CN216288531U - 燃料电池堆的发电单电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种燃料电池堆的发电单电池，其具有良好的反应效率以及发电面的发电均匀性。燃料电池堆的发电单电池包括：发电单元；第一电解质膜‑电极结构体；第二电解质膜‑电极结构体；第一隔板；第二隔板；以及第三隔板，其中所述第一隔板、所述第一电解质膜‑电极结构体、所述第二隔板、所述第二电解质膜‑电极结构体和所述第三隔板依序层叠，且所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板具有多个气体扩散流路，相邻的气体扩散流路彼此具有压力差。

Description

燃料电池堆的发电单电池

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池堆的发电单电池。

背景技术

在现有技术文献1中，通过燃料电池堆的发电单电池中的气体流道可以直接向发电面供给反应气体，但相邻流道之间的肋部附近，需要通过扩散层来对肋部附近的区域供给反应气体。然而，由于相邻隔板的流路内的压力大致相同，即便在通过扩散层的扩散后，反应气体仍难以进入肋部下方，因此肋部下方存在无法进行反应的表面区域，而影响反应效率。另一方面，在进行反应后随之生成的水气或水滴会在肋部下方聚集而无法排出，也会影响反应的进行，进而存在发电面内发电的均匀性的问题。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本特开第2021-044167号

实用新型内容

本实用新型提供一种燃料电池堆的发电单电池，其具有良好的反应效率以及发电面的发电均匀性。

本实用新型提供一种燃料电池堆的发电单电池，包括：发电单元；第一电解质膜-电极结构体；第二电解质膜-电极结构体；第一隔板；第二隔板；以及第三隔板，其中所述第一隔板、所述第一电解质膜-电极结构体、所述第二隔板、所述第二电解质膜-电极结构体和所述第三隔板依序层叠，且所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板具有多个气体扩散流路，相邻的气体扩散流路彼此具有压力差。

在本实用新型的一实施例中，所述气体扩散流路的相邻气体扩散流路的流路宽度不同。

在本实用新型的一实施例中，所述相邻的气体扩散流路分别具有弯曲流路部，所述相邻气体扩散流路的弯曲流路部分别具有不同的曲率半径。

基于上述，在本实用新型的发电单电池，通过在第一隔板、第二隔板和第三隔板的相邻气体扩散流路之间形成有压力差，可使因电化学反应而生成的水在压力差的驱动下从高压流路流向低压流路，并使反应气体从高压侧流向低压侧，如此，也可进一步增加了相邻的气体扩散流路的下方往电解质膜-电极结构体供给反应气体的能力，并同时提高了排水性能。如此，可进一步增大反应面积，并提高反应效率。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A是依照本实用新型的一实施例的发电单电池的分解立体图；

