CN104067427A

CN104067427A - 燃料电池

Info

Publication number: CN104067427A
Application number: CN201380005995.4A
Authority: CN
Inventors: 小高敏和; 柳沼基
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: US10050279B2; CA2856904A1; JP2013157114A; EP2808929A1; CN104067427B; JP5928979B2; US20140335436A1; EP2808929A4; EP2808929B1; CA2856904C; WO2013111704A1

Abstract

通过具备：膜电极接合体(M)，其在电解质膜(1)的两侧具有催化剂层(6)，在该膜电极接合体(M)的表面侧具有三层以上的多孔体；框体(4)，其围绕电解质膜(1)的外周；以及隔膜(5)，在其与膜电极接合体(M)之间形成有气体流路(G)，并且，在三层多孔体中的邻接于隔膜(5)的第一多孔体(11)的外缘部、和邻接于第一多孔体(11)的第二多孔体(12)的外缘部设有延伸部(11A)、(12A)，在框体(4)与隔膜(5)之间插入有所述延伸部(11A)、(12A)，从而防止表面压力过度地施加于第一多孔体(11)的延伸部(11A)与框体(4)之间，优化对膜电极接合体(M)的发电区域(形成有催化剂层(6)的区域)施加的表面压力。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池(PEFC)等燃料电池的改良。

背景技术

作为这种燃料电池，有专利文献1中记载的膜-电极接合体。专利文献1的膜-电极接合体具有膜-膜加强构件接合体、阳极催化剂层(第一催化剂层)、阴极催化剂层(第二催化剂层)、阳极气体扩散层(第一气体扩散层)、和阴极气体扩散层(第二气体扩散层)。

膜-膜加强构件接合体具备：高分子电解质膜；1个以上的膜片状的第一膜加强构件，其以整体沿高分子电解质膜的周缘延伸的方式配置在该高分子电解质膜的主表面上；以及1个以上的膜片状的第二膜加强构件，其以整体沿高分子电解质膜的周缘延伸、且从高分子电解质膜的厚度方向观察时其内缘与第一膜加强构件的内缘彼此不一致的方式配置在第一膜加强构件上。需要说明的是，第一膜加强构件和第二膜加强构件主要由合成树脂构成。

阳极催化剂层以覆盖高分子电解质膜的主表面的方式形成，以使其能够填埋被形成于第一膜加强构件的开口，同样地，阴极催化剂层以覆盖高分子电解质膜的主表面的方式形成。阳极气体扩散层以覆盖阳极催化剂层和第一膜加强构件的主表面的一部分的方式配置，阴极气体扩散层以覆盖阴极催化剂层和第一膜加强构件的主表面的一部分的方式配置。

膜-膜加强构件接合体通过采取上述构成，从而防止由气体扩散层的端部接触而导致的高分子电解质膜的破损，并且更可靠地抑制由第一膜加强构件的端部造成的高分子电解质膜的破损，提高耐久性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：WO2008/126350号公报

发明要解决的问题

不过，近年来，为了实现燃料电池的小型化，对于气体扩散层的材料研究了使用金属多孔体材料来代替碳材料。作为气体扩散层使用金属多孔体材料，并如上述专利文献1中公开的那样以气体扩散层覆盖第一膜加强构件的方式进行配置时，下述问题尚未解决：过量的表面压力作用于气体扩散层与第一膜加强构件重叠的部分(高分子电解质膜的周缘部分)，难以优化形成有催化剂层的高分子电解质膜的表面压力。

发明内容

本发明是着眼于上述现有问题而成的，其目的在于提供通过防止过量的表面压力施加于高分子电解质膜的周缘部分、从而能够优化对包含高分子电解质膜的膜电极结构体的发电区域施加的表面压力的燃料电池。

用于解决问题的方案

本发明的燃料电池具备：膜电极接合体，其在电解质膜的两侧具有催化剂层，在该催化剂层的表面侧具有三层以上的多孔体；框体，其围绕电解质膜的外周；以及隔膜，在其与膜电极接合体之间区划形成有气体流路。并且，燃料电池采取如下的构成，即在三层多孔体中的邻接于隔膜的第一多孔体的外延部、和邻接于第一多孔体的第二多孔体的外缘部设有以与框体重叠的方式延伸的延伸部，在框体与隔膜之间插入有第一多孔体的延伸部和第二多孔体的延伸部，将上述构成作为用于解决现有问题的手段。

