JP2010245012A - 複合極板を有する燃料電池構造及びその複合極板構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学反応によって発生する水の滞留を抑制する燃料電池。
【解決手段】電池薄膜アッセンブリ３０と、複合極板４０と、集電板５０と、を具え、複合極板及び集電板は、それぞれ電池薄膜アッセンブリの両外側面に設置される。複合極板は、無孔材質板４１と多孔材質板４２を有し、無孔材質板は、底板と枠体によって底板上に凹溝４１３を形成すると共に、底面に流路４１４を形成し、多孔材質板は、凹溝中に設置されて電池薄膜アッセンブリと底板の間に挟んで設けられ、多孔材質板上の隙間により燃料の流動速度を向上し、流路により電気化学反応を行った後の生成物の水を迅速に燃料電池から流出させて、燃料電池の発電性能を向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複合極板を有する燃料電池構造及びその複合極板構造に関し、特に、燃料電池に応用する複合極板を有する燃料電池構造及びその複合極板構造に関する。

燃料電池は、高効率及び低汚染の２つの優れた特性を備えているので、近年、各国で燃料電池の研究開発が積極的に行われている。そのうち、低温型（摂氏１００度）に属する薄膜燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC）は、システムの応用において、材料の選択、温度制御、安全面、システム保守等のいずれにおいてもその他の型の燃料電池より簡易化できるため、システム統合に投入するコストを大幅に低減することができ、各国は、何れも薄膜燃料電池の開発を次世代エネルギー源技術開発の重要な科学技術としている。

図１は、公知の燃料電池１０の断面構造説明図である。図１に示すように、燃料電池１０は、電池薄膜アッセンブリ１１（Membrane Electrode Assembly）及び１対の双極板１２を具える。電池薄膜アッセンブリ１１は、陽子交換膜１１１と、１対の触媒層１１２と、陽極１１３と、陰極１１４と、を具え、触媒層１１２は、陽子交換膜１１１の両側面に位置し、且つ触媒層１１２の外側には、また陽極１１３と陰極１１４をそれぞれ設ける。電池薄膜アッセンブリ１１の両外側には、双極板１２を挟んで設け、且つ双極板１２の電池薄膜アッセンブリ１１に対応する内側面には、燃料流路１２１を設け、燃料流路１２１は、酸素及び水素をそれぞれ供給して、陽極１１３及び陰極１１４に進入させ、電池薄膜アッセンブリ１１に電気化学反応を行わせる。従って、燃料流路１２１の長さ、断面形状及び大きさは、何れも酸素と水素が円滑に流通できるか否か、電池薄膜アッセンブリとの接触が均一であるか否かに影響し、更には、燃料及び電池薄膜アッセンブリ１１間の電気化学反応の程度及び電池全体の発電効率に影響する。

また、中華民国新型専利公告第５５３４９６号が開示する「多孔双極板の薄膜燃料電池」中に記載されるように、そのうち、各多項双極板は、２つの多孔金属板中間に挟んで設ける無孔金属板から構成され、無孔金属板と多項金属板は、同一の材質を使用して始めて良好な発電効果を達成することができる。従って、上記の発明は、多孔双極板の隙間を利用して燃料の自由な流動を提供することができるが、電気化学反応の反応時間を延長し、公知の欠陥を改善することができるが、多孔金属板と無孔金属板の材質は、何れも導電性を備える金属材質を使用する必要があり、且つ材質が同一である必要があり、それで初めて発電反応を行うことができ、二者の材質が異なれば、その発電効果に影響を及ぼし、多孔金属板及び無孔金属板は、化学反応が過熱し発電効果に影響するだけでなく、その使用寿命を低減し、若干の危険が存在する。

上記の欠陥を改善するため、中華民国発明専利公開第２００８２２４３４号が開示する「複合式多孔極板の燃料電池」中に記載されるように、燃料電池の集電板は、単片又は複数片の多孔材質板及び少なくとも１片の無孔材質板から構成され、且つ多孔材質板及び無孔材質板は、異なる材質とすることが提案されている。従って、多孔材質板の隙間により燃料の自由な流通を行って電極に拡散し、複合式多孔極板によって公知の双極板に置き換えて、体積及び重量を減少する目的を達成し、コストを低減し、加工時間を短縮することができる。また、多孔材質板及び無孔材質板は、異なる材質であることができるので、選択可能な材質が多元化できる。

