CN1300874C - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池(10)，是由薄膜状的薄片形成燃料电池的扩散层(13、16)的燃料电池，在单元紧固时维持着在薄片上加载有薄片面内方向的规定张力的状态来紧固单元。扩散层(13、16)借助单元外部的框架(29)而被加载张力。张力的值为相对于单元紧固压力薄膜状的薄片的与隔板气体流路相对应的部分不会发生弯曲的程度的值。根据燃料电池运行条件改变张力。由此，不会有隔板肋部的向膜的陷入，并且能够像以往那样确保透气性。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，特别涉及固体高分子电解质型燃料电池的扩散电极。
背景技术
固体高分子电解质型燃料电池，将由膜-电极组合体(MEA：Membrane-Electrode Assembly)和隔板构成的单元重叠1层或其以上而设成组件，将该组件层叠而构成。
MEA包括由离子交换膜构成的电解质膜、由配置在该电解质膜的一面上的催化剂层和扩散层构成的扩散电极(阳极)、以及由配置在电解质膜的另一面上的催化剂层和扩散层构成的扩散电极(阴极)。在夹持MEA的隔板上形成用于向阳极供给燃料气体(氢气)的燃料气体流路和用于向阴极供给氧化气体(氧气，通常是空气)的氧化气体流路。另外，为了冷却燃料电池，在隔板上，按每个单元或者每多个单元形成致冷剂(冷却水)流路。隔板构成邻接的单元间的电子的通路。
在单元层叠体的单元层叠方向两端配置接线板(电极板)、绝缘子、端板，将单元层叠体沿单元层叠方向紧固(连接)，在单元层叠体的外侧用沿单元层叠方向延伸的紧固部件(例如张力板)和螺栓进行固定，从而形成层压体(stack)。
在固体高分子电解质型燃料电池中，在阳极侧进行使氢变成氢离子和电子的反应，氢离子在电解质膜中通过而向阴极侧移动，在阴极侧进行由氧和氢离子及电子(在相邻的MEA的阳极生成的电子经过隔板，或者在单元层叠体的一端的单元的阳极生成的电子经过外部电路到达单元层叠体的另一端的单元的阴极)生成水的反应。
阳极侧：
阴极侧：
以往的固体高分子型燃料电池，例如特开2002-50367中所揭示，一般是将碳织物或碳纸层叠1层或其以上而形成扩散层(气体扩散层)。
但是，层叠碳织物或碳纸的扩散层是低刚性的，电解质膜、催化剂层也是低刚性的，因此隔板的流路的肋部(凹凸的凸部)会因层压体的紧固载荷而陷入(嵌入/吃入)，在扩散层上进而在电解质膜上产生弯曲，扩散层和电解质膜的与隔板肋部的角部相触碰的部分会发生劣化，产生燃料电池的耐久性降低这样的问题。
虽然在为了消除向膜的陷入而提高扩散层的刚性时，考虑了由金属网或碳纸构成扩散层的方案，但对金属网而言，存在有腐蚀和由此而引起的膜的劣化、以及制作成本高这样的问题，对于碳纸(碳和酚树脂(フエノ一ル樹脂)等的复合材料)而言，则存在有在被隔板的流路的肋部挤压时肋部正下方部会被压实，因而引起透气性不良这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种没有隔板肋部的向膜的陷入，并且像以往那样能够确保扩散层的透气性的燃料电池。
达到上述目的的本发明如下。
(1)一种燃料电池，它是由薄膜状的薄片形成燃料电池的扩散层的燃料电池，其中，在单元紧固时，维持着在上述薄片上加载有薄片面内方向的规定张力的状态而紧固单元。
(2)如(1)中所述的燃料电池，其中，上述扩散层被沿着与隔板流路垂直的方向加载张力。
(3)如(1)中所述的燃料电池，其中，上述扩散层借助单元外部的框架而被加载张力。
(4)如(1)中所述的燃料电池，其中，上述扩散层(13、16)以加载有张力状态由粘合剂固定在隔板上。
