊部和谷部的面对相应的电极层的整个表面。第一薄膜的导电性和抗腐蚀性高于分隔体基部的导电性和抗腐蚀性。具有导电性的第二薄膜至少置于第一薄膜的置于脊部的顶表面的各部分。各脊部的顶表面上的第二薄膜具有槽。槽的至少一端连接到通道。

Description

用于燃料电池的分隔体

技术领域

本公开涉及配置在燃料电池中的膜电极组件之间的用于燃料电池的分隔体。

背景技术

图4示出了日本特开2016-66531号公报中公开的传统燃料电池70。燃料电池70包括膜电极组件(MEA)71和分隔体75。分隔体75位于各膜电极组件71的在厚度方向(图4中的上下方向)上的相反两侧，并且将膜电极组件71夹在中间。膜电极组件71包括电解质膜72和配置在电解质膜72的在厚度方向上的相反两侧的两个电极层。一个电极层构成阴极电极层73，另一个电极层构成阳极电极层74。在燃料电池70中，以各膜电极组件71被夹在位于厚度方向上的相反两侧的分隔体75之间的方式使膜电极组件71被分隔体75隔开。

各分隔体75均包括分隔体基部76，其由具有导电性的金属制成。各分隔体基部76均具有朝向膜电极组件71突出的多个脊部77以及沿与脊部77的突出方向相反的方向凹陷的多个谷部78。脊部77和谷部78在沿着膜电极组件71的平面的方向(图4中的左右方向)上交替地配置并且彼此平行地延伸。

由各个谷部78和阴极电极层73包围的区域均构成将氧化气体供应到阴极电极层73的通道81。由各个谷部78和阳极电极层74包围的区域均构成将燃料气体供应到阳极电极层74的通道82。

具有导电性的薄膜85置于各脊部77的顶表面。薄膜85被设置为抑制膜电极组件71和各分隔体75的分隔体基部76之间的接触电阻的增加，从而减小接触电阻对膜电极组件71中的燃料气体和氧化气体的反应的影响。接触电阻是指当两个物体彼此接触并且电流经过物体时在包括物体之间的界面的区域中的电阻。

在上述燃料电池70中，当将燃料气体供应到阳极电极层74并且将氧化气体供应到阴极电极层73时，基于燃料气体和氧化气体的反应在膜电极组件71中产生电力。此时，利用反应在阴极电极层73中产生水。所产生的水的一部分位于阴极电极层73与各薄膜85之间。靠近通道81的一部分水随着以高流速流经通道81的氧化气体一起流动并且排出到燃料电池70的外部。

然而，远离通道81的一部分水不会被流经通道81的氧化气体的流排出到燃料电池70的外部，而是留在阴极电极层73和薄膜85之间。留下的水可能导致氧化气体扩散不充分。这可能减少燃料气体和氧化气体的反应。

通过将阴极电极层73和阳极电极层74浸入一定量的水，可以改善发电效率。就此而言，可以减小膜电极组件71的厚度。这允许在阴极电极层73中产生的水易于沿着电解质膜72朝向阳极电极层74移动。然而，如果在各个薄膜85与阳极电极层74之间留下了比所需更多的水，并且多余的水留在阳极电极层74附近，则燃料气体不能容易地接触阳极电极层74。这可能减少燃料气体和氧化气体的反应。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种用于燃料电池的分隔体，其改善了随着发电产生的水的排放性能。

提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步说明。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

在一个总体方面，提供了一种用于燃料电池的分隔体。分隔体被用于具有膜电极组件的燃料电池中。膜电极组件包括：电解质膜；以及电极层，其结合到电解质膜的在厚度方向上的相反两侧。用于燃料电池的分隔体包括：金属的分隔体基部、多个脊部以及多个谷部。金属的分隔体基部配置在膜电极组件的在厚度方向上的外侧并且具有导电性。脊部设置在分隔体基部中并朝向膜电极组件突出。谷部设置在分隔体基部中并且沿与脊部突出的方向相反的方向凹陷。脊部和谷部在沿着膜电极组件的平面的方向上交替配置并且彼此平行地延伸。由各个谷部和相应的电极层包围的区域均构成向电极层供应氧化气体或燃料气体的通道。导电性和抗腐蚀性高于分隔体基部的第一薄膜置于谷部和脊部的面对相应的电极层的整个表面。具有导电性的第二薄膜至少置于第一薄膜的置于脊部的顶表面的各部分。各脊部的所述顶表面上的第二薄膜具有槽。槽的至少一端连接到通道。

