燃料電池隔離器的製作方法
2023-12-08 16:36:16
專利名稱：燃料電池隔離器的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池隔離器，具體而言，涉及反應氣體的供給。
背景技術：
對於燃料電池，例如，質子交換膜燃料電池(PEFC)，通過將含有氫的燃料氣體和含有氧的氧化氣體分別供給彼此面對並夾有電解質膜的兩個電極(陰極和陽極)，來進行下面的式(1)和式(2)所示的反應，將化學能直接轉換成電能。
陰極反應2H++2e-+(1/2)O2→H2O(1)陽極反應H2→2H++2e-(2)作為燃料電池的主要結構，開發了所謂的堆結構(stack structure)。燃料電池的堆結構具有基本上平坦形的膜電極組件(MEA)和隔離器，所述膜電極組件和隔離器層疊並沿層疊方向接合。
這裡，所稱的燃料電池隔離器是具有三層結構的物品，所述三層結構由陽極側板、陰極側板和夾在陰極側板與陽極側板之間的中間板構成。這種三層結構的隔離器包括穿透三層板的反應氣體歧管、設在中間板中的傳輸路徑、以及長孔形通孔，所述通孔設在陽極側板和陰極側板處半刻蝕的反應氣體流動路徑末端。因此，反應氣體從傳輸路徑經由長孔形通孔分配到反應氣體流動路徑。
但是，採用上述的現有技術，由於設在陽極側板和陰極側板上的通孔是長孔形，所以在用於陽極側板和陰極側板中並不設有反應氣體流動路徑的隔離器(下文中稱為平隔離器)時，存在反應氣體的供給不穩定的風險。具體而言，採用平隔離器，由於陰極側板和陽極側板中並不設有反應氣體流動路徑，所以可以將這些板製造得薄且平。在此情況下，當形成長孔形通孔處的部件強度不足時，隨著形變，反應氣體的供給變得不穩定，並可能存在燃料電池性能下降的風險。另外，由於平隔離器在陽極側板和陰極側板中沒有反應氣體流動路徑，所以平隔離器不能通過反應氣體流動路徑來控制反應氣體的分配。對於上述現有技術，沒有考慮到在未設有反應氣體流動路徑時的反應氣體分配均勻性。因此，存在反應氣體分配變得不均勻，造成燃料電池性能下降的風險。
發明內容
本發明希望解決上述傳統缺點，其一個目的是改進反應氣體供給並使採用平隔離器的燃料電池的性能提高。
為了達到上述目的，本發明的一個方面提供了一種燃料電池隔離器，包括面對第一電極板，具有面對膜電極組件中第一電極的第一電池反應區域，其中所述第一電池反應區域是平坦的；面對第二電極板，具有面對所述膜電極組件中第二電極的第二電池反應區域，其中所述第二電池反應區域是平坦的；和中間板，保持在所述面對第一電極板和所述面對第二電極板之間。在本發明的該方面的燃料電池隔離器中，所述面對第一電極板、所述面對第二電極板和所述中間板分別包括反應氣體供給歧管開口，所述反應氣體供給歧管開口形成反應氣體供給歧管，所述反應氣體被供給到所述反應氣體供給歧管，其中所述反應氣體供給歧管在厚度方向上穿透所述隔離器。所述面對第一電極板還包括多個反應氣體供給孔，所述反應氣體供給孔在厚度方向上穿透所述面對第一電極板並形成在所述第一電池反應區域的端部處。所述中間板還包括多個反應氣體供給路徑開口，所述多個反應氣體供給路徑開口形成反應氣體供給路徑，其中每個所述反應氣體供給路徑的一端連接到所述反應氣體供給歧管，另一端連接到形成於所述面對第一電極板上的所述多個反應氣體供給孔中的至少一個，其中所述多個反應氣體供給路徑開口在厚度方向上穿透所述中間板。
本發明這個方面的隔離器設有與反應氣體供給路徑相連接的多個氣體供給孔。因此，與由一個長孔形成反應氣體供給孔的情況相比，面對第一電極板的穿透部分的面積更小，所以提高了面對第一電極板的強度。由此，即使將面對第一電極板製成薄板，也可以實現向第一電極穩定地供給反應氣體。
在本發明這個方面的隔離器中，反應氣體供給路徑開口的數量與反應氣體供給孔的數量可以相同，並且反應氣體供給路徑開口可以與反應氣體供給孔一一對應。在此情況下，由於中間板的穿透部分面積更小，所以隔離器強度進一步提高。由此，可以實現更加穩定的反應氣體供給。