特開２００５−１９０５６５号公報 特開２００４−２０７１３９号公報

しかしながら、薄膜燃料電池の温度は、摂氏１００度より大きいので、燃料電池の生成物―水が、液体の形態で発生し、電気化学反応により発生する水量は、多くなり過ぎ、且つ即時排除ができなくなる時、身時が複合式多孔極板中に溜まり、水位が上昇して溢れる現象を起こし、更には、多孔材質板中の隙間を塞ぎ、燃料の効率的な供給を持続できなくなり、燃料電池の発電性能を大幅に低下する。

本発明は、複合極板を有する燃料電池構造及びその複合極板構造であり、燃料電池構造中の水位上昇状況を改善する為、流路の設置して水が流路によって迅速に燃料電池に排出できるようにする。

上記の効果を達成する為、本発明が提供する複合極板を有する燃料電池構造は、電池薄膜アッセンブリと、第１複合極板と、集電板とを具え、電池薄膜アッセンブリが陽子交換膜と、陽子交換膜の両側面にそれぞれ設置される１対の触媒層と、触媒層の外側面にそれぞれ設置される１対の電極層とを有し、第１複合極板が電池薄膜アッセンブリの第１外側面に設置され、第１無孔材質板と、少なくとも１つの第１多孔材質板を有し、第１無孔材質板が第１底板と第１枠体を有し、第１枠体が第１底板上に結合し、第１凹溝を形成し、且つ第１底板の第１枠体と結合しない箇所に少なくも１つの第１流路を有してなり、少なくとも１つの第１多孔材質板が第１凹溝中に設置され、且つ電池薄膜アッセンブリと第１底板の間に挟んで設けられてなり、集電板は、電池薄膜アッセンブリの第２外側面に設置される。

上記効果を達成する為、本発明が更に提供する燃料電池に応用する複合極板構造は、無孔材質板と、少なくとも１つの多孔材質板とを具え、無孔材質板は、底板と、底板上に結合され、凹溝を形成する枠体と、を有し、該底板の該枠体と結合しない箇所に少なくとも１つの流路を有してなり、少なくとも１つの多孔材質板は、該凹溝中に設置される。

本発明の実施により、少なくとも以下の効果を達成することができる：
１．流路の設置により、複合極板中の水位上昇状況を改善する。
２．流路を利用し、電気化学反応の生成物が迅速に燃料電池構造に流出できる。
３．水が多孔材質板の隙間を塞ぐことを回避できるので、燃料が効率的に燃料電池中で反応でき、燃料電池の発電性能を大幅に向上することができる。

公知の燃料電池の断面構造説明図である。 本発明の複合極板を有する燃料電池構造の分解実施例図である。 本発明の複合極板を有する燃料電池構造の結合断面実施例図である。 本発明の複合極板の第１断面実施形態である。 本発明の複合極板の第２断面実施形態である。 本発明の無孔材質板の第１実施形態である。 本発明の無孔材質板の第２実施形態である。 本発明の無孔材質板の第３実施形態である。 本発明の無孔材質板の第４実施形態である。 本発明の無孔材質板の第５実施形態である。 本発明の複合極板を有する燃料電池構造の分解断面実施例図である。

当業者が本発明の技術内容を理解し、実施できるようにするため、且つ本明細書が開示する内容、請求項及び図面に基づき、本発明に関する目的及び利点を容易に理解できるようにする為、実施方式中に本発明の詳細な特徴及び利点を説明する。

図２は、本発明の複合極板を有する燃料電池構造２０の分解実施例図である。図３は、本発明の複合極板を有する燃料電池構造２０の結合断面実施例図である。図４は、本発明の複合極板４０，８０の第１断面実施形態である。図５は、本発明の複合極板４０，８０の第２断面実施形態である。図６は、本発明の無孔材質板４１，８１の第１実施形態である。図７は、本発明の無孔材質板４１，８１の第２実施形態である。図８は、本発明の無孔材質板４１，８１の第３実施形態である。図９は、本発明の無孔材質板４１，８１の第４実施形態である。図１０は、本発明の無孔材質板４１，８１の第５実施形態である。図１１は、本発明の複合極板を有する燃料電池構造２０の分解断面実施例図である。