上述燃料电池中，插入于框体与隔膜之间的第一多孔体的延伸部和第二多孔体的延伸部中的第二多孔体的延伸部受到作用于第一多孔体的延伸部与框体之间的表面压力，能够优化作用于膜电极接合体的发电区域(形成有催化剂层的区域)的表面压力。

发明的效果

根据本发明，通过防止表面压力过度地施加于第一多孔体的延伸部与框体之间，能够优化对膜电极接合体的发电区域(形成有催化剂层的区域)施加的表面压力。

附图说明

图1是说明本发明的燃料电池的一个实施方式的单侧省略的剖视图(A)、以及比较本发明与现有结构的表面压力的图表(B)。

图2是图1中示出的燃料电池的整体的剖视图(A)、以及构成燃料电池的框体和电解质膜的俯视图(B)。

图3是说明本发明的燃料电池的另一实施方式的单侧省略的剖视图。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的燃料电池的一个实施方式。

图1的(A)和图2的(A)中示出的燃料电池C具备：膜电极接合体M，其在电解质膜(高分子电解质膜)1的两侧具有作为电极层的阴极层2和阳极层3；框体4，其围绕电解质膜1的外周；以及隔膜5、5，在其与膜电极接合体M之间区划形成各个气体流路G、G。需要说明的是，图1的(A)仅示出阴极层2，实际上在电解质膜1的相反一侧(图中为下侧)存在阳极层(3)。

膜电极接合体M是所谓的MEA(Membrane Electrode Assembly)，在该实施方式中膜电极接合体M包含气体扩散层。即，膜电极接合体M的阴极层2和阳极层3均具有邻接于电解质膜1的催化剂层6，而且在该膜电极接合体M的阴极层2和阳极层3的表面侧具有作为气体扩散层发挥功能的三层以上的多孔体。关于该多孔体的详细情况，在后文进行说明。

框体4是作为框架(frame)或衬垫(gasket)发挥功能的树脂制的构件。该框体4如图2的(B)中所示形成俯视矩形状，并且具有比电解质膜1厚的规定的板厚，以电解质膜1在中央部露出的方式与该电解质膜1一体成形。

另外，框体4在图2中为左侧的一个短边侧具有阴极气体(含氧气体)、冷却液和阳极气体(含氢气体)的供给孔H1～H3，在另一个短边侧具有这些流体的排出孔H4～H6。需要说明的是，供给和排出的位置关系可以适当变更。

隔膜5兼用作集电体，虽然省略了图示，但隔膜5形成与框体4相应的俯视矩形状，并且形成了与框体4同样的供给孔和排出孔。该隔膜5在重合于膜电极接合体M的状态下形成前述气体流路G。需要说明的是，该实施方式的燃料电池C在将多片层叠时，各供给孔(H1～H3)和排出孔(H4～H6)在层叠方向上连续而形成各个流路，而且在与邻接的燃料电池C之间(隔膜5彼此之间)流通冷却液。

在上述隔膜5与膜电极接合体M之间夹设图1中示出一部分的密封材料7。该密封材料7设置于框体4的外周部、供给孔H1～H3的周围和排出孔H4～H6的周围，此时，在各孔H1～H6的周围设有开放部分，以便不妨碍气体向相应的层的流通。

上述燃料电池C如上所述那样在电极层(阴极层2和阳极层3)的表面侧具备至少三层多孔体11、12、13。三层多孔体11、12、13中的邻接于隔膜5的第一多孔体11和邻接于第一多孔体11的第二多孔体12在各自的外缘部具有以与框体4的内缘部重叠的方式延伸的延伸部11A、12A。此外，燃料电池C为在框体4与隔膜5之间插入有第一多孔体11的延伸部11A和第二多孔体12的延伸部12的构成。

第一多孔体11的延伸部11A以与框体4的内缘部重叠的方式延伸，因此防止第一多孔体11的端部与电解质膜1接触而使电解质膜1破损。另外，第一多孔体的延伸部11A抑制阴极与阳极的压差或由电解质膜1的溶胀/收缩导致的框体4的变动，因此缓和了在催化剂层6与框体4的界面处向电解质膜1的应力集中。

