CN1531760A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池(1)，通过叠合薄膜电极装置(2)和隔板(3)而构成，其中，由隔板(3)形成的燃料气体通路(16)、氧化气体通路(17)和冷却剂通路(9)被布置成沿着薄膜电极装置(2)的气体扩散层(6A)和(6C)的外表面并行。由于有这种结构，隔板(3)的厚度尺寸可被减小，且在燃料电池组的叠合方向上，叠合的电池单元数量能沿叠合方向在一尺寸下增加，该尺寸与传统的燃料电池组相同。因此，能够获得具有高输出密度的燃料电池组。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种固态聚合物电解质燃料电池(SPEFC)，该电池使用一种固态聚合物电解质作为电解质层，且备有活性气体以通过电化学反应获得电能。
背景技术
在日本专利申请公开文本No.H6-260193(1994)中披露了一种传统固态聚合物电解质燃料电池的基本结构。在传统的薄膜电极装置(MEA)中，包含贵金属(主要为铂)的催化剂层被形成在固态聚合物电解质的两个主表面上。将活性气体引入固态聚合物电解质的多孔材料层被进一步布置在所述催化剂层的外侧之上。此外，在所述多孔材料层的外侧之上布置有隔板(separator)。所述隔板包括阳极侧隔板和阴极侧隔板。在阳极侧隔板的一个表面上形成燃料气体通路，在其另一表面上形成冷却剂通路。在阴极侧隔板中，形成氧化气体通路。如上所述的每个均由组成元件形成的电池单元(unit cell)被顺序地叠合起来，这样就构成了燃料电池组(fuel cell stack)。
发明内容
然而，当电池组按照如上所述的传统燃料电池的结构形成时，分别形成在各隔板中的燃料气体通路、氧化气体通路和冷却剂通路被沿着电池组的厚度方向布置。因此，即使每个阳极侧隔板和每个阴极侧隔板的结构薄到一定程度，电池组的体积也不能减小到足够小。这样就会产生一个问题，即每单位体积的输出即输出密度受到限制。
本发明是在考虑上述问题后作出的。本发明的目的是提供一种具有高输出密度的固态聚合物电解质燃料电池。
根据本发明的一方面，提供一种燃料电池，包括：固态聚合物电解质；布置在固态聚合物电解质的两个表面上的催化剂层；具有传导性的气体扩散层，所述气体扩散层被布置在各催化剂层的外表面上；隔板，其包括燃料气体通路、氧化气体通路和冷却剂通路，所述隔板被布置在各气体扩散层的外表面上，其中，冷却剂通路被布置成在沿着气体扩散层的表面的方向上平行于燃料气体通路和氧化气体通路中的任何一个。
附图说明
图1为主要截面图，示出了本发明的实施例1的燃料电池；
图2为透视图，示出了用于本发明的实施例1的燃料电池的隔板；
图3为曲线图，示出了本发明的实施例1的燃料电池、变型例和传统燃料电池的电流-电压曲线；
图4为主要截面图，示出了本发明的实施例2的燃料电池。
具体实施方式
为了对本发明进行更加详细的描述，下文将参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
(实施例1)
图1示出了根据本发明的燃料电池的第一实施例，示出了一种简单结构，其中为了便于解释说明，将三个电池单元叠在一起。
该实施例的特征在于，由隔板形成的燃料气体通路、氧化气体通路和冷却剂通路沿薄膜电极装置的外表面的方向成一直线布置。
如图1所示，根据本实施例的燃料电池1通过例如将薄膜电极装置2和隔板3叠合起来并形成任意数量的层而构成。图1示出了三个薄膜电极装置2，且隔板3被布置在各薄膜电极装置2的两个表面上。应当注意，隔板3被插入每个薄膜电极装置2之间。
所述薄膜电极装置2由固态聚合物电解质4、催化剂层5和气体扩散层6A和6C构成。固态聚合物电解质4与供给其的燃料气体和氧化气体进行电化学反应。催化剂层5被布置在固态聚合物电解质4的两个主要表面上，并加速所述电化学反应。气体扩散层6A和6C被布置在各催化剂层5的外表面上，且由具有传导性的多孔材料构成。一个气体扩散层6A起阳极作用，另一气体扩散层6C起阴极作用。