在本發明這個方面的隔離器中，可以根據反應氣體供給路徑和反應氣體供給孔的形狀和尺寸，來控制從多個反應氣體供給孔供給到第一電極的反應氣體的流量。在此情況下，可以容易地控制從各個反應氣體供給孔供給的反應氣體流體積，並可以使反應氣體穩定地分配到第一電極。
在根據本發明這個方面的隔離器中，在構成燃料電池時，布置在第一電極與面對第一電極板之間的多孔層可以作為用於使反應氣體流動的反應氣體流動路徑。而且，反應氣體供給路徑和反應氣體供給孔的反應氣體壓力損失可以大於多孔層的反應氣體壓力損失，從而通過反應氣體供給路徑和反應氣體供給孔的反應氣體壓力損失來控制從多個反應氣體供給孔供給到第一電極的反應氣體的流量。在此情況下，與難以控制其流量的多孔層不同，可以容易地控制隔離器處的反應氣體流量。
在本發明這個方面的隔離器中，多個反應氣體供給路徑開口可以分別具有相同的形狀和尺寸。在此情況下，對於各個反應氣體供給路徑，可以使各個反應氣體供給路徑的壓力損失是均勻的。由此提高了向第一電極的反應氣體供給的均勻性。
在本發明這個方面的隔離器中，多個反應氣體供給孔可以分別具有相同的形狀和尺寸。在此情況下，對於各個反應氣體供給孔，可以使多個反應氣體供給孔的壓力損失均勻。由此，可以使經過各個反應氣體供給路徑和反應氣體供給孔的反應氣體流量均勻。因此提高了向第一電極的反應氣體供給的均勻性。
在本發明這個方面的隔離器中，多個反應氣體供給路徑開口可以形成為分別彼此平行。在此情況下，向電池反應區域供給反應氣體的方向是固定的，所以使反應氣體供應穩定。
在本發明這個方面的隔離器中，面對第一電極板可以包括面對著陰極的面對陰極板。反應氣體供給歧管可以包括用於供給氧化氣體的氧化氣體供給歧管。多個反應氣體供給路徑開口可以包括氧化氣體流動所用的氧化氣體供給路徑開口，這些開口布置在第一電池反應區域的一個邊緣從一端到另一端。在此情況下，擴散性比燃料氣體差的氧化氣體可以在整個第一電極上均勻地供給。
在本發明這個方面的隔離器中，面對第一電極板、面對第二電極板和中間板還可以分別包括反應氣體排出歧管開口，所述反應氣體排出歧管開口形成反應氣體排出歧管，反應氣體從反應氣體排出歧管排出，其中反應氣體排出歧管在厚度方向上穿透隔離器。面對第一電極板還可以包括多個反應氣體排出孔，反應氣體排出孔在厚度方向上穿透面對第一電極板，並形成在第一電池反應區域的與形成反應氣體供給孔的端部相反那側的端部處。而且，中間板還可以包括多個反應氣體排出路徑開口，所述多個反應氣體排出路徑開口形成反應氣體排出路徑，其中每個反應氣體排出路徑的一端連接到反應氣體排出歧管，另一端連接到多個反應氣體排出孔中的至少一個，其中多個反應氣體排出路徑開口在厚度方向上穿透所述中間板。在此情況下，可以增加用於第一電極的反應氣體排出孔部分的強度。
在本發明這個方面的隔離器中，反應氣體供給孔或反應氣體排出孔的寬度可以比所連接的反應氣體供給路徑或所連接的反應氣體排出路徑的寬度更寬。在此情況下，在中間板與面對第一電極板之間由於安放誤差等而在表面方向發生位移時，可以抑制反應氣體供給路徑與反應氣體供給孔之間連接面積的減小或消失。
在根據本發明這個方面的隔離器中，面對第一電極板和面對第二電極板中至少其一可以包括第一層和第二層。第一層可以具有與中間板接觸的接觸表面。第二層可以具有在構成燃料電池時面對膜電極組件的面對表面，第二層可以比第一層材料具有更高抗腐蝕性的材料製成。在此情況下，可以使與膜電極組件接觸的、易於發生腐蝕的表面提高抗腐蝕性。例如，第一層的材料與第二層的材料的組合可以是以下情形之一a)第一層是不鏽鋼，第二層是鈦或鈦合金；b)第一層是鈦，第二層是鈦鈀合金。
在根據本發明這個方面的隔離器中，反應氣體供給歧管開口、反應氣體供給孔和反應氣體供給路徑開口可以通過衝裁處理形成。另外，反應氣體排出歧管開口、反應氣體排出孔和反應氣體排出路徑開口可以通過衝裁處理形成。在此情況下，可以通過衝裁處理容易地製造上述方面的面對第一電極板、面對第二電極板和中間板，衝裁處理是具有高生產率的處理方法。因此，可以提高隔離器生產率。