図２に示すように、本実施例は、複合極板を有する燃料電池構造２０であり、電池薄膜アッセンブリ３０と、第１複合極板４０と、集電板５０と、を具える。

図２に示すように、電池薄膜アッセンブリ３０は、陽子交換膜３１と、１対の触媒層３２と、１対の電極層３３と、を有する。そのうち、陽子交換膜３１は、イオンを電極層３３の陽極側から陰極側までの通路に供給し、触媒層３２は、陽子交換膜３１の両側面にそれぞれ設置され、電極層３３は、両触媒層３２の外側面にそれぞれ設置される。

第１複合極板４０又は集電板５０上に燃料供給孔６０及び燃料排出孔７０を開設して、燃料（水素）及び酸化剤（酸素又は空気）を燃料供給孔６０と燃料排出孔７０から電量電池構造２０に供給及び排出し、触媒層３２は、水素と反応して水素を陽子と電子に分解し、そのうち、陽子は、陽子交換膜３１を介して陰極側に移動し、電子は、外部回路が形成する電流に従って流動して電気エネルギーを発生する。酸素は、陽子交換膜３１の陽子及び回流する電子が発生する電気化学反応を介して、熱及び生成物−水を発生する。

図３に示すように、第１複合極体４０は、電池薄膜アッセンブリ３０の第１外側面３４に設置される。第１複合極板４０は、第１無孔材質板４１と、少なくとも１つの第１多孔材質板４２を有する。

図４に示すように、第１無孔材質板４１は、その材質が導電材質又は非導電材質であって、第１無孔材質板４１は、第１底板４１１及び第１枠体４１２を有し、第１枠板４１２は、第１底板４１１上に結合され、第１凹溝４１３を形成し、且つ第１底板４１１の第１枠体４１２と結合しない箇所は、少なくとも１つの第１流路４１４を有して、水を迅速に燃料電池構造２０外に排出し、水位が上昇する状況が発生することを回避する。また、図５に示すように、第１無孔材質板４１の構造を簡易化するため、第１底板４１１と第１枠体４１２は、一体に成型した部材とすることができる。

図３、図４、図５に示すように、第１多孔材質板４２は、第１凹溝４１３中に設置され、第１多孔材質板４２の大きさは、第１凹溝４１３の大きさに合わせて、第１多孔材質板４２が電池薄膜アッセンブリ３０と第１底板４１１の間に挟んで配置されるようにする。従って、燃料供給孔６０から注入される燃料及び酸化剤は、第１多孔材質板４２の隙間によって流通することができ、且つ電気化学反応の生成物−水も、第１多孔材質板４２の隙間によって迅速に排出できる。

第１多孔材質板４２の材質は、導電材質又は非導電材質であって、且つ第１多孔材質板４２は、第１無孔材質板４１と同一または異なる材質を使用でき、各種異なる構造上の要求に合わせることができる。従って、第１複合極板４０は、導電性の機能を有し、且つ第１複合極板４０は、安価で質量が軽く、製造が容易な部材を使用して製作でき、従来の双極板体積が大きく、重量が重いという問題を改善し、第１多孔材質板４２によって、良好な気体供給及び排水機能を提供できるので、第１複合極板４０は、低コストで高性能な利点を有することができる。

また、電気化学反応による生成物−水を迅速に排出させる為、第１複合極板４０中に水が滞留されて水位が上昇する現象を発生し、第１多孔材質板４２の隙間が塞がり、更に、燃料電池の発電性能低下の問題が発生することを回避し、第１底板４１１上の第１流路４１４により、迅速に水を燃料電池構造２０から導出することができ、燃料の流動を補助するだけでなく、燃料電池構造２０中の分布を均一にし、迅速に排出させる。また、水の排出速度を向上するため、第１流路４１４は、旋転形流路（図６参照）、蛇状流路（図７参照）、ジグザグ形流路（図８参照）、マトリクス状流路（図９参照）、平行流路（図１０参照）とすることができるが、これに限定するものではない。