图1B是发电单电池的沿着层叠方向的概略剖视图；

图2A是氧化剂气体流路侧的第一隔板的正视图；

图2B是氧化剂气体流路侧的第二隔板的正视图；

图2C是第三隔板的冷却介质流路侧的正视图；

图3A是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的结构示意图；

图3B是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的高压区域与低压区域的相对位置示意图；

图3C是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的沿着层叠方向的剖视示意图；

图4A是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的结构示意图；

图4B是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的高压区域与低压区域的相对位置示意图。

附图标记说明：

12：发电电池

32：第一隔板

32a：表面

32b：表面

34a：第一电解质膜-电极结构体

34b：第二电解质膜-电极结构体

36：第二隔板

36a：表面

36b：表面

38：第三隔板

38a：表面

38b：表面

40：氧化剂入口连通孔

42：燃料气体出口连通孔

44：燃料气体入口连通孔

46：氧化剂气体出口连通孔

48：冷却介质入口连通孔

50：冷却介质出口连通孔

52：冷却介质流路

54a：入口连接槽

54b：出口连接槽

55：密封部件

56：氧化剂气体流路

58：氧化剂气体入口缓冲部

60：氧化剂气体出口缓冲部

62a：入口连接槽

62b：出口连接槽

63：密封部件

66：燃料气体流路

68：燃料气体入口缓冲部

70：燃料气体入口缓冲部

71：密封部件

72a：燃料气体供给孔部

72b：燃料气体排出孔

73：密封部件

82：树脂框架构件

84：电解质膜

86：阴极电极

88：阳极电极

92：第一气体扩散层

96：第二气体扩散层

109：第一空间

125：连通路径

D1、D2：流路宽度

FC：波状流路槽

GP：气体扩散流路

R1、R2：弯曲流路部

RS：反应气体

W：生成水。

具体实施方式

图1A是依照本实用新型的一实施例的发电单电池的分解立体图；图1B是发电单电池的沿着层叠方向的概略剖视图。图2A是氧化剂气体流路侧的第一隔板的正视图。图2B是氧化剂气体流路侧的第二隔板的正视图；图2C是第三隔板的冷却介质流路侧的正视图。图3A是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的结构示意图。图3B是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的高压区域与低压区域的相对位置示意图。图3C是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路的沿着层叠方向的剖视示意图。

请参考图1A与图1B，在本实施例中，发电电池12包括第一隔板32、第一电解质膜-电极结构体34a、第二隔板36、第二电解质膜-电极结构体34b和第三隔板38，并且按照这个顺序依序层叠。在本实施例中，发电单电池12可用于作为燃料电池堆中用于形成单电池层叠体的发电单电池，并用于作为电子机械(如车辆)的动力源。举例而言，在本实施例中，第一隔板32、第二隔板36和第三隔板38例如是将钢板、不锈钢板、铝板、镀处理钢板、或者在其金属表面实施了用于防腐蚀的表面处理而成的金属薄板而构成，其平面形状为矩形的同时，其截面可通过冲压成型而形成为凹凸形状的波形。

如图1A所示，第一隔板32、第二隔板36和第三隔板38在长边方向(箭头B1侧)的边缘分别与箭头A1和A2方向(堆叠方向)连通而设有氧化剂入口连通孔40和燃料气体出口连通孔42。氧化剂气体入口连通孔40供应有诸如含氧气体的氧化剂气体。燃料气体出口连通孔42用于排放诸如含氢气体的燃料气体。这些氧化剂气体和燃料气体也统称为反应气体。

第一隔板32、第二隔板36和第三隔板38在长边方向的另一端侧(箭头B2侧)的边缘通过分别与箭头A1和A2方向(堆叠方向)连通而设有供给燃料气体的燃料气体入口连通孔44与排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔46。氧化剂气体入口连通孔40、燃料气体出口连通孔42、燃料气体入口连通孔44和氧化剂气体出口连通孔46也统称为“反应气体连通孔”。

在第一隔板32、第二隔板36和第三隔板38的短边方向(箭头C1和C2方向)的两端缘部的箭头B1侧沿箭头A1和A2的方向分别地连通地设有供给冷却介质的一对冷却介质入口连通孔48。作为冷却介质，可以使用纯水、乙二醇、油等。第一隔板32、第二隔板36和第三隔板38的短边方向的两端缘部的箭头B2侧沿箭头A1和A2的方向分别地连通地设有排出冷却介质的一对冷却介质出口连通孔50。

如图1A所示，在第一隔板32的箭头A1侧的表面32a形成有连通冷却介质入口连通孔48和冷却介质出口连通孔50的冷却介质流路52。冷却介质入口连通孔48与冷却介质流路52之间形成有多个入口连接槽54a。冷却介质流道52与冷却介质出口连通孔50之间形成有多个出口连接槽54b。进一步地，在第一隔板32的表面32a上设有密封其内部与面方向外部的密封部件55，密封部件55一体地包围了冷却介质入口连通孔48、冷却介质出口连通孔50、冷却介质流路52、入口连接槽54a和出口连接槽54b。

如图2A示，与氧化剂气体入口连通孔40和氧化剂气体出口连通孔46连通的氧化剂气体流路56形成在第一隔板32的箭头A2侧的表面32b上。氧化剂气体流路56由多个波状流路槽构成。