需要说明的是，该实施方式中，例示了第二多孔体12具有与主体相同厚度的延伸部12A的构成，但在第二多孔体12由多个层形成的情况下，可以仅在多个层中的一个层上设置延伸部12A。

此处，上述燃料电池C中，第一多孔体11的压缩弹性模量大于其它多孔体12、13的压缩弹性模量。

另外，关于第一多孔体11，作为理想的实施方式，可以使用铁、不锈钢、铝和铝合金、钛和钛合金、铬和铬合金、镍和镍合金、镁和镁合金中的任一种以上的金属。另外，第一多孔体11由金属丝网、穿孔金属(perforatedmetal)、蚀刻金属(etching metal)、和多孔拉制金属网(expanded metal)等构成。

进而，关于燃料电池C，作为理想的实施方式，第二多孔体12和邻接于第二多孔体12的第三多孔体13由碳材料形成，作为更理想的实施方式，可以使用片状碳材料。需要说明的是，第二多孔体12和第三多孔体13也可以用相同材料形成为一体。

将具备上述构成的燃料电池C层叠多片，并且在其两侧配置端板，在层叠方向上施加规定载荷并连接两个端板，从而构成燃料电池组。在该状态下，会对各燃料电池C施加规定的表面压力。

此时，上述燃料电池C中，第二多孔体12即具有与框体4直接接触的延伸部12A的第二多孔体12起到作为弹性体的作用，受到作用于第一多孔体11的延伸部11A与框体4之间的表面压力。

更具体而言，如图1的(B)中所示，不具有包含延伸部12A的第二多孔体12的现有结构中，第一多孔体11的延伸部11A与框体4之间的表面压力变高。即，产生表面压力的不均匀分布(日文：片辺り)。相对于此，明显可知，本发明的燃料电池C中，具有延伸部12A的第二多孔体12吸收第一多孔体11的延伸部11A与框体4之间的表面压力的不均匀分布，因此对膜电极接合体M的发电区域施加的表面压力被优化为高于现有结构的值。

由此，上述燃料电池C能够防止表面压力过度地施加于第一多孔体11的延伸部11A与框体4之间，优化对膜电极接合体M的发电区域(形成有催化剂层6的区域)施加的表面压力。因此，在将上述燃料电池C层叠而成的燃料电池组中，对各个燃料电池C的发电区域赋予适宜的表面压力，进行效率良好的发电，因此能够提高整体的发电性能。

另外，关于上述燃料电池C，使第一多孔体11的压缩弹性模量大于其它多孔体12、13的压缩弹性模量，由此使第一多孔体11比其它更为刚体，从而能够进一步提高第二多孔体12的表面压力吸收和变动吸收的弹性功能。

进而，上述燃料电池C使用前述金属作为第一多孔体11的材料，从而能够更高效地利用第二多孔体12进行表面压力吸收、变动吸收。

进而，上述燃料电池C将碳材料用于第二多孔体12的材料和第三多孔体13的材料，从而能够进一步提高第二多孔体12的表面压力吸收和变动吸收的弹性功能。另外，通过使用片状碳材料作为上述碳材料，除了第二多孔体12的弹性功能的提高之外还能够实现制造的容易化。

需要说明的是，也可以使第二多孔体12的弹性模量小于第三多孔体13的弹性模量。通过使第二多孔体12比第三多孔体13软，从而更进一步提高具有延伸部12A的第二多孔体12的表面压力的吸收功能，防止第一多孔体11的延伸部11A与框体4之间的表面压力的不均匀分布，并优化对膜电极接合体M的发电区域施加的表面压力。

图3是说明本发明的燃料电池的另一实施方式的图。需要说明的是，对与前一实施方式相同的构成部位赋予相同的标记并省略详细说明。

图示例的燃料电池C中，为了便于说明各种参数，将第二多孔体12和第三多孔体13以多个层的形式表示。即，关于燃料电池C，各多孔体11～13中，将构成第二多孔体12的各多孔体用k表示，将构成作为不具有延伸部11A、12A的部分的第三多孔体13的各多孔体用k+l～l(k≥2)表示。

需要说明的是，图3中，在第一多孔体11与第二多孔体12之间、第三多孔体13中存在间隙，在该间隙中标记了纵向的两个点，这意味着包含多个层。

于是，关于燃料电池C，将构成第三多孔体13的各多孔体的弹性模量设为Ei(i＝k+1～l)、将构成第三多孔体13的各多孔体的厚度设为ti(i＝k+1～l)、将表面压力设为P时，框体的厚度tg满足下述式。