根據下面的詳細說明和附圖，本發明的上述以及其他的目的、特徵、方面和優點將變得更加清楚。
圖1示意性圖示了使用本實施例的隔離器構成的燃料電池的結構。
圖2示意性圖示了構成本實施例燃料電池的模塊的結構。
圖3示出了密封一體式MEA和隔離器的各個結構部分的俯視圖。
圖4示出了隔離器與密封一體式MEA重疊狀態的俯視圖和剖視圖。
圖5示出了圖4中B-B截面的剖視圖。
圖6示意性圖示了圖4中AA部分的放大圖。
圖7示出了圖4中D-D截面的剖視圖。
圖8示出了第一修改方案的隔離器的俯視圖。
圖9示出了將第二修改方案的隔離器與密封一體式MEA層疊在一起構成的模塊的剖視圖。
圖10示出了密封一體式MEA和第三修改方案的隔離器的各個結構部分的俯視圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖對本發明的實施例進行說明。
A.實施例燃料電池和隔離器構造參考圖1至圖3，對本實施例的隔離器示意性構造以及使用本實施例的隔離器構成的燃料電池進行說明。圖1示意性圖示了使用本實施例的隔離器構成的燃料電池的構造。圖2示意性圖示了構成本實施例燃料電池的模塊的結構。圖3示出了隔離器的各結構部件以及一體式膜電極組件(MEA)的俯視圖。
燃料電池10是質子交換膜燃料電池(PEFC)，它比較緊湊並具有優良的發電效率。燃料電池10包括多個模塊20、端板30、張緊板31、絕緣體33和端子23。多個模塊20夾住絕緣體33和端子23，並被夾在兩個端板30之間。具體而言，燃料電池10具有將多個模塊20層疊的分層結構。另外，通過由螺栓32接合到各個端板30的張緊板31，各個模塊20通過沿層疊方向的特定壓緊力而接合。
用於電池反應而供給的反應氣體(燃料氣體和氧化氣體)、以及用於對燃料電池10進行冷卻的冷卻介質被供給到燃料電池10。作為一個簡潔的說明，氫氣從存儲高壓氫氣的氫氣箱210經由管道250供給到燃料電池10作為燃料氣體。也可以用醇、烴等作為原料利用重整反應來產生氫氣，來代替氫氣箱210。為了對氫氣供給進行調整，管道250中布置有關斷閥220和調壓閥230。從燃料電池10的陽極排出的氫氣經由管道260回到管道250，並在燃料電池10中再次循環。用於循環的循環泵240布置在管道260上。
空氣從空氣泵310經由管道350供給到燃料電池10的陰極作為氧化氣體。從燃料電池10的陰極排出的空氣經由管道360排放到大氣中。還將冷卻介質從散熱器420經由管道450供給到燃料電池10。作為冷卻介質，可以使用水、不凍水(例如乙二醇)、空氣等。從燃料電池10排出的冷卻介質經由管道460傳送到散熱器420並在燃料電池10中再次循環。用於循環的循環泵410布置在管道460上。
如圖2所示，模塊20由隔離器25與密封一體式MEA 21的交替層疊構成。
如圖2所示，隔離器25包括面對密封一體式MEA 21中陰極側的而對陰極板22、面對陽極側的面對陽極板23、以及夾在面對陰極板22與面對陽極板23之間的中間板24。這三種板重疊並通過熱壓接合。
面對陰極板22是大致四邊形的金屬薄板。該金屬薄板例如可以是鈦、鈦合金或SUS(不鏽鋼)板，其表面上經過電鍍以防受到腐蝕。如圖3的(a)所示，面對陰極板22具有電池反應區域DA，電池反應區域DA是面對陰極的部分，電池反應區域DA是平坦的，並且電池反應區域DA上沒有形成氧化氣體流動路徑。面對陰極板22在電池反應區域DA外側的外周邊邊緣處包括燃料氣體供給歧管形成開口221a、燃料氣體排出歧管形成開口221b、氧化氣體供給歧管形成開口222a、氧化氣體排出歧管形成開口222b、冷卻介質供給歧管形成開 223a和冷卻介質排出歧管形成開口223b。面對陰極板22還包括多個氧化氣體供給孔225和多個氧化氣體排出孔226。