第１流路４１４によって滞留水の現象を改善し、燃料電池中の燃料が円滑に流動できるので、従来の燃料電池と比較して本実施例の燃料電池構造２０の発電性能を約５０％向上することができる。

また、燃料電池構造２０は、良好なヒートシンク及び排水効果を有し、第１無孔材質板４１上にヒートシンク及び複数の入口を有する吸気、排気又は排水の装置を設置するか、第１底板４１１上に少なくとも１つの排水孔４１５を設置し、第１排水孔４１５と第１流路４１４を相互に相通させ、水を第１流路４１４に導引した後、更に、第１排水孔４１５から燃料電池構造２０に流出させることができる。

図２、図３に示すように、集電板５０は、電池薄膜アッセンブリ３０の第２外側面３５に設置され、電池薄膜アッセンブリ３０を第１複合極板４０と集電板５０の間に挟んで設け、更に、集電板５０は、双極板又は第２複合板８０として、そのうち、双極板は、従来使用する双極板であるが、ここでは詳細を記載しない。

図１１に示すように、第２複合極板８０は、電池薄膜アッセンブリ３０の第２外側面３５に設置され、電池薄膜アッセンブリ３０を第１複合極板４０と第２複合極板８０の間に挟んで設け、そのうち、第２複合極板８０は、第２無孔材質板８１と、少なくとも１つの第２多孔材質板８２と、を有する。

第２無孔材質板８１は、第２底板８１１と第２枠体８１２を有し、第２枠体８１２は、第２底板８１１上に結合して第２凹溝８１３を形成し、且つ第２底板８１１の第２枠体８１２と結合していない箇所は、少なくとも１つの第２流路８１４を有する。また、第２底板８１１及び第２枠体８１２は、第１底板４１１と第１枠体４１２と同様に、一体に成型する部材であることができる。第２流路８１４は、水を導引して、迅速に排出することができ、水が第２多孔材質８２の隙間を塞ぐことを回避することができ、燃料電池構造２０の発電性能を向上することができる。

同様に、第２複合極板８０において、水の滞留現象が発生し、第２多孔材質板８２の隙間が塞がれ、燃料電池の発電性能が低下する問題を回避するため、第２底板８１１上の第１流路８１４により、水を迅速に燃料電池構造２０に流出することができる。
従って、燃料の流動を補助するだけでなく、水を燃料電池構造２０中で均一に分布させ、迅速に排出することができる。水の排出速度を向上する為、第２流路８１４は、第１流路４１４と同様、旋転形流路（図６参照）、蛇状流路（図７参照）、ジグザグ形流路（図８参照）、マトリクス状流路（図９参照）、平行流路（図１０参照）とすることができるが、これに限定するものではない。

同様に、水の排出速度を加速するため、第２底板８１１上に少なくとも１つの第２排水孔（図示せず）を設置して、第２排水孔と第２流路８１４を相互に連通させて、水を第２流路８１４に導引した後、第２排水孔から燃料電池構造２０に流出することができる。

第２多孔材質板８２は、第２凹溝８１３中に設置され、電池薄膜アッセンブリ３０及び第２底板８１１の間に挟んで設けられる。第２複合極板８０の第２無孔材質板８１と第２多孔材質板８２は、何れも導電材質又は非道電材質であって、第２複合極板８０中の各部材の結合関係と機能は、何れも第１複合極板４０中の各部材の結合関係と機能と同一であるので、ここでは、再度記載しない。

なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。

１０ 燃料電池
１１ 電池薄膜アッセンブリ
１１１ 陽子交換膜
１１２ 触媒層
１１３ 陽極
１１４ 陰極
１２ 双極板
１２１ 燃料流路
２０ 複合極板を有する燃料電池構造
３０ 電池薄膜アッセンブリ
３１ 陽子交換膜
３２ 触媒層
３３ 電極層
３４ 第１外側面
３５ 第２外側面
４０ 第１複合極板
４１ 第１無孔材質板
４１１ 第１底板
４１２ 第１枠体
４１３ 第１凹溝
４１４ 第１流路
４１５ 第１排水孔
４２ 第１多孔材質板
８０ 第２複合極板
８１ 第２無孔材質板
８１１ 第２底板
８１２ 第２枠体
８１３ 第２凹溝
８１４ 第２流路
８２ 第２多孔材質板