[式1]

t_{g} = Σ_{i = k + 1}^{l} (1 - \frac{P}{E_{i}}) t_{i}

关于上述燃料电池C，根据上述式设计各多孔体11～13中的不具有延伸部11A、12A的多孔体、即图示例中的构成第三多孔体13的各多孔体的厚度和压缩弹性模量、框体4的厚度，从而能够防止表面压力过度地施加于第一多孔体11的延伸部11A与框体4之间，并优化对膜电极接合体M的发电区域施加的表面压力。

另外，关于燃料电池C，将构成第二多孔体12的各多孔体用2～k(k≥2)表示，构成第二多孔体12的各多孔体的弹性模量Eh(h＝2～k)与构成所述第三多孔体13的各多孔体的弹性模量Ei(i＝k+1～l)之间的关系为Ei≥Eh。

关于上述燃料电池C，通过使第二多孔体12比第三多孔体13更软，从而更进一步提高具有延伸部12A的第二多孔体12的表面压力的吸收功能，防止第一多孔体11的延伸部11A与框体4之间的表面压力的不均匀分布，并优化对膜电极接合体M的发电区域施加的表面压力。

进而，关于燃料电池C，构成所述第二多孔体12的各多孔体的电子电导率σh与构成第一多孔体13的各多孔体的电子电导率σi之间的关系为σi≥σh。

关于上述燃料电池C，通过增大构成第三多孔体13的各多孔体的电子电导率σi(通常弹性模量较高)，另一方面，减小构成第二多孔体12的各多孔体的电子电导率σh(通常弹性模量较低)，从而能够在确保表面压力的优化功能的基础上降低电阻，能够实现电池性能的进一步提高。

需要说明的是，本发明的燃料电池的构成不限定于上述各实施方式，可以将一个实施方式中说明的构成适用或应用于其它实施方式，而且可以适当变更构成的细节。

附图标记说明

C、燃料电池；G、气体流路；M、膜电极接合体；1、电解质膜；2、阴极层(电极层)；3、阳极层(电极层)；4、框体；5、隔膜；11、第一多孔体；11A、延伸部；12、第二多孔体；12A、延伸部；13、第三多孔体。

Claims

1.一种燃料电池，其特征在于，

该燃料电池具备：

膜电极接合体，其在电解质膜的两侧具有催化剂层，在该催化剂层的表面侧具有三层以上的多孔体；

框体，其围绕电解质膜的外周；以及

隔膜，在该隔膜与膜电极接合体之间区划形成有气体流路；并且，

在三层多孔体中的邻接于隔膜的第一多孔体的外缘部、和邻接于第一多孔体的第二多孔体的外缘部设有以与框体重叠的方式延伸的延伸部，

在框体与隔膜之间插入有第一多孔体的延伸部和第二多孔体的延伸部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

第一多孔体的压缩弹性模量大于其它多孔体的压缩弹性模量。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，

第一多孔体为铁、不锈钢、铝和铝合金、钛和钛合金、铬和铬合金、镍和镍合金、镁和镁合金中的任一种以上的金属。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其特征在于，

第二多孔体和邻接于第二多孔体的第三多孔体由碳材料形成。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，

所述碳材料为片状碳材料。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池，其特征在于，

第三多孔体由多个层构成，将构成第三多孔体的各多孔体用k+l～l(k≥2)表示、将构成第三多孔体的各多孔体的弹性模量设为Ei(i＝k+1～l)、将构成第三多孔体的各多孔体的厚度设为ti(i＝k+1～l)、将表面压力设为P时，框体的厚度tg满足下式

[式1]

t_{g} = Σ_{i = k + 1}^{l} (1 - \frac{P}{E_{i}}) t_{i} .

7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，

第二多孔体由多个层构成，构成第二多孔体的各多孔体的弹性模量Eh与构成所述第三多孔体的各多孔体的弹性模量Ei之间的关系为Ei≥Eh。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，

构成所述第二多孔体的各多孔体的电子电导率σh与构成第三多孔体的各多孔体的电子电导率σi之间的关系为σi≥σh。

9.一种燃料电池组，其特征在于，

该燃料电池组是将多片权利要求1～8中任一项所述的燃料电池层叠而成的。