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CN101399353A - 燃料电池 - Google Patents

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CN101399353A CNA200810215744XA CN200810215744A CN101399353A CN 101399353 A CN101399353 A CN 101399353A CN A200810215744X A CNA200810215744X A CN A200810215744XA CN 200810215744 A CN200810215744 A CN 200810215744A CN 101399353 A CN101399353 A CN 101399353A
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Abstract

本发明提供一种燃料电池，可以避免由于使用泵等而引起的噪音和功耗增大的问题，并且维持MEA的温度状态而实现发电性能的稳定化。具备：具有夹着电解质膜相互对置的阳极和阴极的膜电极复合体；与上述阳极相接触并向上述阳极供给燃料的阳极流路板；和与上述阴极相接触并向上述阴极供给空气的阴极流路板，上述阴极流路板包含沿着与向上述阴极供给上述空气的方向不同的方向延伸的板状部件。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及适用于直接型燃料电池的燃料电池。
背景技术
在以氢为燃料的固体高分子型燃料电池(PEM)、直接甲醇供给型燃料电池(DMFC)中，在阳极流路板与阴极流路板之间夹入膜电极复合体(MEA)，将这样得到的多个电池单元相互层叠而形成堆叠。在MEA中，在固体高分子型的质子导电膜的阳极侧形成有阳极催化剂层、阳极气体扩散层，在阴极侧形成有阴极催化剂层、阴极气体扩散层。在DMFC的情况下，水、甲醇的混合溶液被输送到阳极，空气被输送到阴极。
在阳极上，发生下式(1)的反应，而产生二氧化碳。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-    (1)
在阴极上，发生下式(2)的反应，而产生水。
3/2O2+6H++6e-→3H2O         (2)
包含在阳极上产生的二氧化碳、水、以及未反应的甲醇的混合溶液成为气液二相流并从阳极排出。从阳极排出的气液二相流通过设置在阳极的出口侧的流路上的气液分离器被分离成气体和液体。分离后的液体经由回收流路循环到混合罐等，而分离后的气体被排放到大气中(例如参照专利文献1)。
【专利文献1】美国专利第6924055号
另一方面，在以氢为燃料的燃料电池中，在阳极上，发生下式(3)的反应。
H2→2H++2e-                    (3)
如上所述，在对阳极供给水和甲醇混合溶液的情况、或在供给氢的情况下，必须向阴极提供可以按照上述的反应式进行发电的充分的空气量。因此，在现有技术中，使用泵等向阴极供给空气，但造成了泵等的尺寸大、泵等发生较大的噪音、由于泵等而使功耗增大等问题。
另外，在供给空气时MEA干燥，从而还产生MEA的湿度状态变化而发电性能变得不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池，在降低由于使用泵等而引起的噪音和功耗增大的问题的同时，维持MEA的温度状态并实现发电性能的稳定化。
为了解决上述问题，本发明的一个方式的燃料电池的特征在于，具备：具有夹着电解质膜相互对置的阳极和阴极的膜电极复合体；与上述阳极相接触并向上述阳极供给燃料的阳极流路板；和与上述阴极相接触并向上述阴极供给空气的阴极流路板，上述阴极流路板包含沿着与向上述阴极供给上述空气的方向不同的方向延伸的板状部件。
