CN1638178A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种发电单元(12)，包括薄膜电极组件(14)和夹住该薄膜电极组件(14)的第一和第二金属隔板(16，18)。隆起元件(68a、68b、70a、70b)一体地形成在第二金属隔板(18)上，并且这些隆起元件(68a、68b、70a、70b)在压力下接触第一金属隔板(16)的第一密封件(40)，从而形成进口连接通道(72a)和出口连接通道(72b)。冷却剂供应通道(22a)和冷却剂流动场(34)通过进口连接通道(72a)连接，而冷却剂排放通道(22b)和冷却剂流动场(34)通过出口连接通道(72b)连接。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，通过沿着堆叠方向堆叠多个发电单元(power generation cell)可以形成这种燃料电池。该发电单元包括薄膜电极组件和夹住该薄膜电极组件的一对金属隔板。该薄膜电极组件包括一对电极和位于电极之间的电解质薄膜。反应气体通道和冷却剂通道沿着堆叠方向延伸穿过发电单元。另外，在相邻发电单元的金属隔板之间形成供应冷却剂的冷却剂流动场。
背景技术
例如，固体聚合物燃料电池使用薄膜电极组件(MEA)，其包括阳极、阴极以及位于阳极和阴极之间的电解质薄膜。该电解质薄膜为聚合物离子交换薄膜。该薄膜电极组件和夹住该薄膜电极组件的隔板构成用于产生电力的一个发电单元。在使用中，通常将预定数量的发电单元堆积在一起从而形成燃料电池组。
在发电单元中，将诸如主要包含氢的气体(下面也称作含氢气体)的燃料气体供给阳极。阳极的催化剂引起燃料气体的化学反应，从而将氢分子分裂为氢离子和电子。氢离子穿过电解质薄膜朝向阴极移动，而电子通过外部电路流向阴极，从而产生直流电流。将主要包括氧或者空气的气体(下面也称作含氧气体)供给阴极。在阴极，来自阳极的氢离子与电子和氧结合，从而生成水。
在发电单元中，燃料气体流动场(反应气体流动场)和含氧气体流动场(反应气体流动场)形成在隔板的表面上。燃料气体流动场形成在隔板面对阳极的表面上，以将燃料气体供给阳极，而含氧气体流动场形成在隔板面对阴极的表面上，以将含氧气体供给阴极。另外，冷却剂流动场形成在发电单元之间，以允许冷却剂沿着隔板的表面流动。
隔板可以由薄的金属板制成，该金属板具有通过加压成型而制成的波纹状表面，以降低制造成本和尺寸。在这种情况下，反应气体流动场和冷却剂流动场就形成在隔板的两面上。形成在隔板一个表面上的反应气体流动场的形状约束了形成在隔板另一表面上的冷却剂流动场的形状。因此，不太可能制造出需要形状的冷却剂流动场。
特别是，在这样一种的内部歧管型燃料电池内，其中反应气体通道和冷却剂通道沿着堆叠方向延伸穿过金属隔板的外部区域，冷却剂不能在冷却剂流动场和冷却剂通道之间合适地流动。
为了解决该问题，如图7所示，日本特开专利公报6-218275公开了一种燃料电池块1，通过将薄膜电极组件2和隔板3交替堆叠来形成该燃料电池块。薄膜电极组件2包括阴极5a、阳极5b和夹在阴极5a和阳极5b之间的电解质薄膜4。每一薄膜电极组件2都夹在隔板3之间，并且接触板6设置在薄膜电极组件2和隔板3之间。
每一隔板3都包括堆叠在一起的板件3a、3b。板件3a、3b的隆起彼此接触，从而在板件3a、3b之间形成冷却水腔7。
冷却水通道8沿着箭头X所示的堆叠方向穿过燃料电池块1延伸。通过包装材料9来密封通道8。通道8通过每一隔板3内的开孔7a与腔7连接。因此，在每一隔板3内，供给通道8的冷却水从开孔7a流到腔7内。当冷却水流过腔7时，冷却水冷却各个薄膜电极组件2。