根据下面的具体实施方式、附图和技术方案，其它特征和方面将变得显而易见。

附图说明

图1是根据实施方式的燃料电池的局部截面图。

图2是根据实施方式的第一分隔体的局部立体图。

图3是示出根据变型的第一分隔体的局部立体图，在该变型中，与图2中的槽不同的槽设置于第二薄膜。

图4是传统燃料电池的图，其示意性地示出了膜电极组件被分隔体从厚度方向上的相反两侧夹住的状态。

在所有附图和详细说明中，相同的附图标记指代相同的要素。附图可能不是按比例绘制的，并且为了清楚、图示和方便起见，可能夸大了附图中要素的相对尺寸、比例和描绘。

具体实施方式

本说明提供了对所说明的方法、设备和/或系统的全面理解。所说明的方法、设备和/或系统的变型和等同方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。除了必须以特定顺序进行的操作之外，操作顺序是示例性的，并且可以改变，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。可以省略本领域技术人员公知的功能和结构的说明。

示例性实施方式可以具有不同的形式，并且不限于所说明的示例。然而，所说明的示例是彻底和完整的，并且将本公开的全部范围传达给本领域技术人员。

现在将参照图1和图2说明根据一个实施方式的用于燃料电池的分隔体。

如图1所示，燃料电池10包括膜电极组件11。各膜电极组件11均被用于燃料电池的分隔体从厚度方向(图1中的上下方向)上的相反两侧夹住。为了将两个用于燃料电池的分隔体彼此区分开，将位于各膜电极组件11上方(在厚度方向上的一个外侧)的分隔体称为第一分隔体21，将位于下方(在厚度方向上的另一外侧)的分隔体称为第二分隔体31。

膜电极组件11被配置在它们之间的第一分隔体21和第二分隔体31彼此分隔。各膜电极组件11均包括电解质膜12和接合到电解质膜12的厚度方向上的相反两侧的两个电极层。一个电极层(图1中上方的电极层)构成阴极电极层13，另一电极层(图1中下方的电极层)构成阳极电极层14。

气体扩散层15配置在阴极电极层13的与电解质膜12相反的一侧(图1中的上侧)。气体扩散层15由碳纤维等制成并且促进氧化气体的扩散，这将在下面说明。气体扩散层16配置在阳极电极层14的与电解质膜12相反的一侧(图1中的下侧)。气体扩散层16由碳纤维等制成并促进燃料气体的扩散，这将在下面说明。

第一分隔体21和第二分隔体31从厚度方向上的相反两侧(外侧)夹住膜电极组件11和气体扩散层15、16。膜电极组件11、气体扩散层15和16、第一分隔体21和第二分隔体31构成电池单元20。多个电池单元20在厚度方向上堆叠以构成燃料电池10的电池堆。

如图1和图2所示，各第一分隔体21的框架均由分隔体基部22构成，分隔体基部22由具有导电性的金属制成。在第一实施方式中，各分隔体基部22均由厚度约为100μm的不锈钢板制成。

各分隔体基部22均具有朝向膜电极组件11突出的多个脊部23以及沿与脊部23的突出方向相反的方向凹陷的多个谷部24。在图1和图2中，脊部23向下突出，而谷部24向上凹陷。脊部23和谷部24在沿着膜电极组件11的平面的方向(图1中的左右方向)上交替地配置并且彼此平行地延伸。由各个谷部24和阴极电极层13包围的区域均构成通道25，通道25将氧化气体(例如，空气)供应到阴极电极层13。

如图1所示，各第二分隔体31的框架均由分隔体基部32构成，分隔体基部32由具有导电性的金属制成。在第一实施方式中，与上述分隔体基部22的情况一样，各分隔体基部32均由厚度约为100μm的不锈钢板制成。