如图1和图2所示，隔板3呈板形结构，其面积约等于薄膜电极装置2的面积。更具体而言，如图2所示，在隔板3的一个表面上，若干燃料气体通路成形槽7沿着如图2所示的Y方向以预定间隔成直线形成。在隔板3的每个形成燃料气体通路成形槽7的一侧形成冷却剂通路9，且通过分隔壁8将冷却剂通路与燃料气体通路成形槽7分开，隔壁8形成燃料气体通路形成槽7。在隔板3中形成冷却剂通路9，使该通路沿图2所示的Y方向贯穿。
在隔板3的另一表面上，形成氧化气体通路成形槽10，每个槽10位于每个毗邻的燃料气体通路成形槽7之间。这些氧化气体通路成形槽10也沿着如图2所示的Y方向形成。因此，如图1和图2所示，燃料气体通路成形槽7、冷却剂通路9和氧化气体通路成形槽10全部沿着Y方向延伸。每个氧化气体通路成形槽10和每个冷却剂通路9在它们之间均插入分隔壁11而形成。
在形成于隔板3的一个表面上且位于燃料气体通路成形槽7之间的每个壁12的外侧上，若干连接毗邻的燃料气体通路成形槽7的燃料气体扩散槽13沿着如图2所示的X方向形成。这些燃料气体扩散槽13沿着Y方向以预定间隔布置。
同时，在位于隔板3另一表面上形成的氧化气体通路成形槽10之间的每个壁14的外表面上，形成连接这些氧化气体通路成形槽10的若干氧化气体扩散槽15。与燃料气体扩散槽13相类似，这些氧化气体扩散槽15也沿图2所示Y方向以预定间隔相互平行地形成。
如图1所示，如上文所述构造的隔板3和薄膜电极装置2被叠在一起，这样就构成了燃料电池1。应当注意，在该实施例中，每个隔板3保持相同的结构，即使其被垂直倒置。隔板3的叠合表面根据其与薄膜电极装置2的叠合状态的不同而成为阳极或阴极。因此，当所述叠合表面为阳极时，它的槽成为燃料气体通路成形槽7，当所述叠合表面为阴极时，它的槽成为氧化气体通路成形槽10。从而，在该实施例中，根据隔板3被布置在薄膜电极装置2的阳极侧还是阴极侧，该隔板3可以起阳极侧隔板和阴极侧隔板的作用。
如图1所示，在根据第一实施例构造的燃料电池1中，隔板3的一个表面连接在薄膜电极装置2的阳极侧气体扩散层6A上。这样，每个燃料气体通路16由燃料气体通路成形槽7和阳极侧气体扩散层6A构成。此外，隔板3的另一个表面连接在薄膜电极装置2的阴极侧气体扩散层6C上，从而，每个氧化气体通路17由氧化气体通路成形槽10和阴极侧上的气体扩散层6C构成。
在这样构造的第一实施例中，冷却剂通路9、燃料气体通路16和氧化气体通路17在一个隔板3上平行布置。因此，在电池组的叠合方向上，叠合的电池单元数量能沿叠合方向在一尺寸下增加，该尺寸与传统的电池组相同。因此，在根据该实施例的燃料电池1中，能够获得具有高输出密度的燃料电池组。
此外，在该实施例中，燃料气体通路16中的燃料气体通过燃料气体扩散槽13，这样就使燃料气体在阳极侧上的气体扩散层6A中易于扩散。因此，燃料气体能有效地被引入薄膜电极装置2中。类似地，氧化气体通路17中的氧化气体通过氧化气体扩散槽15，这样就使氧化气体在阴极侧上的气体扩散层6C中易于扩散。因此，氧化气体能有效地被引入薄膜电极装置2中。从而，在薄膜电极装置2中，燃料气体和氧化气体之间能有效地进行电化学反应。
在该实施例中，燃料气体扩散槽13被形成在隔板3的一个表面上的壁12上，氧化气体扩散槽15被形成在隔壁3的另一个表面上的壁14上。然而，可以采用一种结构，其中仅形成燃料气体扩散槽13和氧化气体扩散槽15中的任意一个。另外，还可采用另一种结构，其中既不形成燃料气体扩散槽13，也不形成氧化气体扩散槽15(变型例)。
图3示出了关于上述的传统燃料电池、根据本实施例的燃料电池、和在其构造中既不形成燃料气体扩散槽13也不形成氧化气体扩散槽15的电池单元中，每相同薄膜面积的电流密度和电池电压之间的关系(电流电压曲线)。附图标记18表示传统电池的曲线，附图标记19表示本发明的具有气体扩散槽的燃料电池的曲线，附图标记20表示本发明的没有任何气体扩散槽(变型例)的燃料电池的曲线。参照图3可以理解，对于本实施例的燃料电池和变型例的燃料电池，在低电流密度的范围内，每个电池单元的特性均比得上传统燃料电池，即燃料电池的效率高。特别是，如图2所示，在本实施例的燃料电池中，设有燃料气体扩散槽13和氧化气体扩散槽15。这样，燃料气体和氧化气体就被供应到隔板3的接触表面上，使与薄膜电极装置2的气体扩散层6A和6C相接触。从而，获得了与传统燃料电池能级(level)相等的每电池单元输出。