在日本特开专利公报6-218275中，隔板3的板件3a、3b由薄板制成。与开孔7a连接的腔7形成在板件3a、3b之间。因此，当紧固载荷(tightening load)沿着堆叠方向施加到燃料电池块1上时，由于开孔7a的原因容易使板件3a、3b变形。这样，难于适当地将冷却水供给腔7，并且用于防止反应气体和冷却水泄漏的密封性能会下降。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有简单结构的燃料电池，其可以平稳地将冷却剂供应到金属隔板之间以冷却发电单元，而不会受到反应气体流动场形状的任何限制，并且可以保持需要的发电性能。
根据本发明，通过沿着堆叠方向堆叠多个发电单元可以形成燃料电池。每一发电单元都包括薄膜电极组件和夹住该薄膜电极组件的一对金属隔板。薄膜电极组件包括一对电极和夹设在电极之间的电解质薄膜。反应气体通道和冷却剂通道沿着堆叠方向穿过发电单元延伸，并且供应冷却剂的冷却剂流动场形成在相邻发电单元的金属隔板之间。
至少一个金属隔板具有隆起元件，其一体地形成在与薄膜电极组件相对的表面上，并且该隆起元件形成连接冷却剂流动场和冷却剂通道的连接通道。
连接通道优选形成在隆起元件和平面密封件之间，该平面密封件一体地形成在面对至少一块金属隔板的金属隔板上。此外，优选地该至少一块金属隔板在与隆起元件相对的表面上包括有密封件，以防止在薄膜电极组件中的泄漏，形成连接通道的隆起元件的一部分沿着堆叠方向与至少一部分密封件重叠。另外，优选地密封件一体地形成在至少一个金属隔板上冷却剂流动场的周围，并且隆起元件形成密封件的一部分。
另外，优选地发电单元沿着水平方向堆叠，反应气体通道包括燃料气体供应通道、含氧气体供应通道、燃料气体排放通道和含氧气体排放通道，冷却剂通道包括冷却剂供应通道和冷却剂排放通道，并且在包括燃料气体供应通道、含氧气体供应通道、冷却剂供应通道、燃料气体排放通道、含氧气体排放通道和冷却剂排放通道的六个通道中，三个通道穿过发电单元的左端延伸，另外三个通道穿过发电单元的右端延伸，并且冷却剂供应通道和冷却剂排放通道穿过发电单元相对的左右两端的中间部分延伸。
另外，优选地连接通道包括多个分支凹槽，它们在冷却剂通道和冷却剂流动场之间至少沿着两个方向分叉。
根据本发明，一体形成在金属隔板上的隆起元件形成连接通道。这样就会减少燃料电池的部件数量。使用这种简单的结构，可以可靠地连接冷却剂通道和冷却剂流动场。因此，冷却剂可以平稳且合适地在冷却剂通道和冷却剂流动场之间流动，而不受反应气体流动场的形状影响。
另外，连接通道形成在隆起元件和平面密封件之间，该平面密封件一体地形成在金属隔板上。这样，即使移动隆起元件的位置，也可以可靠地形成连接通道。
另外，隆起元件接触另一金属隔板的第一密封件。这样，当紧固载荷沿着堆叠方向施加到燃料电池上时，可以有效地冷却发电单元，而连接通道不会变形。
另外，隆起元件与密封件的至少一部分重叠，以防止在薄膜电极组件中的泄漏。这样，就产生与施加到薄膜电极组件上的密封载荷相反的反作用力，并且可以通过密封件合适地保持薄膜电极组件的密封特性。
另外，冷却剂供应通道和冷却剂排放通道设置在发电单元相对的左右端的中间位置。连接通道的多个分支凹槽与冷却剂供应通道和冷却剂排放通道连接。这样，可以平稳且可靠地将冷却剂供给整个冷却剂流动场。
根据下面结合附图所进行的描述，在附图中通过示例说明了本发明的优选实施例，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是表示根据本发明实施例的燃料电池的发电单元主要部件的分解立体图；
图2是表示沿着图1中II-II线剖开的燃料电池的剖面图；
图3是表示该发电单元的第一金属隔板的前视图；