氧化剂气体流路56的入口侧端部与位于发电区域外的氧化剂气体入口缓冲部58连接，氧化剂气体流路56的出口侧端部与位于发电区域外的氧化剂气体出口缓冲部60连接。

氧化剂气体入口缓冲部58与氧化剂气体入口连通孔40之间形成有多个入口连接槽62a。氧化剂气体出口缓冲部60与氧化剂气体出口连通孔46之间形成有多个出口连接槽62b。在第一隔板32的表面32b上，设有密封其内部与面方向外部的密封部件63，密封部件63一体地包围了氧化剂气体入口连通孔40、氧化剂气体出口连通孔46、氧化剂气体流路56、氧化剂气体入口缓冲部58、氧化剂气体出口缓冲部60、入口连接槽62a和出口连接槽62b。在第一隔板32中，氧化剂气体流路56的背面的形状构成冷却介质流路52的一部分(参照图1A与图1B)。

如图1A所示，在第二隔板36的箭头A1侧的表面36a形成有与燃料气体入口连通孔44和燃料气体出口连通孔42连通的燃料气体流路66。燃料气体流路66由多个波状流路槽构成。

燃料气体流路66的入口侧端部与位于发电区域外的燃料气体入口缓冲部68连接，另一方面，燃料气体流路66的出口侧端部与位于发电区域外的燃料气体入口缓冲部70连接。燃料气体入口缓冲部68与燃料气体入口连通孔44之间设置有在厚度方向上贯通第二隔板36的多个燃料气体供给孔部72a。在燃料气体出口缓冲部70和燃料气体出口连通孔42之间设置有多个在厚度方向上贯穿第二隔板36的燃料气体排出孔72b。

第二隔板的表面36a上设置有密封其内部与面方向外部的密封部件73，密封部件73一体地包围了燃料气体流路66、燃料气体入口缓冲部68、燃料气体出口缓冲部70、燃料气体供给孔部72a和燃料气体排出孔部72b。

如图2B所示，第二隔板36的箭头A2侧的表面36b除了设有被密封件71包围的燃料气体供给孔部72a和燃料气体排出孔部72b，还可以与第一隔板32的箭头A2侧的表面32b(参照图2A)具有相同的构成。即，第二隔板36的表面36b设有与氧化剂气体入口连通孔40和氧化剂气体出口连通孔46连通的氧化剂气体流路56。此外，在第二隔板36的表面36b上，形成有氧化剂气体入口缓冲部58、氧化剂气体出口缓冲部60、入口连接槽62a、出口连接槽62b和密封构件63。在第二隔板36的表面36b侧，燃料气体供给孔72a和燃料气体排出孔72b的各者以及氧化剂气体入口缓冲部58和氧化剂气体出口缓冲部60等通过密封部件63、71而被阻断。

如图1A所示，第三隔板38的箭头A1侧的表面38a可以与第二隔板36的箭头A1侧的表面36a为同样地构成。即，第三隔板38的表面38a设有与燃料气体入口连通孔44和燃料气体出口连通孔42连通的燃料气体流路66。此外，在第三隔板38的表面38a上，形成有燃料气体入口缓冲部68、燃料气体出口缓冲部70、燃料气体供给孔部72a、燃料气体排出孔部72b和密封构件73。

如图2C所示，第三隔板38的箭头A2侧的表面38b除了设有被密封构件71包围的燃料气体供给孔部72a和燃料气体排出孔部72b，还可以与第一隔板32的箭头A1侧的表面32a(参照图1A)有相同的构成。即，第三隔板38的表面38b设有冷却介质流道52、入口连接槽54a、出口连接槽54b和密封件55。在第三隔板38的表面38b侧，燃料气体供给孔72a和燃料气体排出孔72b的各者、以及冷却介质流路52、入口连接槽54a、出口连接槽54b等通过密封部件55和71而被阻断。

如图1B所示，在相邻的发电电池12中，第三隔板38的箭头A2侧的表面38b的冷却介质流路52第一隔板32的箭头A1侧的表面32a的冷却介质流路52相向而使冷却介质能够在其内部流动。即，在相邻的发电电池12之间设置有冷却介质流过的冷却介质流路52。

