CN113497242A - 气体流路结构、支承板及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够将由生成水导致的气体流路的闭塞的产生和由气体扩散层的挫曲导致的燃料电池的压降的增加等降低到最小限度而得到稳定的发电性能的燃料电池用气体流路结构。一种燃料电池用气体流路结构，其特征在于，在同一气体流路内，气体流路具备2个以上的第1区域、和流路截面积小于该第1区域的2个以上的第2区域，且在同一气体流路内，各该第1区域与各该第2区域交替地配置，在相邻的上述气体流路间，上述气体流路的各上述第1区域和各上述第2区域交替地配置，在各上述第2区域中，上述气体流路至少具备1个流路截面积小于该第2区域的第3区域。
Description
技术领域
本公开涉及一种气体流路结构、支承板及燃料电池。
背景技术
燃料电池是在层叠了多个单电池单元的燃料电池堆栈中，通过作为燃料气体的氢(H2)和作为氧化剂气体的氧(O2)的电化学反应而导出电能的发电装置。应予说明，以下，也有时将燃料气体、氧化剂气体没有特别区分地简单称为“反应气体”或者“气体”。
该燃料电池的单电池单元通常由膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)、根据需要夹持该膜电极接合体的两面的2片隔离件构成。
膜电极接合体具有如下结构：在具有质子(H+)传导性的固体高分子型电解质膜(以下，也简称为“电解质膜”)的两面分别依次形成有催化剂层和气体扩散层。
隔离件通常具有在与气体扩散层相接的面形成有作为反应气体的流路的槽的结构。应予说明，该隔离件也作为发出的电的集电体发挥功能。
燃料电池的燃料极(阳极)中，从流路和气体扩散层供给的氢通过催化剂层的催化作用质子化，通过电解质膜而向氧化剂极(阴极)移动。同时生成的电子通过外部电路而工作，向阴极移动。向阴极供给的氧在阴极上与质子和电子反应，生成水。
生成的水给电解质膜带来适度的湿度，多余的水透过气体扩散层，通过流路向体系外排出。
在燃料电池中为了提高发电性能，研究了提高向包含催化剂层和气体扩散层的电极的气体供给性的方案。
例如在专利文献1中公开了以下技术：通过在气体流路设置局部减少了气体流动方向的截面积的节流部，使来自气体流路的反应气体在气体扩散层中对流，发生所谓的潜入，由此提高向电极的气体供给性，提高发电性能。
另外，专利文献2中公开了如下技术：为了使同一流路内的潜入量均匀化，增大同一流路内的中央区域的流路宽度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017－228482号公报
专利文献2：日本特开2012－064483号公报。
发明内容
专利文献1中，气体的潜入集中在气体流路的各节流部前后。因此，各节流部间的中央区域的潜入减少，没有发挥充分的发电性能的提高效果。在此，虽然通过增加节流部(减少各节流部间的间隔)，使气体的潜入量增加，但气体流路的截面积变小的部分增多，因此容易发生由生成水导致的气体流路的闭塞，向电极的气体供给性降低。另外，由于气体流路的截面积变小部分增多，因而燃料电池的压降增加，燃料电池的发电性能降低。
另外，专利文献2中，在减少了隔离件的肋宽度的部分与气体扩散层的接触面积变小，所以有时发生隔离件与气体扩散层的接触电阻的上升和局部面压增大所导致的气体扩散层的挫曲。由此，气体扩散层隆起，进入到隔离件的气体流路，从而气体流路的截面积变小，容易产生由生成水导致的气体流路的闭塞，向电极的气体供给性降低。另外，由于隔离件的气体流路的截面积变小，由此燃料电池的压降增加，燃料电池的发电性能降低。
本公开基于上述实际情况而完成，目的在于提供一种能够将由生成水导致的气体流路的闭塞的产生和由气体扩散层的挫曲导致的燃料电池的压降的增加等减少到最小限值，可得到稳定的发电性能的燃料电池用的气体流路结构。
本公开提供一种燃料电池用气体流路结构，其特征在于，包括：在膜电极接合体的、与2个气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接地配置的至少1个支承板的与该气体扩散层接触的面形成的槽状的多个气体流路，
所述膜电极接合体具备：包含催化剂层和气体扩散层的2个电极，和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜，
对于所述气体流路而言，在同一气体流路内，具备2个以上的第1区域、和流路截面积小于该第1区域的2个以上的第2区域，并且在同一气体流路内，各该第1区域与各该第2区域交替地配置，
对于所述气体流路而言，在相邻的所述气体流路间，各所述第1区域与各所述第2区域交替地配置，