图4是表示该发电单元的第二金属隔板的一个表面的前视图；
图5是表示该第二金属隔板的另一表面的前视图；
图6是表示形成在第一和第二金属隔板之间的冷却剂流动场的立体图；
图7是表示在日本特开专利公报6-218275中公开的燃料电池块的一部分的剖面图。
具体实施方式
图1是表示根据本发明实施例的燃料电池10的发电单元12的主要部件的分解立体图。图2是沿着图1中的II-II线剖开的剖面图，它表示通过沿着箭头A所示方向水平地堆叠多个发电单元12而形成的燃料电池10。
如图1所示，通过把薄膜电极组件14夹在第一和第二金属隔板16、18之间就可以形成发电单元12。例如，第一和第二金属隔板16、18为薄金属板，例如是钢板、不锈钢板、铝板或者镀钢板。
在图1中箭头B所示水平方向上的发电单元12的一端，沿着箭头C所示的方向垂直布置有供应含氧气体的含氧气体供应通道20a、排放冷却剂的冷却剂排放通道22b以及排放诸如含氢气体的燃料气体的燃料气体排放通道24b。含氧气体供应通道20a、冷却剂排放通道22b和燃料气体排放通道24b沿着箭头A所示的堆叠方向延伸穿过发电单元12。
在箭头B所示方向上的发电单元12的另一端，沿着箭头C所示的方向布置有供应燃料气体的燃料气体供应通道24a、供应冷却剂的冷却剂供应通道22a以及排放含氧气体的含氧气体排放通道20b。燃料气体供应通道24a、冷却剂供应通道22a和含氧气体排放通道20b沿着箭头A所示的堆叠方向延伸穿过发电单元12。
第一金属隔板16在其面对薄膜电极组件14的表面16a上具有含氧气体流动场26。例如，含氧气体流动场26具有蛇形形状，其包括两个拐弯区域和三个笔直区域，以允许含氧气体沿着箭头B所示的方向前后来回流动。含氧气体流动场26包括多个凹槽28，通过使第一金属隔板16形成波纹状来形成这些凹槽。含氧气体流动场26通过进口缓冲部分32a与含氧气体供应通道20a连接，并且通过出口缓冲部分32b与含氧气体排放通道20b连接。例如，通过在第一金属隔板16内制造凸起或者凹坑可以形成进口缓冲部分32a和出口缓冲部分32b。
如图3所示，第一金属隔板16在另一表面16b上具有凹槽34a，作为与含氧气体流动场26的形状相对应的部分冷却剂流动场34。凹槽34a通过进口缓冲部分36a和出口缓冲部分36b与冷却剂供应通道22a和冷却剂排放通道22b连接，进口缓冲部分36a和出口缓冲部分36b例如由凸起形成。
第一密封件40例如通过加热处理或者注射成型一体地形成在第一金属隔板16的表面16a和16b上，从而覆盖(夹住)第一金属隔板16的外边缘。第一密封件40由密封材料、减震材料或者包装材料制成，例如EPDM(三元乙丙橡胶)、NBR(丁晴橡胶)、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶(异丁烯-异戊二烯橡胶)、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯橡胶或者丙烯酸橡胶。
第一密封件40具有平面形状。第一密封件40包括在图1所示的表面16a上的第一平面密封40a以及在图3所示的表面16b上的第二平面密封40b。第一平面密封40a不形成在含氧气体流动场26和含氧气体供应通道20a之间，也不形成在含氧气体流动场26和含氧气体排放通道20b之间。因此，含氧气体流动场26与含氧气体供应通道20a和含氧气体排放通道20b连接。第二平面密封40b不形成在冷却剂流动场34和冷却剂供应通道22a之间，也不形成在冷却剂流动场34和冷却剂排放通道22b之间。因此，冷却剂流动场34与冷却剂供应通道22a和冷却剂排放通道22b连接。第二平面密封40b比第一平面密封40a要长(见图2)。