各分隔体基部32均具有朝向膜电极组件11突出的多个脊部33以及沿与脊部33的突出方向相反的方向凹陷的多个谷部34。在图1中，脊部33向上突出，而谷部34向下凹陷。脊部33和谷部34在沿着膜电极组件11的平面的方向(图1中的左右方向)上交替地配置并且彼此平行地延伸。由各个谷部34和阳极电极层14包围的区域均构成通道35，通道35将燃料气体(例如，氢)供应到阳极电极层14。

如上所述，燃料电池10的电池堆包括在厚度方向上堆叠的多个电池单元20。因此，如图1中的双点划线所示，位于上方的电池单元20的第二分隔体31配置于在图1中的上下方向上位于中央的电池单元20的第一分隔体21的上方。在第一分隔体21的各谷部24的底部与位于上方的第二分隔体31的谷部34的底部之间配置有中间层26。中间层26被构造为抑制谷部24、34之间的接触电阻的增加。中间层26由导电性高于(电阻值低于)分隔体基部22、32的材料制成。例如，中间层26由碳、金或铂制成。此外，在第一分隔体21的各脊部23与位于上方的第二分隔体31的相应的脊部33之间限定通道27。冷却剂(例如，冷却水)流经通道27。

同样地，如图1中的双点划线所示，位于下方的电池单元20的第一分隔体21配置于在图1中的上下方向上位于中央的电池单元20的第二分隔体31的下方。在第二分隔体31的各谷部34的底部与位于下方的第一分隔体21的相应的谷部24的底部之间配置有中间层26。此外，在第二分隔体31的各脊部33与位于下方的第一分隔体21的相应的脊部23之间限定通道27。冷却剂流经通道27。

如图1和图2所示，第一薄膜41设置于各电池单元20的第一分隔体21的分隔体基部22。具体地，第一薄膜41置于脊部23和谷部24的面对阴极电极层13的整个表面。第一薄膜41的导电性和耐腐蚀性高于分隔体基部22的导电性和耐腐蚀性。在本实施方式中，第一薄膜41由通过将诸如氮化钛(TiN)的导体颗粒混合到塑料中而获得的材料制成。

同样地，如图1所示，第一薄膜51设置于各电池单元20的第二分隔体31的分隔体基部32。具体地，第一薄膜51置于脊部33和谷部34的面对阳极电极层14的整个表面。第一薄膜51的导电性和耐腐蚀性高于分隔体基部32的导电性和耐腐蚀性。

如图1和图2所示，第二薄膜42置于第一薄膜41的置于各第一分隔体21中的脊部23的顶表面的各部分。第二薄膜42被设置为抑制膜电极组件11与分隔体基部22之间的接触电阻的增加，从而减小接触电阻对膜电极组件11中的燃料气体和氧化气体的反应的影响。第二薄膜42由与中间层26相同的材料制成，并且通过喷墨印刷形成为具有例如几百纳米至几百微米的厚度。第二薄膜42具有比分隔体基部22更高的亲水性。各第一分隔体21在第二薄膜42处接触气体扩散层15。换句话说，第一分隔体21的各第二薄膜42经由气体扩散层15间接地接触阴极电极层13。

各第二薄膜42均具有槽43，槽43在与脊部23延伸的方向相交的方向上延伸。在本实施方式中，槽43在与脊部23延伸的方向正交的方向(图1中的左右方向)上延伸。槽43在脊部23延伸的方向上彼此分离。槽43的深度被设定为与第二薄膜42的厚度相同。因此，在设置有槽43的位置处，第一薄膜41露出。

通道25位于其上设置有具有槽43的第二薄膜42的各脊部23的相反两侧。在各脊部23的顶表面上的第二薄膜42中，各槽43的一端均连接到位于脊部23的相反两侧的通道25中的一个通道25，并且另一端连接到另一个通道25。因此，在各脊部23的相反两侧的通道25通过槽43彼此连续。