在本实施例中，由于在叠合方向上燃料电池组的尺寸能够减小非常多，因此与传统电池相比，每单位体积或每单位重量的输出即单位输出密度能够增加到非常大的程度。
(实施例2)
如图4所示，根据本实施例的燃料电池是以这样一种方式构成，即通过将隔板22布置在薄膜电极装置21的两个表面上来构成每个电池单元，且在该电池单元上，顺序叠合薄膜电极装置21和隔板22。
类似于前述的第一实施例，该实施例中的薄膜电极装置21由固态聚合物电解质23、催化剂层24以及气体扩散层25A和25C构成。所述固态聚合物电解质23与供给到其上的燃料气体和氧化气体发生电化学反应。催化剂层24被布置在该固态聚合物电解质23的两个主表面上，并加速所述电化学反应。所述气体扩散层25A和25C被布置在各催化剂层24的外表面上，且由具有传导性的多孔材料构成。这里，一个气体扩散层25A起阳极的作用，另一个气体扩散层25C起阴极的作用。
如图4所示，在每个隔板22中，燃料气体通路成形槽26被形成在一侧表面上，且氧化气体通路成形槽27被形成在另一侧表面上。在本实施例的情况中，燃料气体通路成形槽26和氧化气体通路成形槽27被形成为从底面到槽成形表面逐渐加宽。然而，它们也不是必须这样逐渐加宽地形成。燃料气体通路成形槽26和氧化气体通路成形槽27均被形成以便沿着接触的表面方向平行于薄膜电极装置21。
在彼此相邻的燃料气体通路成形槽26和氧化气体通路成形槽27之间形成冷却剂通路30。
此外，如图4所示，在隔板22的结构中，冷却剂通路30由构成燃料气体通路16的隔板22A和构成氧化气体通路17的隔板22B叠合而成。因此，其效果是每个隔板的形状被简化，从而易于制造。
由于有这种结构，冷却剂通路30、叠合的燃料气体通路成形槽26和叠合的氧化气体通路成形槽27均被布置成沿接触表面的方向平行于薄膜电极装置21。因此，与传统的隔板相比，隔板22的厚度能够在很大的程度上减小。
因此，在电池组的叠合方向上，叠合的电池单元数量能沿叠合方向在尺寸上增加，该尺寸与传统的电池组相当。因此，在根据该实施例的燃料电池中，也能够获得具有高输出密度的燃料电池组。
应当注意，在用于本实施例的隔板22的两个表面上，可以形成类似于第一实施例中的气体扩散槽。
申请日为2001年12月11目的日本专利申请No.P2001-376851的全部内容被并入本文用作参考。
虽然在上文中已参照本发明的特定实施例对本发明进行了说明，但按照本发明的教导，本发明并不限于上述的实施例，这对于本领域普通技术人员来说是容易想到的。参考下文的权利要求对本发明的范围进行限定。
工业实用性
如上所述，在该申请中，在燃料电池组的叠合方向上，叠合的电池单元数量能沿叠合方向在与传统的燃料电池组相比较的同一尺寸上增加，该尺寸。因此，能够获得具有高输出密度的燃料电池组。此外，由于隔板的厚度尺寸能够进一步减小，因此能够使具有更高输出密度的燃料电池组成为现实。此外，由于流经燃料气体通路和氧化气体通路的气体能经气体扩散槽被引到气体扩散层，因此能够在固态聚合物电解质中有效地进行燃料气体和氧化气体之间的电化学反应。而且，由于可采用能叠合两种类型的隔板的结构，因此每个隔板的形状可以被简化。

Claims (4)

1.一种燃料电池，包括：
固态聚合物电解质；
布置在固态聚合物电解质的两个表面上的催化剂层；
具有传导性的气体扩散层，所述气体扩散层被布置在各催化剂层的外表面上；
隔板，其包括燃料气体通路、氧化气体通路和冷却剂通路，所述隔板被布置在各气体扩散层的外表面上，
其中，冷却剂通路被布置成在沿着气体扩散层的表面的方向上平行于燃料气体通路和氧化气体通路中的任何一个。
2.如权利要求1所述的燃料电池，
其特征在于，所述冷却剂通路、燃料气体通路和氧化气体通路被设置成沿着气体扩散层的表面平行。
3.如权利要求1所述的燃料电池，还包括：
设置于与气体扩散层相接触的隔板的接触表面上的气体扩散槽。
4.如权利要求1所述的燃料电池，
其特征在于，每个所述隔板由构成燃料气体通路的隔板和构成氧化气体通路的隔板叠合而成。
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