(5)如(1)中所述的燃料电池，其中，上述张力的值为相对于单元紧固压力上述薄膜状的薄片的与隔板的气体流路相对应的部分不会弯曲的程度的值。
(6)如(1)中所述的燃料电池，其中，上述张力根据燃料电池运行条件改变。
(7)如(6)中所述的燃料电池，其中，在从低温起动时使上述张力较小，在正常运行时使上述张力较大。
上述(1)～(7)的燃料电池，因为以单元紧固状态在薄片上加载薄片面内方向的规定张力，因此扩散层的刚性提高，即使因单元紧固压力而被隔板肋部挤压，肋部也不会陷入扩散层及膜、或者陷入较少，也没有因陷入而引起的膜的损坏、或者损坏较少。另外，因为通过张力来提高刚性，所以扩散层的构造不会变得致密，即使加载张力，扩散层的透气性也可维持在如以往那样。
上述(2)的燃料电池，因为扩散层被沿着与隔板的气体流路垂直的方向加载张力，所以可有效地抑制隔板肋部陷入扩散层及膜。
上述(6)、(7)的燃料电池，因为能够根据运行条件变更张力，所以可在从低温起动时将张力设为较小，降低导电性而促进发热，且能够在正常运行时将张力设为较大，从而提高导电性。
附图说明
图1是本发明的燃料电池的全体概略图。
图2是本发明的燃料电池的单元的局部放大剖面图。
图3是本发明的燃料电池的正面图。
图4是用于对本发明的燃料电池的扩散层的纤维加载张力的纤维和框架的立体图。
图5是本发明的燃料电池的单元层叠体的局部放大剖面图。
图6是以往的燃料电池的单元的局部放大剖面图。
具体实施方式
以下，参照图1～图6(但图6是对比例)说明本发明的燃料电池。
本发明的燃料电池是固体高分子电解质型燃料电池10。固体高分子电解质型燃料电池10例如被搭载在燃料电池汽车上。但是也可以应用于汽车以外。
如图1、图2所示，固体高分子电解质型燃料电池10，通过将由膜-电极组合体(MEA：Membrane-Electrode Assembly)和隔板18构成的单元19进行层叠而构成。
MEA包括：由离子交换膜构成的电解质膜11、由配置在该电解质膜11的一面上的催化剂层12及扩散层13构成的扩散电极14(阳极)、由配置在电解质膜11的另一面上的催化剂层15和扩散层16构成的扩散电极17(阴极)。
在单元19的层叠方向两端配置接线板(电极板)20、绝缘子21、端板22，将单元层叠体19沿单元层叠方向紧固，在单元层叠体19的外侧用沿单元层叠方向延伸的紧固部件(例如张力板24)和螺栓25固定，从而形成层压体23。
夹这MEA而相对的一对隔板18中，在阳极侧的隔板上形成用于向阳极12供给燃料气体(氢气)的燃料气体流路26，在阴极侧的隔板上形成用于向阴极14供给氧化气体(氧气，通常是空气)氧化气体流路27。另外，为了冷却燃料电池，在隔板18中，按每个单元或者每多个单元形成流通致冷剂(冷却水)的致冷剂流路。例如，在图2中，在隔板18的与MEA相反侧的面上形成致冷剂流路。隔板18将冷却水和燃料气体及氧化气体区隔开，或者将燃料气体和氧化气体区隔开。隔板18还形成使电子从相邻单元的阳极向阴极流动的电通路。
但是，在如图5所示，夹着隔板而相对的扩散层彼此通过导电体31导电的情况下，隔板18也可以是非导体(不导体)。
扩散层13由薄膜状的薄片(也称做薄的片体)构成。既可以是催化剂层12被涂布在扩散层13的MEA侧的面上，而将催化剂层12和扩散层13形成薄膜片，或者也可以是由催化剂层12被涂布在膜11上，而扩散层13由与催化剂层12分开地形成的薄膜片构成。
同样地，扩散层16由薄膜状的薄片构成。既可以是催化剂层15被涂布在扩散层16的MEA侧的面上，而将催化剂层15和扩散层16形成薄膜片，或者也可以是催化剂层15被涂布在膜11上，而扩散层16由与催化剂层15分开地形成的薄膜片构成。
