CN112397740A - 燃料电池用隔板和燃料电池用单电池 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池用隔板和燃料电池用单电池。本发明的燃料电池用隔板包括肋。上述燃料电池用隔板具有被上述肋相互隔开的多个气体流路。上述燃料电池用隔板在上述气体流路侧的面，在上述肋的表面具有沿着上述气体流路并与上述气体流路隔开的液体水流路。上述液体水流路具有扩张区域，上述液体水流路的扩张区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积大于上述液体水流路的其他区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积。

Description

燃料电池用隔板和燃料电池用单电池

技术领域

本公开涉及燃料电池用隔板和燃料电池用单电池。

背景技术

作为燃料电池用单电池的结构，公知有层叠膜电极接合体、气体扩散层以及隔板而成的结构。这里，隔板具有用于使反应气体即阴极气体或者阳极气体向燃料电池用单电池内流通的气体流路。

在具有上述那样的结构的燃料电池用单电池中，通过由电池反应形成的生成水等液体水进入至气体流路，从而气体流路堵塞，由此存在气体向燃料电池用单电池内部的流通效率降低，发电效率降低，并且/或者产生溢流等的可能性。

针对这样的可能性，为了从燃料电池用单电池内部高效地排出液体水，研究了将气体流路的形状、构成气体流路的隔板的槽的粗糙度、气体损失压力等最佳化。

关于该点，国际公开第2011/090246公开了以下结构，即，在配置有被肋相互隔开的多个气体流路的燃料电池用隔板中，在肋的部分配置了用于生成水的排出、和使反应气体的滞留时间增加来提高反应效率的液体水流路。

另外，日本特开2007-149358公开了以下结构，即，在具备形成于表面的第1流路、和形成于背面的第2流路的燃料电池用隔板中，第1流路具有多个第1主流路、和以流体在该第1主流路之间流动的方式连接的第1子流路，并且第2流路具有多个第2主流路、和以流体在该第2主流路之间流动的方式连接的第2子流路。

另外，日本特开2008-171638公开了以下燃料电池用隔板，即，具备相互平行地延伸并且邻接的第1及第2流路、和以流体在第1与第2流路之间流动的方式将第1与第2流路之间连通的第3流路，第3流路相对于第1和第2流路倾斜并且较小。

另外，日本特开2005-116179公开了以下结构，即，燃料电池具备配置于电解质膜的两侧的气体扩散电极、和具有与气体扩散电极邻接配置并在该接触面与气体扩散电极接触的肋、及形成于肋之间的槽形状的气体流路的隔板，在上述燃料电池中，使与肋的气体扩散电极接触的面的一部分、与形成气体流路的槽表面的一部分连通并实施亲水处理，从而形成亲水部。

另外，日本特开2006-114387公开了以下结构，即，在具备具有电解质膜的发电电池、和与发电电池对置的隔板的燃料电池中，在隔板的发电电池侧的面形成将供燃料气体或者氧化剂气体流动的多个槽状的流路形成为条纹状的气体流路，槽状的流路的至少一部分的剖面面积向槽状的流路的长度方向连续地增加或者减少，而相邻的槽状的流路的剖面面积变化相反。

并且，日本特开2017-191687公开了以下结构，即，在至少具备配置于气体扩散层与隔板之间的气体流路形成体的燃料电池中，气体流路形成体是具有向气体扩散层侧敞开的气体流路和向隔板侧敞开的水流路的形状，在向气体扩散层侧敞开的气体流路，在局部形成有流路剖面面积变窄的收缩部，在收缩部形成使气体流路与水流路相连的连通部。

如上述那样，在燃料电池用单电池中，要求抑制由气体流路因由电池反应形成的生成水等液体水而堵塞导致的燃料电池用单电池的发电效率的降低和溢流的产生，从而提出有用于该目的的各种技术。

然而，还要求抑制燃料电池用单电池的发电效率的降低和溢流的产生。

本发明人针对国际公开第2011/090246公开的燃料电池用隔板那样的、通过在肋设置液体水流路而使液体水向液体水流路流动，由此减少向气体流路流动的液体水减少，进而抑制气体流路的堵塞的结构，研究了进一步减少溢流、发电性能的降低等的技术。