如图1A、图2B和图2C所示，由于在第二隔板36和第三隔板38中设有如上所述的密封构件71和73，所以由箭头A1流向箭头A2侧流经燃料气体入口连通孔44的燃料气体通过从箭头A2侧向箭头A1侧流经燃料气体供给孔部72a，而流入燃料气体入口缓冲部68和燃料气体流路66。

此外，流经燃料气体流路66并流入燃料气体出口缓冲部70的燃料气体从箭头A1侧流至箭头A2侧流经燃料气体排出孔部72b，然后从箭头A2侧向箭头A1侧流经燃料气体出口连通孔42。在第一隔板32、第二隔板36和第三隔板38的两个表面上分别一体成型有由围绕第一隔板32、第二隔板36和第三隔板38的外周边缘循环的弹性体(未示出)制成的密封构件。

如图1A所示，第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b以彼此基本相同的方式构造。这些第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b也统称为“电解质膜-电极结构体”。树脂框架构件82结合到第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b的外周。如图1B所示，第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b包括例如固体聚电解质膜(在下文中，也简称为电解质膜)84，其是含水的全氟磺酸薄膜。除了氟基电解质之外，电解质膜84可以使用HC(碳化氢)基电解质。电解质膜84夹在阴极电极86和阳极电极88之间。

阴极电极86包括与电解质膜84的一端侧(箭头A1侧)的表面接合的第一电极催化剂层(未图示)和层叠在第一电极催化剂层上的第一气体扩散层92。阳极电极88包括与电解质膜84的另一端侧(箭头A2侧)接合的第二电极催化剂层(未图示)和层叠在第二电极催化剂层上的第二气体扩散层96。

第一电极催化剂层例如通过用多孔碳颗粒与离子导电聚合物粘合剂一起均匀地涂覆第一气体扩散层92的表面而形成，在该多孔碳颗粒的表面上负载铂合金。第二电极催化剂层例如通过用多孔碳颗粒与离子导电聚合物粘合剂一起均匀地涂覆第二气体扩散层96的表面而形成，在该多孔碳颗粒的表面上负载铂合金。第一气体扩散层92和第二气体扩散层96由碳纸或碳布等导电性多孔体形成。

以下，将描述如上所述构造的燃料电池12的基本操作。

首先，向配置在箭头A1侧的氧化剂气体入口连通孔40供给氧化剂气体，向燃料气体入口连通孔44供给燃料气体，箭头A2侧的冷却介质入口连通孔48中设有冷却介质。

如图2A和图2B所示，供给至氧化剂气体入口连通孔40的氧化剂气体通过形成于入口连接槽62a内的连通路径125流入至氧化剂气体流路56和第一空间109。如此，在沿箭头B1和B2的方向移动的同时，氧化剂气体被供应到第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b的阴极电极86。

如图1A和图1B所示，供应到燃料气体入口连通孔44的燃料气体通过燃料气体供应孔部72a分别流入第二隔板36和第三隔板38的燃料气体流路66。如此，燃料气体在沿箭头B1和B2的方向移动的同时被供应到第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b的阳极电极88。

在如上所述供应反应气体的第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b中，首先供应给各阴极86的氧化剂气体和供应给各阳极88的燃料气体，通过第一电极催化剂层和第二电极催化剂层中的电化学反应被消耗而产生电力。

并且，进一步而言，在本实施例中，由多个波状流路槽FC构成的燃料气体流路66与氧化剂气体流路56，可统称为气体扩散流路GP，并且，这些气体扩散流路GP可形成如图3A所示的结构，即，所述气体扩散流路GP的相邻气体扩散流路GP的流路宽度D1、D2不同。如此，流经气体扩散流路GP的不同处的反应气体RS的流速可以基于不同的流路宽度D1、D2而产生流速变化，如此，可以在相邻的气体扩散流路GP之间形成有压力差，而分别在相邻的气体扩散流路GP之间形成如图3B所示的高压区域与低压区域。