Claims (19)

1. 電池薄膜アッセンブリと、第１複合極板と、集電板とを具え、
   該電池薄膜アッセンブリは、陽子交換膜と、該陽子交換膜の両側面にそれぞれ設置される１対の触媒層と、該触媒層の外側面にそれぞれ設置される１対の電極層と、を有し、
   第１複合極板は、該電池薄膜アッセンブリの第１外側面に設置され、第１無孔材質板と、少なくとも１つの第１多孔材質板を有し、該第１無孔材質板は第１底板と第１枠体を有し、該第１枠体を該第１底板上に結合して該枠に囲まれた第１凹溝を形成すると共に該第１底板の該第１枠体と結合しない箇所に少なくも１つの第１流路を形成してなり、少なくとも１つの第１多孔材質板が該第１凹溝中に設置され、且つ該電池薄膜アッセンブリと該第１底板の間に挟んで設けられてなり、
   該集電板は、該電池薄膜アッセンブリの上記第１外側面に対する第２外側面に設置される複合極板を有する燃料電池構造。
2. 前記複合極板が前記第１底板と前記第１枠体を一体に形成した部材からなる請求項１記載の燃料電池構造。
3. 前記複合極板に形成した第１流路は、旋転形流路、蛇状流路、ジグザグ形流路、マトリクス状流路、又は平行流路である燃料電池構造。
4. 前記複合極板の上記第１多孔材質板の材質が導電材質又は非道電材質である請求項１記載の燃料電池構造。
5. 前記複合極板の上記第１無孔材質板の材質が導電材質又は非道電材質である請求項１記載の燃料電池構造。
6. 前記複合極板の上記第１底板は、少なくとも１つの第１排水孔を設け、該第１排水孔は、前記第１流路と相互に連通する請求項１記載の燃料電池構造。
7. 前記集電板は、双極板又は第２複合極板である請求項１記載の燃料電池構造。
8. 前記第２複合極板は、第２無孔材質板と、少なくとも１つの第２多孔材質板と、を有し、該第２無孔材質板は、第２底板と、第２枠体と、を有し、該第２枠体は、該第２底板上に結合されて該枠状の第２凹溝を形成し、該第２底板の該第２枠体と結合しない箇所に少なくとも１つの第２流路を形成し、該第２少なくとも１つの第２多孔材質板は、該第２凹溝中に設置されて該電池薄膜アッセンブリと該第２底板の間に挟んで設けられる請求項７記載の燃料電池構造。
9. 前記第２底板と該第２枠体が一体に成型される部材である請求項８記載の燃料電池構造。
10. 前記第２流路は、旋転形流路、蛇状流路、ジグザグ形流路、マトリクス状流路、又は平行流路である請求項８記載の燃料電池構造。
11. 前記第２多孔材質板の材質が導電材質又は非道電材質である請求項８記載の燃料電池構造。
12. 前記第２無孔材質板の材質が導電材質又は非道電材質である請求項８記載の燃料電池構造。
13. 前記第２底板は、少なくとも１つの第２排水孔を設けて上記第２流路と相互に連通させた請求項８記載の燃料電池構造。
14. 無孔材質板と、少なくとも１つの多孔材質板とを具え、無孔材質板は、底板と、底板上に結合されて凹溝を形成する枠体と、を有し、該底板の該枠体と結合しない箇所に少なくとも１つの流路を形成してなり、該少なくとも１つの多孔材質板は、該凹溝中に設置される燃料電池に適用する複合極板構造。
15. 前記底板と前記枠体は、一体に成型された部材である請求項１４記載の複合極板構造。
16. 前記流路は、旋転形流路、蛇状流路、ジグザグ形流路、マトリクス状流路、又は平行流路である請求項１４記載の複合極板構造。
17. 前記無孔材質板の材質が導電材質又は非道電材質である請求項１４記載の複合極板構造。
18. 前記多孔材質板の材質が導電材質又は非道電材質である請求項８記載の複合極板構造。
19. 前記底板は、少なくとも１つの排水孔を設置し、該排水孔は、前記流路と相互に連通する請求項１４記載の複合極板構造。

Images