发明内容

本公开提供一种能够使溢流、发电性能的降低等减少的燃料电池用隔板和燃料电池用单电池。

本公开的第一形态涉及燃料电池用隔板。上述燃料电池用隔板具备肋。上述燃料电池用隔板具有被上述肋相互隔开的多个气体流路。上述燃料电池用隔板具有液体水流路。上述液体水流路设置于上述燃料电池用隔板的上述气体流路侧的面。上述液体水流路分别处于对应的上述肋的表面。上述液体水流路与上述气体流路隔开。上述液体水流路沿着上述气体流路延伸，而且上述液体水流路分别具有扩张区域，该扩张区域的剖面面积大于述液体水流路的扩张区域以外的区域、即上述液体水流路的其他区域的剖面面积，上述扩张区域的剖面面积和上述液体水流路的其他区域的剖面面积分别是上述液体水流路的与流动方向垂直的剖面的面积。也可以构成为：在本公开的第一形态的基础上，上述扩张区域的宽度大于上述液体水流路的其他区域的宽度。也可以构成为：在本公开的第一形态的基础上，上述气体流路分别具有收缩区域，该收缩区域的剖面面积小于上述气体流路的收缩区域以外的区域、即上述气体流路的其他区域的剖面面积，并且上述气体流路的上述收缩区域并列设置于上述液体水流路的上述扩张区域。也可以构成为：在本公开的第一形态的基础上，上述燃料电池用隔板是阴极隔板。本公开的第二形态涉及燃料电池用单电池。上述燃料电池用单电池具备第一形态的燃料电池用隔板、气体扩散层、电极催化剂层以及电解质层。依次层叠上述燃料电池用隔板、气体扩散层、电极催化剂层以及电解质层。

根据本公开，可以提供能够使溢流、发电性能的降低等减少的燃料电池用隔板和燃料电池用单电池。

根据以下的附图描述本发明的示意性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，标注了相同的附图标记的元件表示相同的元件。

附图说明

图1是表示基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板的液体水流路的示意图。

图2是与气体扩散层相接的基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板的厚度方向的剖视图。

图3是与气体扩散层相接的基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板的厚度方向的剖视图。

图4是表示与本公开的实施方式不同的燃料电池用隔板的液体水流路的示意图。

图5是表示液体水在与本公开的实施方式不同的燃料电池用隔板的液体水流路中流动的状态的示意图。

图6是表示液体水在基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板的液体水流路中流动的状态的示意图。

图7是表示基于本公开的另一实施方式的燃料电池用隔板的液体水流路的示意图。

具体实施方式

以下，对本公开的实施方式进行详述。此外，本公开并不限定于以下的实施方式，在公开的本主旨的范围内能够进行各种变形来实施。

燃料电池用隔板

本公开的燃料电池用隔板具有被肋相互隔开的多个气体流路，在气体流路侧的面，在肋的表面具有沿着气体流路与气体流路隔开的液体水流路，并且液体水流路具有扩张区域，液体水流路的扩张区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积大于液体水流路的其他区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积。

本公开的燃料电池用隔板能够还具有阴极气体歧管、冷却水歧管以及阳极气体歧管用的贯通口。

本公开的燃料电池用隔板的材料可以是能够作为燃料电池用单电池的隔板使用的任意的材料，也可以是不透气性的导电性材料。作为这样的材料，例如能够举出将碳压缩并使其成为不透气的致密质碳、冲压成型的金属板等。

本公开的燃料电池用隔板也可以是阴极隔板与阳极隔板的任意一个。在燃料电池用单电池的阴极侧，通过燃料电池用单电池中的电池反应生成生成水，因此通过将本公开的燃料电池用隔板作为阴极隔板使用，从而能够进一步抑制燃料电池用单电池的发电效率的降低、溢流。

图1是表示基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板100的液体水流路的示意图。

如图1所示，基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板100具有被肋10相互隔开的多个气体流路20，在气体流路20侧的面，在肋10的表面具有沿着气体流路20与气体流路20隔开的液体水流路30，并且液体水流路30具有扩张区域31，液体水流路30的扩张区域31的与流动方向垂直的方向的剖面面积大于液体水流路的其他区域32的与流动方向垂直的方向的剖面面积。

在使用了基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板100的燃料电池用单电池中，使反应气体40例如阴极气体或者阳极气体经由气体流路20向气体扩散层流通，其后，使其向燃料电池用单电池的外部排出。另外，使由电池反应生成的生成水等液体水50在液体水流路30内流通并向燃料电池用单电池的外部排出。也可以向液体水流路30内流入一部分的反应气体40。

图2和图3分别是在燃料电池用单电池中与气体扩散层200相接的基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板100的厚度方向的剖视图。图2是包括液体水流路30中的扩张区域31以外的区域、即液体水流路30的其他区域32在内的剖视图，图3是包括液体水流路30中的扩张区域31在内的剖视图。如图2和图3所示，在基于本公开的一个实施方式的燃料电池用隔板100中，液体水流路30中的扩张区域31的槽的宽度大于其他区域32的槽的宽度，由此该区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积变大。