如图4所示，第二金属隔板18在其面对薄膜电极组件14的表面18a上具有燃料气体流动场50。例如，该燃料气体流动场50具有蛇形形状，其包括两个拐弯区域和三个笔直区域，以允许燃料气体沿着箭头B所示的方向前后来回流动。燃料气体流动场50包括多个凹槽52，通过使第二金属隔板18形成波纹状来形成这些凹槽。燃料气体流动场50通过进口缓冲部分54a和进口通孔55a与燃料气体供应通道24a连接，并且通过出口缓冲部分54b和出口通孔55b与燃料气体排放通道24b连接。进口通孔55a与表面18b上的燃料气体供应通道24a连接，并且出口通孔与表面18b上的燃料气体排放通道24b连接。
如图1和5所示，第二金属隔板18在其与表面18a相反的表面18b上具有凹槽34b，作为与燃料气体流动场50的形状相对应的部分冷却剂流动场34。凹槽34b通过进口缓冲部分56a与冷却剂供应通道22a连接，并通过出口缓冲部分56b与冷却剂排放通道22b连接。
第二密封件58一体地形成在第二金属隔板18的表面18a和18b上，从而覆盖(夹住)第二金属隔板18的外边缘。第二密封件58和第一密封件40由相同的材料制成。如图4所示，第二密封件58包括外凸起60和内凸起62，它们形成在第二金属隔板18的表面18a上。内凸起62在内部与外凸起60隔开预定的距离。内凸起62接触下面将要描述的固体聚合物电解质薄膜80的外边缘，并且封闭燃料气体流动场50(见图2)。
如图5所示，第二密封件58包括外凸起64和内凸起66，它们形成在第二金属隔板18的表面18b上。内凸起66在内部与外凸起64隔开，并且设置在冷却剂流动场34的周围。多个(例如，三个)隆起元件68a和多个(例如，三个)隆起元件68b一体形成在第二金属隔板18的表面18b上。隆起元件68a设置在冷却剂供应通道22a和进口缓冲部分56a之间，而隆起元件68b设置在冷却剂排放通道22b和出口缓冲部分56b之间。
多个(例如，五个)隆起元件70a和多个(例如，五个)隆起元件70b一体形成在第二金属隔板18的表面18b上。隆起元件70a设置在冷却剂供应通道22a和第一金属隔板16的进口缓冲部分36a之间，而隆起元件70b设置在冷却剂排放通道22b和第一金属隔板16的出口缓冲部分36b之间。隆起元件68a、68b、70a和70b形成第二密封件58的一部分，并且在压力下接触第一密封件40，从而形成进口连接通道72a和出口连接通道72b。
冷却剂供应通道22a通过进口连接通道72a与冷却剂流动场34连接，而冷却剂排放通道22b通过出口连接通道72b与冷却剂流动场34连接。进口连接通道72a包括形成在隆起元件68a之间的多个第一进口分支凹槽74a以及形成在隆起元件70a之间的多个第二进口分支凹槽76a。进口连接通道72a沿至少两个方向分叉。出口连接通道72b包括形成在隆起元件68b之间的多个第一出口分支凹槽74b以及形成在隆起元件70b之间的多个第二出口分支凹槽76b。出口连接通道72b沿至少两个方向分叉。
如图4和5所示，隆起元件68a沿着堆叠方向与作为密封件的外凸起60的至少一部分60a重叠，并且隆起元件68b沿着堆叠方向与外凸起60的至少一部分60b重叠。隆起元件70a沿着堆叠方向与外凸起60的至少一部分60c重叠，并且隆起元件70b沿着堆叠方向与外凸起60的至少一部分60d重叠。
如图6所示，当第一和第二金属隔板16、18堆叠在一起时，凹槽34a和凹槽34b形成冷却剂流动场34。冷却剂流动场34从进口缓冲部分36a、56a经过进口连接通道72a与冷却剂供应通道22a连接，并且冷却剂流动场34从出口缓冲部分36b、56b经过出口连接通道72b与冷却剂排放通道22b连接。