如图1所示，第二薄膜52置于第一薄膜51的置于各第二分隔体31中的脊部33的顶表面的各部分。以与第一分隔体21上的第二薄膜42相同的目的、相同的材料、相同的方法、相同的厚度和相同的亲水性来设置各第二薄膜52。第二分隔体31在设置于各个脊部33的第二薄膜52处与气体扩散层16接触。各第二薄膜52均具有槽53，槽53在与第一分隔体21的槽43相同的方向上延伸。在各脊部33的顶表面上的第二薄膜52中，各槽53的一端连接到位于脊部33的相反两侧的通道35中的一个通道35，另一端连接到另一个通道35。因此，各脊部33的相反两侧的通道35通过槽53彼此连续。

以如下方式制造上述第一分隔体21。首先，制备平坦的不锈钢板。将通过把诸如氮化钛(TiN)的导体颗粒混合到塑料中而获得的材料施加到不锈钢板的一侧的整个表面以形成第一薄膜41。冲压已经以上述方式形成有第一薄膜41的不锈钢板以形成具有脊部23和谷部24的分隔体基部22。通过喷墨印刷将导电性高于分隔体基部22的导电性的材料施加到第一薄膜41的置于脊部23的顶表面的部分以形成具有槽43的第二薄膜42。第二分隔体31通过与第一分隔体21相同的步骤制造。

现在将说明上述实施方式的操作和优点。

在燃料电池10中，氧化气体(空气)流经通道25，而燃料气体(氢)流经通道35。流经各通道25的氧化气体经由气体扩散层15供应到阴极电极层13。流经各通道35的燃料气体经由气体扩散层16供应到阳极电极层14。在膜电极组件11中基于被供给的燃料气体和氧化气体的反应产生电力。该反应还在已经被供应了氧化气体的阴极电极层13中产生水。

具体地，当将燃料气体(氢)供应到阳极电极层14时，电子从氢原子中移除并被输送到阳极电极层14。那些电子通过外部电路的引线(未示出)从阳极电极层14流到阴极电极层13。从阳极电极层14中的氢原子中移除电子产生带正电的氢离子(质子)，然后该氢离子经由电解质膜12移动到阴极电极层13。与此同时，在被供应了氧化气体(空气)的阴极电极层13中，氧原子接收电子成为氧离子。此外，经由电解质膜12已经从阳极电极层14移动到阴极电极层13的氢离子与氧离子结合，从而在阴极电极层13中产生水。

产生的一部分水位于阴极电极层13与各第二薄膜42之间的气体扩散层15中。如图2中的箭头所示，靠近各通道25的一部分水被流经通道25的氧化气体拉向通道25。当移动到通道25中时，水与氧化气体一起流经通道25。如图1中的箭头所示，靠近各槽43的气体扩散层15中的一部分水也通过槽43被氧化气体拉向通道25。当移动到通道25中时，该水还与氧化气体一起流经通道25。如上所述，与氧化气体一起流经通道25的水最终被排放到燃料电池10的外部。

因此，与不设置槽43的情况相比，将一定量的水排放到燃料电池10的外部。这改善了排水性能。另外，与不设置槽43的情况不同，防止产生的水留在气体扩散层15中。不会由于留下的水而导致氧化气体的扩散不充分。因此，燃料气体和氧化气体的反应不会减弱。

特别地，在本实施方式中，在各脊部23的顶表面上的第二薄膜42中，各槽43的一端连接到位于脊部23的相反两侧的通道25中的一个通道25，另一端连接到另一个通道25。由此，气体扩散层15中的靠近各槽43的一部分水被流经脊部23的相反两侧的通道25的氧化气体拉向槽43的长度方向上的相反两端。因此，气体扩散层15中的靠近槽43的一部分水容易经由槽43被排放到通道25，然后水容易与通过通道25的氧化气体的流一起被排放到燃料电池10的外部。

通过将阴极电极层13和阳极电极层14浸入一定量的水，可以改善发电效率。就这一点而言，可以减小膜电极组件11的厚度。这允许在阴极电极层13中产生的水容易地沿着电解质膜12朝向阳极电极层14移动。然而，如果在气体扩散层16中留下过多的水，并且多余的水留在阳极电极层14附近，则燃料气体(氢)不容易接触阳极电极层14。这会减少膜电极组件11中的燃料气体和氧化气体的反应。