虽不受原理限定，但通过本公开的燃料电池用隔板能够使溢流、发电性能的降低等减少的原理如下。

本发明人认识到：在国际公开第2011/090246公开那样的具有被肋相互隔开的多个气体流路，并且在肋的部分具有液体水流路的相关技术的燃料电池用隔板中，例如在以大电流密度使燃料电池工作的情况下等，若燃料电池用单电池内的液体水变多，则液体水流路内的液体水的流动变为乱流(包括气泡在内等不连续的流动)，产生水堵塞，液体水流路中的压力损失增加，从而有可能难以经由液体水流路向燃料电池用单电池的外部排出液体水。

更具体而言，如图4所示，相关技术的燃料电池用隔板100具有被肋10相互隔开的多个气体流路20，并且在气体流路20侧的面，在肋10的表面具有沿着气体流路与气体流路20隔开的液体水流路30。

而且，如图5所示，在具备具有这样的结构的燃料电池用隔板100的燃料电池用单电池中，液体水流路30内的液体水50的流动因气泡55进入至液体水流路30内而变为乱流，从而有可能产生水堵塞从而压力损失增加。

若在液体水流路30内压力损失增加，则难以经由液体水流路30向燃料电池用单电池的外部排出液体水，作为结果，向气体流路20流入的液体水的量增加，气体流路20堵塞，从而燃料电池用单电池的发电效率降低，另外，有可能容易产生溢流。

与此相对地，例如如图6所示，本公开的燃料电池用隔板的液体水流路30具有与流动方向垂直的方向的剖面面积大于液体水流路30的其他区域32的与流动方向垂直的方向的剖面面积的扩张区域31。因此，即使在液体水流路30内产生气泡55进入至液体水50的流动即乱流，液体水50与气泡55也在液体水流路的剖面面积较大的扩张区域31分离，由此在扩张区域31乱流变化为环流，因此能够抑制扩张区域31及其下游处的水堵塞。

由此，本公开的燃料电池用隔板能够使溢流、发电性能的降低等减少。

肋

肋是燃料电池用隔板中的在气体流路侧的面即在组装于燃料电池用单电池后与气体扩散层对置的面侧成为凸形状的部分，由此是将多个气体流路相互隔开的部分。

肋在气体流路侧的面，在肋的表面具有沿着气体流路与气体流路隔开的液体水流路。

此外，肋的气体流路侧的面的相反侧、即在组装于燃料电池用单电池后成为燃料电池用单电池的外侧的面可以是凹形状，也可以形成用于将燃料电池用单电池冷却的制冷剂流路。

液体水流路

液体水流路在燃料电池用隔板的气体流路侧的面，以沿着气体流路与气体流路隔开的方式配置于肋的表面。而且，液体水流路具有扩张区域，液体水流路的扩张区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积大于液体水流路的其他区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积。此外，与流动方向垂直的方向的剖面面积也能够作为液体水流路的宽度方向的剖面面积来提及。

液体水流路沿着气体流路配置。由此，例如能够沿着气体流路通过液体水流路来回收由燃料电池用单电池的电池反应形成的生成水等液体水，因此液体水更难以向气体流路流入。

扩张区域

扩张区域是液体水流路中的与流动方向垂直的方向的剖面面积大于液体水流路的其他区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积的区域。

扩张区域的形状也可以是与流动方向垂直的方向的剖面面积大于液体水流路的其他区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积的任意的形状。

扩张区域的宽度也可以大于液体水流路的其他区域的宽度。通过使扩张区域的宽度大于液体水流路的其他区域的宽度，不需要增大燃料电池用隔板的厚度，就能够增大扩张区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积。

并不特别地限定液体水流路中的扩张区域的个数，也可以根据燃料电池用隔板的大小、液体水流路的长度、以及由燃料电池用单电池的电池反应形成的生成水等液体水的量等适当地决定。

气体流路

气体流路是为了将从燃料电池用单电池的外部供给的反应气体例如阴极气体或者阳极气体向气体扩散层供给，并且/或者将这些气体向燃料电池用单电池的外部排出而由燃料电池用隔板具有的流路。