根据上述方式，可以提供一种燃料电池，在降低由于使用泵等而引起的噪音和功耗增大的问题的同时，维持MEA的温度状态并实现发电性能的稳定化。
附图说明
图1是第1实施方式的燃料电池的剖面图。
图2是第1实施方式的燃料电池中阳极流路板的平面图。
图3是第1实施方式的燃料电池中阴极流路板的平面图。
图4同样是第1实施方式的燃料电池中的阴极流路板的平面图。
图5是第2实施方式的燃料电池的剖面图。
图6是第3实施方式的燃料电池的剖面图。
图7是第3实施方式的燃料电池的阴极流路板的排列状态的平面图。
(附图标记说明)
1：阳极催化剂层；2：阴极催化剂层；3：电解质膜；4：阳极气体扩散层；5：阴极气体扩散层；6：阳极微孔层；7：阴极微孔层；8：MEA；9：衬垫；30：阳极流路板；31：燃料供给流路；40：阴极流路板；41：板状部件；42：电极板；50：紧固板；60：燃料供给部件；61：纵向燃料供给流路
具体实施方式
以下，根据实施方式，对本发明的详细内容、及其其他特征以及优点进行说明。
(第1实施方式)
图1是第1实施方式的燃料电池的结构的剖面示意图，图2是图1所示的燃料电池中使用的阳极流路板的结构的平面图，图3是图1所示的燃料电池中使用的阴极流路板的结构的平面图。
在图1所示的燃料电池100中，具有夹着电解质膜3相互对置的阳极(阳极催化剂层1、阳极气体扩散层4)和阴极(阴极催化剂层2、阴极气体扩散层5)的膜电极复合体(MEA)8、与阳极气体扩散层4相接触并用于向阳极供给规定的燃料的阳极流路板30、隔着阴极气体扩散层5与阳极流路板30对置的阴极流路板40作为一个单元，呈将这些单元层叠成3层的堆叠结构。
各个单元被构成为利用阳极流路板30和阴极流路板40与衬垫9一起对MEA的周围进行密封。
另外，各个单元在上下方向上设置有紧固板50；由此，构成为在上下方向上紧固并保持相应的单元。另外，这些单元层叠而成的堆叠结构也在上面和下面设置有一对紧固板50，从而构成为在上下方向上紧固并保持上述堆叠结构。另外，在本实施方式中，如下所述，从经由紧固板50向外部取出由图1所示的燃料电池100发电的电力的观点来看，紧固板50还具有作为电极的功能。因此，紧固板50由导电性的部件构成。
在各单元的一端侧，形成有用于确保向构成上述堆叠结构的各单元供给燃料的纵向燃料供给流路61的燃料供给部件60被设置在相邻单元的阳极流路板30之间。另外，在本方式中，如以下所述，从经由紧固板50向外部取出由图1所示的燃料电池100发电的电力的观点来看，阳极流路板30、阴极流路板40使用导电性的部件来构成。另外，也可以使用导电性部件来构成紧固板50。
MEA 8具备：包含质子导电性的固体高分子膜等的电解质膜3；在电解质膜3的表面涂敷催化剂而形成的阳极催化剂层1和阴极催化剂层2；分别形成在阳极催化剂层1和阴极催化剂层2的外侧的阳极气体扩散层4和阴极气体扩散层5。
作为电解质膜3，是四氟乙烯与全氟乙烯基醚砜酸的共聚物，例如可以利用商品名为Nafion的产品(美国杜邦公司)。作为阳极催化剂层1可以利用铂钌，作为阴极催化剂层2可以利用铂等。作为阳极气体扩散层4、阴极气体扩散层5，可以使用多孔质的碳纸等。
另外，虽未在图1中示出，但还可以在阳极催化剂层1与阳极气体扩散层4之间设置经过疏水处理的、具有亚微米孔径的、几十微米厚度的碳制的阳极微孔层。另外，还可以在阴极催化剂层2与阴极气体扩散层5之间设置具有亚微米孔径的、几十微米厚度的碳制的阴极微孔层。
如图2所示，阳极流路板30具有燃料供给流路31，规定的燃料从燃料供给口31a被导入到燃料供给流路31内并在内部流过，而从燃料排出口31b排出。燃料供给流路31与MEA 8的阳极接触，所以在上述燃料在燃料供给流路31内流动的期间，对阳极、即阳极催化剂层1供给上述燃料以用于发电。