在各所述第2区域中，所述气体流路至少具备1个流路截面积小于该第2区域的第3区域。
本公开提供一种燃料电池用的支承板，其特征在于，在至少一面具备上述气体流路结构。
本公开可以提供一种燃料电池，其特征在于，具备：
膜电极接合体，其具有包含催化剂层和气体扩散层的2个电极和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜；以及
至少1个支承板，其与上述膜电极接合体的2个上述气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接地配置，
上述支承板具备上述气体流路结构，
上述气体流路结构至少形成于上述支承板的与上述气体扩散层接触的面。
本公开可以提供一种能够将由生成水导致的气体流路的闭塞的产生和由气体扩散层的挫曲导致的燃料电池的压降的增加等降低到最小限值，从而得到稳定的发电性能的燃料电池用气体流路结构。
附图说明
图1是表示具有本公开的气体流路结构的支承板的气体流路的截面形状的一部分的一个例子的示意图。
图2是表示本公开的气体流路结构的气体流路配置的一个例子的示意图。
图3的上图是实施例1中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图是表示在该气体流路配置部位的气体向气体扩散层的潜入流速的图。
图4的上图是比较例1中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图是表示在该气体流路配置部位的气体向气体扩散层的潜入流速的图。
图5的上图是比较例2中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图表示在该气体流路配置部位的气体向气体扩散层的潜入流速的图。
图6的上图是比较例3中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图表示在该气体流路配置部位的气体向气体扩散层的潜入流速的图。
图7是表示实施例1和比较例1～3的各燃料电池的气体向气体扩散层的平均潜入流速与压降的关系的图。
图8是表示实施例1和比较例1的各燃料电池运转时的燃料电池的电压和压降与电流密度的关系的图。
图9是表示从实施例1～5和比较例1的各燃料电池的电压导出的、燃料电池的电压与流路截面积比(宽槽/窄槽)的关系的图。
具体实施方式
1.气体流路结构
本公开提供一种燃料电池用气体流路结构，其特征在于，包括：在膜电极接合体的、与2个气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接地配置的至少1个支承板的与该气体扩散层接触的面形成的槽状的多个气体流路，
所述膜电极接合体具备：包含催化剂层和气体扩散层的2个电极，和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜，
对于所述气体流路而言，在同一气体流路内，具备2个以上的第1区域、和流路截面积小于该第1区域的2个以上的第2区域，并且在同一气体流路内，各该第1区域与各该第2区域交替地配置，
对于所述气体流路而言，在相邻的所述气体流路间，各所述第1区域与各所述第2区域交替地配置，
在各所述第2区域中，所述气体流路至少具备1个流路截面积小于该第2区域的第3区域。
支承板上的隔开气体流路的肋(隔壁或凸部)是与气体扩散层的接触部，由此在燃料电池的组装时承受紧固负荷而通过肋使气体扩散层崩溃，气体扩散层内的空隙率减少，气体扩散层的气体扩散性和排水性降低。
本研究人通过组合3种流路截面积不同的气体流路区域，从而发现了如下气体流路结构：使同一气体流路内的气体的潜入量均匀化，且在不同的气体流路间，使肋与气体扩散层的接触部的面压均等，将燃料电池的压降的上升抑制到最低限度，提高其发电性能。
图1是表示具有本公开的气体流路结构的支承板的气体流路的截面形状的一部分的一个例子的示意图。
如图1所示，本公开的气体流路结构中，第2区域(窄槽)流路截面积小于第1区域(宽槽)。
图2是表示本公开的气体流路结构的气体流路配置的一个例子的示意图。应予说明，图2中，为了方便，省略肋。
如图2所示，本公开的气体流路结构中，在同一气体流路内，具备2个以上的第1区域、和流路截面积小于该第1区域(宽槽)的2个以上的第2区域(窄槽)，并且在同一气体流路内各该第1区域(宽槽)与各该第2区域(窄槽)交替地配置。另外，在相邻的气体流路间，各第1区域(宽槽)与各第2区域(窄槽)交替地配置。并且，在各第2区域中，具备1个流路截面积小于该第2区域(窄槽)的第3区域(节流部)。