如图1所示，在薄膜电极组件14的相对两端的中部沿着箭头B所示的方向将其切开。如图1和2所示，薄膜电极组件14包括阴极82、阳极84以及位于阴极82和阳极84之间的固体聚合物电解质薄膜80。例如，通过用水浸渍全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)薄膜可以制成固体聚合物电解质薄膜80。阳极84的表面积小于阴极82的表面积。
每一阴极82和阳极84都具有诸如复写纸的气体扩散层和支撑在多孔的碳颗粒上的铂合金电极催化剂层。碳颗粒均匀地沉积在气体扩散层的表面上。阴极82的电极催化剂层和阳极84的电极催化剂层分别固定到固体聚合物电解质薄膜80的两面上。
接下来将描述燃料电池10的操作。
如图1所示，将诸如含氢气体的燃料气体供给燃料气体供应通道24a，并且将含氧气体供给含氧气体供应通道20a。另外，将诸如纯净水、乙二醇或者油的冷却剂供给冷却剂供应通道22a。
因此，如图1和4所示，来自燃料气体供应通道24a的燃料气体从表面18b经过进口通孔55a流到表面18a。燃料气体流过进口缓冲部分54a，并流进第二金属隔板18的燃料气体流动场50中。燃料气体沿着箭头B所示的方向沿薄膜电极组件14的阳极84前后流动，以引起在阳极84上的电化学反应。
如图1所示，来自含氧气体供应通道20a的含氧气体流过进口缓冲部分32a，并且流入第一金属隔板16的含氧气体流动场26中。含氧气体沿着箭头B所示的方向沿薄膜电极组件14的阴极82前后流动，以引起在阴极82上的电化学反应。
因此，在薄膜电极组件14中，供给阳极84的燃料气体和供给阴极82的含氧气体消耗在阳极84和阴极82的催化剂层处的电化学反应中，以产生电能。
然后，被供给且消耗在阳极84处的燃料气体从出口缓冲部分54b流经出口通孔55b，流向表面18b。沿着箭头A所示的方向(见图1和4)，将燃料气体排放到燃料气体排放通道24b中。相似地，被供给且消耗在阴极82处的含氧气体流经出口缓冲部分32b，并且沿着箭头A所示的方向(见图1)将含氧气体排放到含氧气体排放通道20b中。
另外，如图6所示，供给冷却剂供应通道22a的冷却剂从进口连接通道72a开始流动。冷却剂流经进口缓冲部分36a、56a，并且流入在第一和第二金属隔板16、18之间的冷却剂流动场34中。在该冷却剂用来冷却薄膜电极组件14之后，冷却剂从出口连接通道72b开始流动，并且流经出口缓冲部分36b、56b，而被排放到冷却剂排放通道22b中。
在本发明的该实施例中，如图5所示，隆起元件68a、68b、70a、70b一体形成在第二金属隔板18上。这些隆起元件68a、68b、70a、70b在压力下接触第一金属隔板16的第一密封件40，从而形成进口连接通道72a和出口连接通道72b。这样，用这种简单的结构就可以可靠地将冷却剂供应通道22a和冷却剂排放通道22b连接到冷却剂流动场34。
因此，冷却剂可以在冷却剂供应通道22a和冷却剂流动场34之间以及在冷却剂流动场34和冷却剂排放通道22b之间平稳且适当地流动，而不受形成在第一和第二金属隔板16、18上的含氧气体流动场26和燃料气体流动场50的形状影响。
另外，隆起元件68a、68b、70a、70b接触第一金属隔板16的第一密封件40。这样，当紧固负载沿着箭头A所示的堆叠方向施加到燃料电池10上时，可以有效地冷却发电单元12，而不会使进口连接通道72a和出口连接通道72b变形。
另外，隆起元件68a、68b、70a、70b与作为密封件的外凸起60的至少部分60a到60d重叠，以防在薄膜电极组件14内的泄漏。这样，就会产生与施加到薄膜电极组件14上的密封载荷相反的反作用力，并且可以通过外凸起60适当地保持薄膜电极组件14的密封特性。