各个阳极流路板30的燃料供给口31a经由图1所示的纵向燃料供给流路61与燃料供给流路51连通。燃料从该供给路51供给。从燃料供给路51供给的燃料在通过燃料供给口31a经由燃料供给流路31被提供以用于发电后，通过燃料排出口31b从图1所示的燃料排出路52排出。
另外，构成为经由燃料供给口31a，从以与紧固板50和燃料供给部件60连通的方式形成的纵向燃料供给流路61向各单元的阳极流路板30进行供给。
如图3所示，阴极流路板40在其宽度方向的大致中心具有沿着其长度方向延伸的板状部件41，并且在上述宽度方向上与板状部件41大致正交地设置有多个电极板42。其结果，板状部件41和电极板42呈梳齿状。板状部件41和电极板42具有大致相同的高度，在安装在图1所示的单元上时，二者与MEA 8、具体而言与阴极、即阴极气体扩散层5相接触。
另一方面，如图3所示，要向阴极供给的空气沿着阴极流路板40的电极板42被导入，但由于阴极流路板40具有上述板状部件41，上述空气不会贯通阴极流路板40，而滞留于其内部。因此，构成为向图1所示的燃料电池100的各单元中的阴极供给在阴极流路板40内扩散了的氧。
因此，在上述空气在阴极流路板40内的氧的供给中，氧的扩散占主导地位。因此，如果通过风扇等的送气将空气导入部的氧浓度维持成与大气大致等同，则无需设置上述泵等。因此，无需使用上述泵，可以节省上述泵的容积，降低上述泵等的驱动输出，实现抑制发生噪音和功耗。另外，由于上述空气由扩散主导，所以从阴极排出水分也由扩散主导。因此，可以供给所需的氧，同时可以进行阴极的保湿。因此，不会使与阴极流路板40接触的MEA8干燥，而可以总是维持保持有水分的状态，所以可以实现燃料电池的发电性能的稳定化。
另外，在本实施方式中，由各单元发电的电力在由设置在阴极流路板40上的板状部件41和电极板42集电之后，经由紧固板50向外部取出。为了提高空气的供给，优选扩大电极板42的间隔；但如果扩大电极板42的间隔，则集电电阻增加。通过设置板状部件41，即使在这种情况下，也可以降低集电电阻。另外，如果考虑集电电阻的降低和空气的供给，则板状部件41优选被设置于宽度方向的大致中心部。
另外，在阴极流路板40中，如图4所示，板状部件41也可以不设置在宽度方向的大致中心部，而是设置在其端面。即使在这种结构中，也与上述同样地，当供给阴极流路板40中的氧时，氧的扩散是主导性的。通过降低上述的泵等的驱动输出，可以抑制发生噪音以及功耗，防止与阴极流路板40接触的MEA8被干燥，可以实现燃料电池的发电性能的稳定化。
另外，向阳极供给的燃料可以是氢、甲醇水溶液等液体燃料。
(第2实施方式)
图5是第2实施方式的燃料电池的结构的剖面示意图。在本实施方式中，仅构成燃料电池的MEA、阳极流路板和阴极流路板的层叠结构不同，而其他结构要素、例如阳极流路板、阴极流路板等的结构与上述第1实施方式相同。因此，在以下，以本方式中的燃料电池的层叠结构为中心进行说明。另外，关于与图1～4所示的结构要素相同或类似的结构要素，使用相同的附图标记。
图5所示的燃料电池100具有夹着电解质膜3相互对置的阳极(阳极催化剂层1、阳极气体扩散层4)和阴极(阴极催化剂层2、阴极气体扩散层5)的膜电极复合体(MEA)8、与阳极气体扩散层4相接触并用于向阳极供给规定的燃料的阳极流路板30、隔着阴极气体扩散层5与阳极流路板30对置的阴极流路板40。将按照阳极流路板30、MEA8、阴极流路板40、MEA8以及阳极流路板30的顺序层叠的结构作为一个单元，这些单元被层叠成2层而呈堆叠结构。
各个单元被构成为通过阳极流路板30和阴极流路板40与衬垫9一起对MEA的周围进行密封。