气体流路的形状也可以是能够将从燃料电池用单电池的外部供给的反应气体例如阴极气体或者阳极气体向气体扩散层供给的任意的形状，例如也可以是螺旋形状。

气体流路能够具有与流动方向垂直的方向的剖面面积小于气体流路的其他区域的与流动方向垂直的方向的剖面面积的收缩区域。

在气体流路具有收缩区域的情况下，在该区域中流动的反应气体的流速变大，由此易于从燃料电池用单电池排出由燃料电池用单电池的电池反应形成的生成水等液体水。

该收缩区域能够并列设置于液体水流路的扩张区域。

更具体而言，收缩区域和液体水流路能够如图7所示配置。在图7中，燃料电池用隔板100具有被肋10相互隔开的多个气体流路20，并且在气体流路20侧的面，在肋10的表面具有与气体流路20隔开的液体水流路30。而且，液体水流路30具有扩张区域31，液体水流路30的扩张区域31的与流动方向垂直的方向的剖面面积大于液体水流路30的其他区域32的与流动方向垂直的方向的剖面面积。另外，气体流路20具有与流动方向垂直的方向的剖面面积小于气体流路的其他区域22的收缩区域21。并且，收缩区域21并列设置于液体水流路30的扩张区域31。

燃料电池用单电池

本公开的燃料电池用单电池是依次序层叠有本公开的燃料电池用隔板、气体扩散层、电极催化剂层以及电解质层的燃料电池用单电池。也可以构成为：本公开的燃料电池用单电池具有依次层叠有阴极隔板、阴极气体扩散层、阴极电极催化剂层、电解质层、阳极电极催化剂层、阳极气体扩散层以及阳极隔板的结构，并且是阴极隔板与阳极隔板的至少任意一方是本公开的燃料电池用隔板的燃料电池用单电池。

气体扩散层

作为气体扩散层，能够举出阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

气体扩散层的材料也可以是能够用于燃料电池用催化剂的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的任意的材料。作为这样的材料，例如，能够举出具有导电性的多孔体。作为这样的多孔体，更具体而言，能够举出碳纸、碳布、以及玻璃状碳那样的碳多孔体、或者金属网和发泡金属那样的金属多孔体。

电极催化剂层

作为电极催化剂层，能够举出阳极电极催化剂层和阴极电极催化剂层。阳极电极催化剂层和阴极电极催化剂层也可以是在载体担载有催化剂金属的催化剂的层。

作为催化剂金属，也可以是用于燃料电池用催化剂的任意的催化剂金属。作为这样的催化剂金属，例如能够举出Pt、Pd、Rh、或者包括这些元素在内的合金等。

作为载体，也可以是用于燃料电池用催化剂的任意的载体。作为这样的载体，例如能够举出碳载体，更具体而言，能够举出由玻璃碳、碳黑、活性炭、焦炭、天然石墨、或者人造石墨等构成的碳粒子。

电解质层

作为电解质层的材料，可以使用能够用于燃料电池单个电池的电解质层的任意的材料。作为这样的材料，例如能够举出氟类的具有离子传导性的高分子膜，更具体而言，能够举出具备全氟磺酸的具有质子导电性的离子交换膜等。

Claims (5)

1.一种燃料电池用隔板，其特征在于，

所述燃料电池用隔板具备肋，

其中，所述燃料电池用隔板具有被所述肋相互隔开的多个气体流路，

所述燃料电池用隔板具有液体水流路，

所述液体水流路设置于所述燃料电池用隔板的所述气体流路侧的面，

所述液体水流路分别处于对应的所述肋的表面，

所述液体水流路与所述气体流路隔开，

所述液体水流路沿着所述气体流路延伸，而且

所述液体水流路分别具有扩张区域，该扩张区域的剖面面积大于所述液体水流路的扩张区域以外的区域、即所述液体水流路的其他区域的剖面面积，所述扩张区域的剖面面积和所述液体水流路的其他区域的剖面面积分别是所述液体水流路的与流动方向垂直的剖面的面积。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其特征在于，

所述扩张区域的宽度大于所述液体水流路的其他区域的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，

所述气体流路分别具有收缩区域，该收缩区域的剖面面积小于所述气体流路的收缩区域以外的区域、即所述气体流路的其他区域的剖面面积，所述气体流路的所述收缩区域与所述液体水流路的所述扩张区域并列设置。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池用隔板，其特征在于，

所述燃料电池用隔板是阴极隔板。

5.一种燃料电池用单电池，其特征在于，

所述燃料电池用单电池具备：

权利要求1～4中任一项所述的燃料电池用隔板；

气体扩散层；

电极催化剂层；以及

电解质层，

其中，依次层叠所述燃料电池用隔板、气体扩散层、电极催化剂层以及电解质层。

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