如图2所示，在形成扩散层13、16的薄片上，在单元紧固时分别被加载有薄片面内方向的规定张力F。然后，维持着在扩散层13、16上加载有张力F的状态而将单元层叠体紧固。在“维持着在扩散层13、16上加载有张力F的状态而将单元层叠体紧固”时，包括以在扩散层13、16上加载有张力的状态用粘合剂将扩散层13、16固定在隔板18上，将固定有扩散层13、16的隔板18与膜11或者MEA层叠，沿单元层叠方向进行紧固的情况。
图5表示将单元19沿单元层叠方向排列，在单元上还未加载单元层叠方向的紧固载荷的状态。图2对在单元上加载有单元层叠方向的紧固载荷的状态下的1单元的一部分进行放大显示。
在用导电体31将夹着隔板18而相对的扩散层13、16连接起来的情况下，隔板18也可以是非导体。
在扩散层13、16上，沿着与和扩散层13、16接触的隔板18的气体流路16、27垂直的方向加载张力。例如，在图3中，在气体流路26、27沿图3的左右方向延伸的情况下，在扩散层13、16上沿图3的上下方向加载张力F。
在扩散层13、16上加载张力的方法，例如，如图4、图5所示，将构成扩散层13、16的薄片的纤维(如碳纤维)28的两端部绑缚或者粘结在单元外部的框架29上，借助支持框架29的支柱30使框架29向相互离开的方向移动，从而在扩散层13、16上加载张力。例如，在支柱30的两端部形成具有彼此相反的螺纹的螺纹部，从而预先设成为可通过使支柱30绕支柱30的轴心转动而使上下的框架29相互离开而接近的结构，使支柱30向使框架29相互离开的方向转动，从而使框架29向相互离开的方向移动，从而在扩散层13、16上加载张力。在图3中在扩散层13、16上沿上下方向加载张力的情况下，被加载有张力的纤维在图3中沿上下方向伸长。
在将纤维28固定在框架29上时，优选为如图4所示，在至少一部分的纤维28的两端打结或设置膨胀部32，使该纤维28的未打结或未设置膨胀部32的部分穿过在框架29上形成的缝隙或孔，将结或膨胀部32向框架29的外侧面拉伸，由此使得纤维28不会沿纤维28的张力方向从框架29脱离。
加载在扩散层13、16上的张力的值，被设定成相对于单元紧固压力薄膜状的薄片的与隔板的气体流路相对应的部分不会发生弯曲的程度、即隔板18的气体流路的肋部不会陷入膜11的程度。
加载在扩散层13、16上的张力F，可以根据燃料电池的运行(工作)条件相应地变动。在将纤维28固定在框架29上的情况下，变更加载在扩散成13、16上的张力F比较容易。
在可根据燃料电池运行条件变更加载在扩散层13、16上的张力F的情况下，优选为在燃料电池从低温起动时使张力较小，在燃料电池的正常运行时使张力较大。
图6表示不加载张力的以往的状态。图2表示加载有张力的本发明的状态。
在张力较小的状态下，接近于图6的状态。在张力较小的状态下，扩散层和隔板肋部的接触面压力较小，电极扩散层的导电性降低而促进发热，而且电极扩散层在未被隔板肋部挤压的部位向从膜11离开的方向弯曲，热就就在此处被封闭，而促进低温起动时的燃料电池的升温以及向正常运行的转移。
在张力增大后的燃料电池的正常运行时，如图2所示，电极扩散层的刚性大，隔板的肋部不会陷入膜11，扩散层和隔板肋部的接触面压力大，因而导电性提高。
接着，说明本发明的作用。
因为在扩散层13、16上加载张力F，所以如图2所示，扩散电极的刚性提高，即使被隔板肋部挤压，隔板肋部也不易陷入电极扩散层13、16及膜11，在与隔板肋部的角部相对应的部位(图6的部位A)的膜11的损伤就会减少。一旦膜11损伤，燃料气体就向氧化气体侧泄漏，发生氧化而发热，使膜11进一步受损，但膜11的损伤情况较少的本发明，就没有这样的现象。其结果，燃料电池的耐久性提高。