另外，各单元在上下方向上设置有紧固板50，由此，构成为在上下方向上紧固并保持上述单元。另外，这些单元层叠而成的堆叠结构也在上面以及下面设置有一对紧固板50，而构成为在上下方向上紧固地保持上述堆叠结构。在阳极流路板30上，设置有未图示的集电结构，利用电阻在厚度方向上较高的、设置在集电体上的未图示的端子向外部取出电力。阴极流路板40是导体，设置有未图示的端子，向外部取出电力。通过将阳极流路板30的端子与阴极流路板40的端子适当连通，而向外部取出电力。
另外，在各个单元的一端侧，形成有用于确保向构成上述堆叠结构的各单元供给燃料的纵向燃料供给流路61的燃料供给部件60被设置在相邻单元的阳极流路板30之间。另外，在本方式中，如下所述，从经由燃料供给部件60和紧固板50向外部取出由图5所示的燃料电池100所发的电力的观点来看，燃料供给部件60由导电性的部件构成。
MEA8具备：包含质子导电性的固体高分子膜等的电解质膜3；在电解质膜3的表面涂敷催化剂而形成的阳极催化剂层1和阴极催化剂层2；分别形成在阳极催化剂层1和阴极催化剂层2的外侧的阳极气体扩散层4和阴极气体扩散层5。
电解质膜3是四氟乙烯与全氟乙烯基醚砜酸的共聚物，例如可以利用商品名为Nafion的产品(美国杜邦公司)。作为阳极催化剂层1可以利用铂钌，作为阴极催化剂层2可以利用铂等。作为阳极气体扩散层4、阴极气体扩散层5，可以使用多孔质的碳纸等。
另外，虽未在图5中示出，但还可以在阳极催化剂层1与阳极气体扩散层4之间设置经过疏水处理的、含亚微米孔径的、几十微米厚度的碳制的阳极微孔层。另外，还可以在阴极催化剂层2与阴极气体扩散层5之间设置含亚微米孔径的几十微米厚度的碳制的阴极微孔层。
另外，在向阳极供给燃料时，可以经由燃料供给口31a，从以与紧固板50和燃料供给部件60连通的方式形成的纵向燃料供给流路61向各单元的阳极流路板30进行供给。
另外，在本方式中，阴极流路板40也可以采用如图3或图4所示的结构。因此，在上述空气供给阴极流路板40的氧时，氧的扩散是主导性的。因此，如果通过风扇等的送气将空气导入部的氧浓度维持成与大气大致等同，则无需设置上述泵等。因此，无需使用上述泵，可以节省上述泵的容积，降低上述泵等的驱动输出，可以抑制发生噪音以及功耗。另外，由于上述空气的供给由扩散主导，所以从阴极排出水分也由扩散主导。因此，可以供给所需的氧，同时可以进行阴极的保湿。因此，不会使与阴极流路板40接触的MEA8干燥而可以总是维持保持有水分的状态，所以可以实现燃料电池的发电性能的稳定化。
另外，在本方式中，由各单元发电的电力在由设置在阴极流路板40中的电极板42集电之后，经由燃料供给部件60以及紧固板50向外部取出。
另外，向阳极供给的燃料可以是氢、甲醇水溶液等液体燃料。
(第3实施方式)
图6是第3实施方式的燃料电池的结构的剖面示意图。图7是图6所示的燃料电池的阴极流路板的排列状态的平面图。另外，关于与图1～4所示的结构要素相同或类似的结构要素，使用相同附图标记。
图6所示的燃料电池100省略了具体的结构的记载，但与第1实施方式以及第2实施方式同样地，具有：夹着电解质膜3相互对置的阳极(阳极催化剂层、阳极气体扩散层)和阴极(阴极催化剂层、阴极气体扩散层)的膜电极复合体(MEA)8、与该MEA8相接触并用于向阳极供给规定的燃料的阳极流路板30、同样地与MEA8相接触并与阳极流路板30对置的阴极流路板40。将MEA8、阳极流路板30以及阴极流路板40形成为一个单元，如图7所示，这些单元在同一平面上并排排列有多个。
在本方式中，例如如图3所示，各阴极流路板30在宽度方向的大致中心具有沿着其长度方向延伸的板状部件41，并且在上述宽度方向上与板状部件41大致正交地设置有多个电极板42。板状部件41以及电极板42构成为具有大致相同的高度，在安装在图6所示的单元中时，两者都与MEA8相接触。