然而，靠近各通道35的气体扩散层16中的一部分水被流经通道35的燃料气体拉向通道35。当移动到通道35中时，水和燃料气体一起流经通道35。

另外，在本实施方式中，第二分隔体31的第二薄膜52也具有槽53，槽53防止过多的水留在气体扩散层16中。也就是，靠近各槽53的气体扩散层16中的一部分水通过槽53被拉向通道35，然后与通道35中的燃料气体一起流动。

如上所述，与燃料气体一起流经通道35的水最终被排放到燃料电池10的外部。这防止多余的水留在阳极电极层14的附近。

另外，在本实施方式中，如在上述槽43的情况下那样，各槽53均具有连接到通道35的一端和连接到不同的通道35的另一端。由此，出于与上述槽43相同的理由，第二薄膜52和阳极电极层14之间的气体扩散层16中的位置靠近槽53的一部分水被拉向槽53的长度方向上的相反两端。由此，水通过槽53被容易地排放到通道35。然后，水与燃料气体一起流经通道35以排放到燃料电池10的外部。

当在电解质膜12中产生作为反应副产物的酸性物质时，由不锈钢板制成的分隔体基部22、32可能通过与酸性物质发生电化学反应而被侵蚀或腐蚀。此时，铁离子从分隔体基部22、32洗脱(elute)。这会降低膜电极组件11的组成部件的性能，例如，降低电解质膜12和催化剂(未示出)的性能。

然而，在本实施方式中，通过第一薄膜41、51抑制了铁离子的洗脱。因此，第一薄膜41、51防止膜电极组件11的组成部件的性能由于洗脱的铁离子而降低。

除了以上列出的优点之外，本实施方式还具有以下优点。

如果第一分隔体21中的第二薄膜42的亲水性低，则槽43中的水很可能被槽43的内表面排斥并且不会在槽43中移动。因此，槽43中的水不会移动到通道25。

然而，在本实施方式中，由于第二薄膜42的亲水性高于分隔体基部22的亲水性，因此槽43中的水很可能散布在槽43的内表面上。这允许槽43中的水顺畅地移动到通道25。

此外，由于各第二分隔体31的第二薄膜52的亲水性均高于分隔体基部32的亲水性，因此，与第一分隔体21的情况一样，槽53中的水顺畅地移动到通道35。

具有槽43的第二薄膜42和具有槽53的第二薄膜52通过喷墨印刷形成。因此，可以通过喷墨印刷的图案调整容易地改变第二薄膜42中的槽43和第二薄膜52中的槽53的形状。

在第二薄膜42、52中，第一薄膜41、51在设置有槽43、53的部分处露出。换句话说，在第一薄膜41、51的相应部分处没有设置第二薄膜42、52。因此，不需要将墨材涂布到第一薄膜41、51的将要形成槽43、53的部分。因此，槽43、53易于形成。

上述实施方式可以如下地变型。

<关于分隔体基部22、32>

分隔体基部22、32可以由除不锈钢以外的任何金属制成，只要其具有导电性即可。例如，分隔体基部22、32可以由钛制成。

<关于第一薄膜41、51和第二薄膜42、52>

第二薄膜42、52可以由与第一薄膜41、51相同的材料制成。

除了脊部23、33的顶表面之外，还可以在脊部23、33的其它部分上或在谷部24、34上设置第二薄膜42、52。然而，考虑到形成第二薄膜42、52的困难度和成本，优选地仅在脊部23、33的顶表面上设置第二薄膜42、52。

如果将第二薄膜42、52设置在除了脊部23、33的顶表面以外的部分，则通道25、35的通流截面积相应地减小。因此，优选地仅在需要第二薄膜42、52的脊部23、33的顶表面上设置第二薄膜42、52。