因为该燃料电池的耐久性的提高，是通过在扩散层13、16上加载张力而进行的，所以不需要提高扩散层13、16的密度。另外，因为隔板肋部不易陷入扩散层13、16，所以也不会因为肋部正下方被压实而使密度提高。因此，扩散层13、16的透气性就像以往的那样，或者在以往以上，被维持在良好的状态。
因为在扩散层13、16上加载张力F时，张力F是沿着与隔板气体流路垂直的方向加载的，所以与平行于隔板气体流路地加载张力的情况相比，扩散层13、16的、相邻的隔板肋部间的部分不易向隔板流路内突入而发生弯曲，因此隔板肋部不易陷入扩散层13、16。其结果，防止上述的陷入和由其引起的膜11的损伤的作用进一步得到加强。
另外，因为是在单元外部设置框架29而对扩散层13、16加载张力，所以单元内结构可以按照以往那样不加改变。另外，在通过将单元外的框架29向相互背离的方向拉伸而在扩散层13、16上加载张力的情况下，能够较容易地进行张力的施加、张力的改变。
另外，若将张力设为可变，在从低温起动时将上述张力设为较小，则从低温(例如-40℃)开始的起动就变得良好。
产业上的应用可能性
本发明的加载张力的扩散层能够应用于燃料电池。
即，在单元紧固状态下在扩散层的薄片上加载有薄片面内方向的规定张力，因而扩散层的刚性提高，即使因单元紧固压力而从隔板肋部受到挤压，肋部也不会陷入扩散层及电解质膜或者陷入较少，也没有因陷入而引起的电解质膜的损坏或者损坏较轻。另外，因为通过张力而增大扩散层的刚性，所以扩散层的构造不会变得致密，即使加载张力扩散层的透气性也如以往那样可维持在良好状态。
在扩散层被沿着与隔板流路垂直的方向记载张力的情况下，可有效地抑制隔板肋部向扩散层及膜的陷入。
在扩散层借助单元外部的框架而被加载张力的的情况下，不必使单元内构造比以往从本质上改变，就能够在扩散层上加载张力。另外，易于将加载在扩散层上的张力设为可变。
在扩散层被加载张力、借助粘合剂等而被固定在隔板上的情况下，不必使单元内构造比以往从本质上改变，就能够在扩散层上加载张力。
在张力为相对于单元紧固压力薄片的与隔板的气体流路相对应的部分不会弯曲那样的大小时，不会将扩散层薄片拉伸破坏，而使刚性得到提高。
在根据运行条件使张力变化的情况下，可以在从低温起动时使张力较小，从而降低导电性而促进发热，提高起动性，并能够在正常运行时使张力较大，从而提高导电性。

Claims (6)

1.一种燃料电池(10)，它是由薄膜状的薄片形成燃料电池(10)的扩散层(13、16)的燃料电池，其中，在电池单元紧固时，维持着在上述薄片上加载有薄片面内方向的、且是沿着与隔板流路(26、27)垂直的方向的规定张力的状态而将电池单元(19)紧固。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，在上述扩散层(13、16)上借助电池单元外部的框架(29)加载张力。
3.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，上述扩散层(13、16)以被加载有张力的状态被用粘合剂固定在隔板上。
4.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，上述张力为相对于电池单元紧固压力上述薄膜状的薄片的与隔板的气体流路相对应的部分不会发生弯曲的程度的值。
5.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，根据燃料电池运行条件而改变上述张力。
6.根据权利要求5所述的燃料电池(10)，其中，在从低温起动时使上述张力较小，在正常运行时使上述张力较大。
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