另一方面，如图7所示，要向阴极供给的空气沿着阴极流路板40的长度方向被导入，并且通过电极板42还沿着阴极流路板40的宽度方向被导入。此时，由于在阴极流路板40中设置有板状部件41，所以通过电极板42沿着上述宽度方向被导入的空气不会贯通阴极流路板40，而是滞留于其内部。因此，向图7所示的燃料电池100的各单元中的阴极，供给滞留于阴极流路板40中的空气。
因此，当供给阴极流路板40内的氧时，氧的扩散是主导性的。因此，如果通过风扇等的送气将空气导入部的氧浓度维持成与大气大致等同，则无需设置上述泵等。因此，无需使用上述泵，可以节省上述泵的容积，降低上述泵等的驱动输出，可以抑制发生噪音以及功耗。另外，由于上述空气的供给由扩散主导，所以从阴极排出水分也由扩散主导。因此，可以供给所需的氧，同时可以进行阴极的保湿。因此，不会使与阴极流路板40接触的MEA8干燥而可以总是维持保持有水分的状态，所以可以实现燃料电池的发电性能的稳定化。
另外，MEA8的具体结构和阳极流路板30的具体结构由于与上述第1实施方式以及第2实施方式相同，所以省略说明。
另外，在本方式中，由各单元发电的电力通过未图示的设置在阳极流路板30上的端子、和未图示的设置在阴极流路板40上的端子而被集电并向外部取出。
向阳极供给的燃料可以是氢、甲醇水溶液等液体燃料。
以上根据上述具体例对本发明进行了详细说明，但本发明不限于上述方式，可以在不脱离本发明的范畴的范围内进行任何变更或变形。
例如，在上述具体例中，在阴极流路板40中，在宽度方向的大致中心形成有沿着其长度方向延伸的板状部件41，而空气滞留于内部；但只要是如此使空气滞留于内部而增大上述空气的流体电阻的结构即可，可以采用任意的结构。例如，板状部件41也可以是不完全切断空气的流动而将一部分开放来增大上述空气的流体阻抗的结构。具体而言，也可以在板状部件41的一部分上形成开口。
另外，在上述具体例中，将上述燃料电池构成为在单元中包括MEA8、阳极流路板30以及阴极流路板40并层叠了上述单元的堆叠结构等，但未必一定要设成堆叠结构，还可以单独使用上述单元来构成燃料电池。

Claims (5)

1.一种燃料电池，其特征在于，具备：
具有夹着电解质膜相互对置的阳极和阴极的膜电极复合体；
与上述阳极相接触并向上述阳极供给燃料的阳极流路板；和
与上述阴极相接触并向上述阴极供给空气的阴极流路板，
上述阴极流路板包含沿着与向上述阴极供给上述空气的方向不同的方向延伸的板状部件。
2.一种燃料电池，其特征在于，具备：
具有夹着电解质膜相互对置的阳极和阴极的多个膜电极复合体；
与上述阳极相接触并向上述阳极供给燃料的多个阳极流路板；和
与上述阴极相接触并向上述阴极供给空气的多个阴极流路板，
上述多个阴极流路板包含沿着与向上述阴极供给上述空气的方向不同的方向延伸的板状部件，
将上述膜电极复合体、上述阳极流路板和上述阴极流路板作为一个单元，将多个上述单元层叠而呈堆叠结构。
3.一种燃料电池，其特征在于，具备：
具有夹着电解质膜相互对置的阳极和阴极的多个膜电极复合体；
与上述阳极相接触并向上述阳极供给燃料的多个阳极流路板；和
与上述阴极相接触并向上述阴极供给空气的多个阴极流路板，
上述多个阴极流路板包含沿着与向上述阴极供给上述空气的方向不同的方向延伸的板状部件，
将上述阳极流路板、上述膜电极复合体、上述阴极流路板、上述膜电极复合体、以及上述阳极流路板按照该顺序被层叠起来的结构做为一个单元，将多个上述单元层叠而呈堆叠结构。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的燃料电池，其特征在于，上述多个阴极流路板分别包含被设置成与上述阴极接触的至少1个电极板。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，上述板状部件与上述电极板相互正交，上述板状部件和上述电极板呈梳齿状。
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