在上述实施方式中，第二薄膜42、52的亲水性高于分隔体基部22、32的亲水性。然而，本公开不限于此。

可以省略第一分隔体21上的第一薄膜41和第二分隔体31上的第一薄膜51中的一者。

可以省略第一分隔体21上的第二薄膜42和第二分隔体31上的第二薄膜52中的一者。

<关于槽43、53>

槽43、53可以在与脊部23、33延伸的方向成对角线地相交的方向上延伸。

如图3所示，第一分隔体21的各槽43均可以一端连接到通道25而另一端不连接到通道25。在此情况下，位于气体扩散层15中的水容易通过槽43被排放到通道25。这是因为，由于各槽43的一端封闭，槽43中的水很有可能会被流经通道25的氧化气体拉动，促进水的排放。

出于与以上说明相同的理由，相同的变型可以应用于第二分隔体31的槽53。

当第一分隔体21的各脊部23均具有多个槽43时，各槽43的仅一端在脊部23如上所述的延伸方向上的不同位置处连接到通道25，各对相邻的槽43优选地连接到位于脊部23的相反两侧的不同的通道25。这是因为这种构造允许靠近气体扩散层15中的槽43的水被基本上均匀地拉向并流到位于相反两侧的通道25。

出于与以上说明相同的理由，相同的变型可以应用于第二分隔体31的槽53。

在脊部23的延伸方向上彼此相邻的各对槽43均可以连接到位于脊部23的相反两侧的通道25中的一个通道25。相同的变型可以应用于槽53。

可以省略第一分隔体21中的槽43和第二分隔体31中的槽53中的一者。

槽43、53的深度可以被设定为小于在未设置槽43、53的部分处的第二薄膜42、52的厚度。在这种情况下，第二薄膜42、52的一些部分被设置在设置有槽43、53的部分中。与上述实施方式不同，第一薄膜41、51不在薄膜42、52的设置有槽43、53的部分处露出。喷墨印刷允许形成包括比其它部分更小的厚度的部分的第二薄膜42、52。

<另一变型>

第一分隔体21和第二分隔体31可以用于不具有气体扩散层15、16的燃料电池。

在不脱离权利要求及其等同方案的主旨和范围的情况下，可以对以上示例进行形式和细节上的各种改变。这些示例仅为了说明，而并非为了限制的目的。各示例中的特征的描述被认为能够适用于其它示例中的类似特征或方面。如果以不同的顺序执行序列、和/或如果所述系统、架构、装置或电路中的部件被不同地组合、和/或被其它部件或其等同方案替换或补充，可以实现适当的结果。本公开的范围并非由详细说明限定，而是由权利要求及其等同方案限定。权利要求及其等同方案的范围内的所有变型包括在本公开中。

Claims (3)

1.一种用于燃料电池的分隔体，所述分隔体被用于具有膜电极组件的燃料电池中，其中，

所述膜电极组件包括：

电解质膜；以及

电极层，其结合到所述电解质膜的在厚度方向上的相反两侧，

所述用于燃料电池的分隔体包括：

金属的分隔体基部，其配置在所述膜电极组件的在所述厚度方向上的外侧并且具有导电性；

多个脊部，其设置在所述分隔体基部中并朝向所述膜电极组件突出；以及

多个谷部，其设置在所述分隔体基部中并且沿与所述脊部突出的方向相反的方向凹陷，所述脊部和所述谷部在沿着所述膜电极组件的平面的方向上交替配置并且彼此平行地延伸，并且

由各个所述谷部和相应的电极层包围的区域均构成向所述电极层供应氧化气体或燃料气体的通道，所述用于燃料电池的分隔体的特征在于，

导电性和抗腐蚀性高于所述分隔体基部的第一薄膜置于所述脊部和所述谷部的面对相应的所述电极层的整个表面，

具有导电性的第二薄膜至少置于所述第一薄膜的置于所述脊部的顶表面的各部分，

各所述脊部的所述顶表面上的所述第二薄膜具有槽，并且

所述槽的至少一端连接到所述通道。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的分隔体，其特征在于，

在各所述脊部的所述顶表面上的所述第二薄膜中，

所述槽的一端连接到位于所述脊部的相反两侧的通道中的一个通道，并且

所述槽的另一端连接到另一通道。

3.根据权利要求1或2所述的用于燃料电池的分隔体，其特征在于，所述第一薄膜在设置有所述槽的位置处露出。

Images