进一步而言，如图3C所示，由于相邻气体扩散流路GP之间形成有压力差，因电化学反应而生成的生成水W可在压力差的驱动下从高压区域流向低压区域，由此，波状流路槽FC的下方的生成水W也流向低压侧，并使反应气体RS从波状流路槽FC的高压侧流向低压侧，如此，可进一步增加了相邻的气体扩散流路GP的波状流路槽FC的下方往第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b的第一气体扩散层92或第二气体扩散层96供给反应气体RS的能力，并同时提高了排水性能。如此，可进一步增大反应面积，提高反应效率，并由此提升发电面的发电均匀性。

本实用新型不限定于上述的实施方式，在不脱离本实用新型的主旨的范围内能够进行各种变更。举例而言，本实用新型不限定所述气体扩散流路GP的相邻气体扩散流路GP的流路宽度D1、D2不同的实施方式，只要在相邻的气体扩散流路GP之间形成有压力差，并可在相邻的气体扩散流路GP之间形成高压区域与低压区域，即可达到本实用新型的技术效果。以下将搭配图4A至图4B进行进一步的解说。

图4A是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路GP的结构示意图。图4B是依照本实用新型的一实施例的气体扩散流路GP的高压区域与低压区域的相对位置示意图。请参照图4A至图4B，本实施例与图3A至图3B的实施例类似，而差异如下所述。在本实施例中，相邻的气体扩散流路GP分别具有弯曲流路部R1、R2，相邻气体扩散流路GP的弯曲流路部R1、R2分别具有不同的曲率半径。

如此，流经气体扩散流路GP的不同处的弯曲流路部R1、R2的反应气体RS的流速可以基于不同的曲率半径而产生流速变化，如此，也可以在相邻的气体扩散流路GP之间形成有压力差，而分别在相邻的气体扩散流路GP之间形成如图4B所示的高压区域与低压区域。

如此，图4A至图4B的相邻气体扩散流路GP之间也可形成有压力差，并且因电化学反应而生成的生成水W也可在压力差的驱动下从高压流路流向低压流路，由此，波状流路槽FC的下方的生成水W也流向低压侧，并使反应气体RS从波状流路槽FC的高压侧流向低压侧，而形成如图3C所示的结果。如此，发电电池12可进一步增加了相邻的气体扩散流路GP的波状流路槽FC的下方往第一电解质膜-电极结构体34a和第二电解质膜-电极结构体34b供给反应气体RS的能力，并同时提高了排水性能。如此，可进一步增大反应面积，并提高反应效率。

综上所述，在本实用新型的燃料电池堆中，通过在第一隔板、第二隔板和第三隔板的相邻气体扩散流路之间形成有压力差，可使因电化学反应而生成的水在压力差的驱动下从高压流路流向低压流路，由此，波状流路槽的下方的生成水也流向低压侧，并使反应气体从波状流路槽的高压侧流向低压侧，如此，也可进一步增加了相邻的气体扩散流路的波状流路槽的下方往电解质膜-电极结构体供给反应气体的能力，并同时提高了排水性能。如此，可进一步增大反应面积，提高反应效率，并由此提升发电面的发电均匀性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的实施例的技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种燃料电池堆的发电单电池，其特征在于，包括：

第一电解质膜-电极结构体；

第二电解质膜-电极结构体；

第一隔板；

第二隔板；以及

第三隔板，其中所述第一隔板、所述第一电解质膜-电极结构体、所述第二隔板、所述第二电解质膜-电极结构体和所述第三隔板依序层叠，且

所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板具有多个气体扩散流路，

相邻的气体扩散流路彼此具有压力差。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆的发电单电池，其特征在于，所述多个气体扩散流路的相邻气体扩散流路的流路宽度不同。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆的发电单电池，其特征在于，所述多个气体扩散流路的相邻气体扩散流路分别具有弯曲流路部，

所述相邻气体扩散流路的弯曲流路部分别具有不同的曲率半径。

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