多個氧化氣體供給孔225布置在圖3的(a)中電池反應區域DA的頂邊緣部分。多個氧化氣體供給孔225橫跨電池反應區域DA從左邊緣到右邊緣排列布置。多個氧化氣體排出孔226布置在電池反應區域DA中與氧化氣體供給孔225相反那側的端部處，也就是圖3的(a)中的底邊緣處。多個氧化氣體排出孔226橫跨電池反應區域DA從左邊緣到右邊緣排列布置。這些不同類型的歧管形成開口、氧化氣體供給孔225和氧化氣體排出孔226全都形成為在厚度方向上穿透面對陰極板22的穿透部分。對於面對陰極板22，除了這些穿透部分之外的部分是未經處理的平板。因此，簡單地通過在大致為四邊形的金屬薄板上進行衝裁處理即可製造面對陰極板22。
面對陽極板23是與面對陰極板22尺寸相同的、大致為四邊形的金屬薄板。面對陽極板23的材料可以使用與面對陰極板22相同的材料。如圖3的(b)所示，與面對陰極板22一樣，面對陽極板23的電池反應區域DA是平坦的，電池反應區域DA上沒有形成燃料氣體流動路徑。面對陽極板23在與面對陰極板22相同的位置處包括燃料氣體供給歧管形成開口231a、燃料氣體排出歧管形成開口231b、氧化氣體供給歧管形成開口232a、氧化氣體排出歧管形成開口232b、冷卻介質供給歧管形成開口233a和冷卻介質排出歧管形成開口233b。面對陽極板23還包括多個燃料氣體供給孔237和多個燃料氣體排出孔238。多個燃料氣體供給孔237在圖3(b)中電池反應區域DA的左邊緣的頂部處排列布置。多個燃料氣體排出孔238在電池反應區域DA中的與燃料氣體供給孔237相反的那側上的邊緣處排列布置，也就是說在圖3(a)中右邊緣的底部處排列布置。這些不同類型的歧管形成開口、燃料氣體供給孔237以及燃料氣體排出孔238都形成為在厚度方向上穿透面對陽極板23的穿透部分。對於面對陽極板23，除了這些穿透部分之外的部分是未經處理的平板。因此，簡單地通過在大致為四邊形的金屬薄板上進行衝裁處理即可製造面對陽極板23。
中間板24是與面對陰極板22和面對陽極板23尺寸相同的、大致為四邊形的金屬薄板。其材料也可以使用與面對陰極板22和面對陽極板23相同的材料。如圖3的(c)所示，中間板24在與面對陰極板22和面對陽極板23相同的位置處包括燃料氣體供給歧管形成開口241a、燃料氣體排出歧管形成開口241b、氧化氣體供給歧管形成開口242a和氧化氣體排出歧管形成開口242b。
如圖3的(c)所示，具有長孔形狀的多個氧化氣體供給路徑槽245排列形成在中間板24上。多個氧化氣體供給路徑槽245的一端連接到氧化氣體供給歧管形成開口242a。多個氧化氣體供給路徑槽245的另一端在接合期間連接到形成於面對陰極板22上的氧化氣體供給孔225。氧化氣體供給路徑槽245在數量上形成為與氧化氣體供給孔225一致，從而與氧化氣體供給孔225一一對應。因此，多個氧化氣體供給路徑槽245相互平行，並垂直於電池反應區域DA的上邊緣。多個氧化氣體供給路徑槽245布置在從電池反應區域DA的左邊緣到右邊緣的範圍上。另外，多個氧化氣體排出路徑槽246形成在中間板24上，並且是與氧化氣體供給路徑槽245具有相同形狀的長孔。多個氧化氣體排出路徑槽246的一端連接到氧化氣體排出歧管形成開口242b。多個氧化氣體排出路徑槽246的另一端在接合期間連接到形成於面對陰極板22上的氧化氣體排出孔226。類似地，多個燃料氣體供給路徑槽247和多個燃料氣體排出路徑槽248形成在中間板24上。燃料氣體供給路徑槽247的一端連接到燃料氣體供給歧管形成開口241a，燃料氣體供給路徑槽247的另一端連接到面對陽極板23的燃料氣體供給孔237。燃料氣體排出路徑槽248的一端連接到燃料氣體排出歧管形成開口241b，燃料氣體排出路徑槽248的另一端連接到面對陽極板23的燃料氣體排出孔238。