本公开的气体流路结构包括在膜电极接合体的、与2个气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接地配置的至少1个支承板的与该气体扩散层接触的面形成的槽状的多个气体流路，所述膜电极接合体具备包含催化剂层和气体扩散层的2个电极以及配置于2个该催化剂层之间的电解质膜。
膜电极接合体和支承板如后所述。
多个气体流路在同一气体流路内具备2个以上的第1区域、和流路截面积小于该第1区域的2个以上的第2区域，并且在同一气体流路内，各该第1区域和各该第2区域交替地配置。
第1区域(宽槽)相对于第2区域(窄槽)的流路截面积比(宽槽/窄槽)超过1.00即可，从提高燃料电池的输出的观点考虑，可以为1.14以上，也可以为1.42以上，还可以为1.84以上。另外，例如从提高燃料电池的输出的观点考虑，流路截面积比(宽槽/窄槽)可以为2.74以下，也可以为2.24以下。
气体流路的第1区域和第2区域的槽的深度可以相同，也可以不同，但从使燃料电池的输出稳定的观点考虑，可以是相同的。
另外，气体流路在相邻的气体流路间，各第1区域与各第2区域交替地配置。因此，气体流路的第1区域与第2区域的流路长度是相同的。
第1区域和第2区域的流路长度没有特别限定，可以结合燃料电池的大小适当地设定。
如果配置在同一气体流路内的第1区域和第2区域分别具备2个以上，其数量没有特别限定，可以结合燃料电池的大小适当地设定。
气体流路在各第2区域中，至少具备1个流路截面积小于该第2区域的第3区域。
第2区域(窄槽)相对于第3区域(节流部)的流路截面积比(窄槽/节流部)超过1.00即可，从提高燃料电池的输出的观点考虑，可以为3.00以上，也可以为5.00以上。另外，例如从提高燃料电池的输出的观点考虑，流路截面积比(窄槽/节流部)可以为10.00以下，也可以为8.00以下，还可以为6.00以下。
气体流路的第2区域和第3区域的槽的深度可以相同，也可以不同，但从使燃料电池的输出稳定的观点考虑，可以是相同的。
第3区域的流路长度只要是比第2区域的流路长度短，就没有特别限定。
第2区域(窄槽)相对于第3区域(节流部)的流路长度比(窄槽/节流部)只要超过1.00即可，从提高燃料电池的输出的观点考虑，可以为3.00以上，也可以为5.00以上。另外，例如从提高燃料电池的输出的观点考虑，流路长度比(窄槽/节流部)可以为100.00以下，也可以为50.00以下，还可以为10.00以下。
在各第2区域中配置的第3区域只要至少具备一个，其数量就没有特别限定，从使燃料电池的输出稳定化的观点考虑，可以是一个。
第3区域具体而言为节流部，可以采用以往公知的节流部。
在气体流路结构的相邻的气体流路间可以存在肋。
2.支承板
本公开的燃料电池用的支承板具备上述气体流路结构。
支承板在其至少一面具备上述气体流路结构即可，也可以在其两面具备上述气体流路结构。
支承板以与膜电极接合体的2个气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接的方式使用，该膜电极接合体具备包含催化剂层和气体扩散层的2个电极、和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜。
支承板例如可以为隔离件和集电体等。
隔离件可以是气体不透过的导电性部件等。作为导电性部件，例如可以是将碳压缩而气体不透过的致密碳和加压成型的金属板等。另外，隔离件也可以具备集电功能。
3.燃料电池
本公开的燃料电池的特征在于，具备：
膜电极接合体，其具备包含催化剂层和气体扩散层的2个电极、和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜；以及
至少1个支承板，其以与上述膜电极接合体的2个上述气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接的方式配置，
上述支承板具备上述气体流路结构，
上述气体流路结构至少形成于上述支承板的与上述气体扩散层接触的面。
燃料电池可以是将该燃料电池的单电池单元层叠多个而构成的燃料电池堆栈。
燃料电池的单电池单元具备膜电极接合体、和在该膜电极接合体的至少单面上的支承板。另外，燃料电池的单电池单元可以具备膜电极接合体、和夹持该膜电极接合体的两面的2片支承板。
支承板可以在至少与气体扩散层接触的面具有上述气体流路结构即可，也可以在两面具有上述气体流路结构。
膜电极接合体具备包含催化剂层和气体扩散层的2个电极、和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜。