另外，冷却剂供应通道22a和冷却剂排放通道22b设置在发电单元12相对的左右两端的中间位置处。进口连接通道72a的第一和第二分支凹槽74a、76a与冷却剂供应通道22a连接，并且出口连接通道72b的第一和第二分支凹槽74b、76b与冷却剂排放通道22b连接。这样，可以平稳且可靠地将冷却剂供给整个冷却剂流动场34，并且提高每一发电单元12的冷却效率。
虽然已经参考优选实施例具体地说明和描述了本发明，但是应理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和改进。

Claims (6)

1、一种燃料电池，其通过沿着堆叠方向堆叠多个发电单元(12)来形成，所述每一发电单元(12)都包括薄膜电极组件(14)和夹住所述薄膜电极组件(14)的一对金属隔板(16，18)，所述薄膜电极组件(14)包括一对电极和夹设在所述电极之间的电解质薄膜，其中，反应气体通道和冷却剂通道沿着堆叠方向穿过所述发电单元(12)延伸，且用于供应冷却剂的冷却剂流动场(34)形成在相邻发电单元(12)的金属隔板(16，18)之间，并且其中
至少一个所述金属隔板(18)具有隆起元件(68a)，其一体地形成在与所述薄膜电极组件(14)相对的表面上，并且所述隆起元件(68a)形成连接通道(72a)，该连接通道连接所述冷却剂流动场(34)和所述冷却剂通道。
2、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述连接通道(72b)形成在所述隆起元件(68a)和平面密封件(40b)之间，该平面密封件一体地形成在面对所述至少一个金属隔板(18)的所述金属隔板(16)上。
3、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个金属隔板(18)包括在与所述隆起元件(68a)相对的表面上的密封件(58)，用于防止在所述薄膜电极组件(14)中的泄漏；和
形成所述连接通道(72a)的所述隆起元件(68a)的一部分沿着堆叠方向与所述密封件(58)的至少一部分重叠。
4、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，一密封件(58)一体形成在所述至少一块金属隔板(18)上冷却剂流动场(34)的周围；和
所述隆起元件(68a)形成所述密封件(58)的一部分。
5、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述发电单元(12)沿着水平方向堆叠；
所述反应气体通道包括燃料气体供应通道(24a)、含氧气体供应通道(20a)、燃料气体排放通道(24b)和含氧气体排放通道(20b)
所述冷却剂通道包括冷却剂供应通道(22a)和冷却剂排放通道(22b)；和
在包括所述燃料气体供应通道(24a)、所述含氧气体供应通道(20a)、所述冷却剂供应通道(22a)、所述燃料气体排放通道(24b)、所述含氧气体排放通道(20b)和所述冷却剂排放通道(22b)的六个通道中，三个通道穿过所述发电单元(12)的左端延伸，另外三个通道穿过所述发电单元(12)的右端延伸，并且所述冷却剂供应道(22a)和冷却剂排放通道(22b)穿过所述发电单元(12)相对的左右两端的中间部分延伸。
6、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述连接通道(72a)包括多个分支凹槽(74a)，它们在所述冷却剂通道和冷却剂流动场(34)之间至少沿着两个方向分叉。
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