电解质膜可以是固体高分子材料。作为固体高分子电解质膜，例如可举出利用氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜和烃类电解质膜等。作为电解质膜，例如可以是Nafion膜(杜邦公司制)等。
2个电极包含催化剂层和气体扩散层，一方为氧化剂极(阴极)，另一方为燃料极(阳极)。
催化剂层例如可以具备促进电气化学反应的催化剂金属、具有质子传导性的电解质和具有电子传导性的碳粒子等。
作为催化剂金属，例如可以使用铂(Pt)和由Pt与其它的金属构成的合金(例如混合有钴和镍等的Pt合金)等。
作为电解质，可以是氟系树脂等。作为氟系树脂，例如可以使用Nafion溶液等。
上述催化剂金属担载在碳粒子上，各催化剂层中，担载有催化剂金属的碳粒子(催化剂粒子)和电解质可以混合存在。
用于担载催化剂金属的碳粒子(担载用碳粒子)例如可以使用通过对一般市售的碳粒子(碳粉末)进行加热处理而提高自身的疏水性的疏水化碳粒子等。
气体扩散层可以是具有气体透过性的导电性部件等。
作为导电性部件，例如可举出碳布和碳纸等碳多孔体以及金属网、以及发泡金属等金属多孔体等。
支承板可以以与膜电极接合体的2个气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接的方式配置至少1个即可，也可以在膜电极接合体的2个气体扩散层分别邻接地配置支承板。
支承板例如可以作为隔离件发挥功能，也可以作为集电体发挥功能。
作为隔离件，可举出作为在上述“2.支承板”中记载的隔离件所举出的材料等。
支承板具备的气体流路结构只要至少形成在该支承板的与该气体扩散层接触的面即可，也可以形成于该支承板的两面。
膜电极接合体通常由2片支承板夹持其两侧，在阳极与支承板之间形成有燃料气体流路，在阴极与支承板之间形成有含氧气体流路。
实施例
(实施例1)
准备如下燃料电池：具有膜电极接合体和分别与该膜电极接合体的2个气体扩散层邻接配置的2个支承板，上述膜电极接合体具备包含催化剂层和气体扩散层的2个电极和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜，2个该支承板具备气体流路结构，气体流路结构形成于各支承板的与气体扩散层接触的面。
支承板具备的气体流路结构如下所述。
在同一气体流路内，具备规定的数量的第1区域和流路截面积小于该第1区域的规定的数量的第2区域。
在同一气体流路内，各该第1区域和各该第2区域交替地配置。
在相邻的气体流路间，各第1区域和各第2区域交替地配置。
在各第2区域中，具备1个流路截面积小于该第2区域的第3区域。
第1区域(宽槽)相对于第2区域(窄槽)的流路截面积比(宽槽/窄槽)为1.84。
对于准备的燃料电池，按照规定的条件实施运转，测定规定的电流密度下的燃料电池的压降和电压、以及从支承板的肋向气体扩散层的气体的平均潜入流速。将结果示于表1～2、图3、图7、图8。
图3的上图是实施例1中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图是表示在该气体流路配置部位的向气体扩散层的气体潜入流速的图。
实施例1中，压降为24kPa，电压为0.6115V，平均潜入流速为0.40m/s。
(比较例1)
气体流路结构中，将第1区域(宽槽)相对于第2区域(窄槽)的流路截面积比(宽槽/窄槽)设为1.00，除此之外，准备与实施例1相同的条件的燃料电池，测定与实施例1相同的条件下的规定的电流密度下的燃料电池的压降和电压、以及从支承板的肋向气体扩散层的气体的平均潜入流速。将结果示于表1～2、图4、图7、图8。
图4的上图是比较例1中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图是表示在该气体流路配置部位的向气体扩散层的气体潜入流速的图。
比较例1中，压降为32kPa，电压为0.6030V，平均潜入流速为0.21m/s。
(比较例2)
气体流路结构中，没有设置第3区域，除此之外，准备与实施例1相同的条件的燃料电池，测定与实施例1相同的条件下的规定的电流密度下的燃料电池的压降、和从支承板的肋向气体扩散层的气体的平均潜入流速。将结果示于表1、图5、图7。
图5的上图为比较例2中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图表示在该气体流路配置部位的向气体扩散层的气体潜入流速的图。
比较例2中，压降为18kPa，平均潜入流速为0.20m/s。
(比较例3)
气体流路结构中，在各第2区域中，没有设置第3区域，取而代之，在各第1区域中设置1个第3区域，除此之外，准备与实施例1相同的条件的燃料电池，测定与实施例1相同的条件下的规定的电流密度下的燃料电池的压降和从支承板的肋向气体扩散层的气体的平均潜入流速。将结果示于表1、图6、图7。
图6的上图是比较例3中使用的气体流路结构的气体流路配置的示意图，下图是表示在该气体流路配置部位的向气体扩散层的气体潜入流速的图。
比较例3中，压降为35kPa，平均潜入流速为0.35m/s。
[表1]
图7是表示实施例1和比较例1～3的各燃料电池的气体向气体扩散层的平均潜入流速与压降的关系的图。
图8是表示实施例1和比较例1的各燃料电池运转时的燃料电池的电压和压降与电流密度的关系的图。图8中，实线表示电压，虚线表示压降。
另外，三角形表示实施例1的值，菱形表示比较例1的值。
如表1所示，实施例1的燃料电池与比较例1、3的燃料电池相比压降低，与比较例1～3的燃料电池相比平均潜入流速大，因此可知，通过将具备本公开的气体流路结构的支承体用于燃料电池，由此能够抑制压降的上升，并且增大平均潜入流速，可得到燃料电池稳定的发电性能。
(实施例2)
气体流路结构中，将第1区域(宽槽)相对于第2区域(窄槽)的流路截面积比(宽槽/窄槽)设为1.15，除此之外，准备与实施例1相同的条件的燃料电池，测定与实施例1相同的条件下的规定的电流密度下的燃料电池的电压。将结果示于表2、图9。
实施例2中，电压为0.6080V。
(实施例3)
气体流路结构中，将第1区域(宽槽)相对于第2区域(窄槽)的流路截面积比(宽槽/窄槽)设为1.42，除此之外，准备与实施例1相同的条件的燃料电池，测定与实施例1相同的条件下的规定的电流密度下的燃料电池的电压。将结果示于表2、图9。
实施例3中，电压为0.6105V。
(实施例4)
气体流路结构中，将第1区域(宽槽)相对于第2区域(窄槽)的流路截面积比(宽槽/窄槽)设为2.24，除此之外，准备与实施例1相同的条件的燃料电池，测定与实施例1相同的条件下的规定的电流密度下的燃料电池的电压。将结果示于表2、图9。
实施例4中，电压为0.6100V。
(实施例5)
气体流路结构中，将第1区域(宽槽)相对于第2区域(窄槽)的流路截面积比(宽槽/窄槽)设为2.74，除此之外，准备与实施例1相同的条件的燃料电池，测定与实施例1相同的条件下的规定的电流密度下的燃料电池的电压。将结果示于表2、图9。
实施例5中，电压为0.6078V。
[表2]
| 流路截面积比(宽槽/窄槽) | 电压(V) | |
| 比较例1 | 1.00 | 0.6030 |
| 实施例2 | 1.15 | 0.6080 |
| 实施例3 | 1.42 | 0.6105 |
| 实施例1 | 1.84 | 0.6115 |
| 实施例4 | 2.24 | 0.6100 |
| 实施例5 | 2.74 | 0.6078 |
图9是表示从实施例1～5和比较例1的各燃料电池的电压导出的、燃料电池的电压与流路截面积比(宽槽/窄槽)的关系的图。
如表2、图9所示，证实了如果流路截面积比(宽槽/窄槽)为1.15～2.74的范围，则燃料电池的电压变高，流路截面积比(宽槽/窄槽)为1.84的情况下燃料电池的电压最高。
Claims (3)
1.一种燃料电池用气体流路结构，其特征在于，包括：在膜电极接合体的、与2个气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接地配置的至少1个支承板的与该气体扩散层接触的面形成的槽状的多个气体流路，
所述膜电极接合体具备：包含催化剂层和气体扩散层的2个电极，和配置于2个该催化剂层之间的电解质膜，
对于所述气体流路而言，在同一气体流路内，具备2个以上的第1区域、和流路截面积小于该第1区域的2个以上的第2区域，并且在同一气体流路内，各该第1区域与各该第2区域交替地配置，
对于所述气体流路而言，在相邻的所述气体流路间，各所述第1区域与各所述第2区域交替地配置，
在各所述第2区域中，所述气体流路至少具备1个流路截面积小于该第2区域的第3区域。
2.一种燃料电池用支承板，其特征在于，在至少一面具备权利要求1所述的气体流路结构。
3.一种燃料电池，其特征在于，具备：
膜电极接合体，其具有包含催化剂层和气体扩散层的2个电极以及配置于2个该催化剂层之间的电解质膜，和
至少1个支承板，其与所述膜电极接合体的2个所述气体扩散层中的至少1个气体扩散层邻接地配置；
所述支承板具备权利要求1所述的气体流路结构，
所述气体流路结构至少形成于所述支承板的与所述气体扩散层接触的面。
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