中間板24還包括多個冷卻介質流動路徑槽243。多個冷卻介質流動路徑槽243是從中間板24在圖3的(c)中的右側端部區域到左側邊緣區域的長孔。多個冷卻介質流動路徑槽243沿圖3的(c)中的豎直方向排列形成。
對於中間板24，上述各種類型的歧管形成開口和各種類型的路徑槽都是沿厚度方向穿透中間板24的穿透部分。除了這些穿透部分，中間板24是未經處理的平板。因此，與面對陰極板22和面對陽極板23一樣，簡單地通過在大致為四邊形的金屬薄板上進行衝裁處理即可製造中間板24。
如圖3的(d)所示，密封一體式MEA 21包括MEA和密封構件50。密封構件50連接到MEA的外邊緣部分。如圖2所示，MEA包括由離子交換膜製成的電解質膜211、未示出的陽極、未示出的陰極和多孔層212。陽極是布置在電解質膜211的一個表面上的催化層。陰極是布置在電解質膜211的另一個表面上的催化層。多孔層212布置在每個催化層(電極)的面對隔離器的表面上。多孔層212具有較高的內部孔隙率(internal porosity)，由此，當反應氣體(氧化氣體和燃料氣體)在內部流動時，多孔層212的壓力損失較小。使用金屬(例如鈦)多孔片構成陰極側多孔層212。使用碳多孔片構成陽極側多孔層212。下文中會對多孔層212進行進一步說明。
密封構件50使用樹脂材料，例如矽橡膠、丁基橡膠、氟橡膠。密封構件50是通過使MEA的外邊緣部分接近金屬空腔並對樹脂材料進行注模來生產的。通過這種方式工作，使膜電極組件21和密封構件50無間隙地接合，並可以防止氧化氣體和燃料氣體從接合部分洩漏出來。密封構件50與面對陰極板22和面對陽極板23一樣，包括氧化氣體供給歧管形成開口501a、氧化氣體排出歧管形成開口501b、燃料氣體供給歧管形成開口502a、燃料氣體排出歧管形成開口502b、冷卻介質供給歧管形成開口503a和冷卻介質排出歧管形成開口503b。如圖2所示，在構成燃料電池10時，密封構件50密封在與該密封構件50的一個表面接觸的隔離器25和與該密封構件50的另一表面接觸的隔離器25之間。如圖3的(d)所示，將密封構件50密封，以繞MEA的外邊緣或燃料電池的電池反應區域DA的外邊緣以及各個歧管的外邊緣包圍。根據圖3的(d)，為了更容易地看到附圖，對於密封構件50，示出了密封線SL，該密封線表示與隔離器25的接觸部分。
將參考圖4到圖7對隔離器25上形成的每種類型路徑的構造進行說明。圖4示出了隔離器與密封一體式MEA重疊狀態的俯視圖和剖視圖，圖5示出了圖4中B-B截面的剖視圖。圖6示意性示出了圖4中AA部分的放大圖。圖7示出了圖4中D-D截面的剖視圖。另外，上述圖2對應於圖4的A-A截面。
如圖4的(a)中的陰影線所示，沿厚度方向穿透的各種類型歧管形成在隔離器25上。例如，燃料氣體供給歧管是由分別形成於上述面對陰極板22、面對陽極板23和中間板24上的燃料氣體供給歧管形成開口221a、燃料氣體供給歧管形成開口231a和燃料氣體供給歧管形成開口241a形成的。類似地，隔離器25上分別形成有燃料氣體排出歧管、氧化氣體供給歧管、氧化氣體排出歧管、冷卻介質供給歧管和冷卻介質排出歧管。
如圖4和圖5所示，在隔離器25上，氧化氣體供給路徑63由形成於中間板24上的氧化氣體供給路徑槽245、面對陽極板23上的與中間板24的接觸表面23a和面對陰極板22上的與中間板24的接觸表面22a上形成。氧化氣體供給路徑63的一端連接到氧化氣體供給歧管，另一端連接到形成於面對陰極板22上的氧化氣體供給孔225。
這裡，如圖6所示，中間板24上形成的每個氧化氣體供給路徑槽245分別具有相同的形狀和尺寸。具體而言，如圖6所示，對於每個氧化氣體供給路徑槽245，從連接到氧化氣體供給歧管的一端到連接到氧化氣體供給孔225的另一端之間的長度L1都各自相同。對於每個氧化氣體供給孔225，其流動路徑寬度W1也相同。此外，多個氧化氣體供給孔225也各自具有相同的形狀和尺寸。具體而言，採用這種實施例，存在具有相同直徑的圓形通孔。結果，對於從氧化氣體供給歧管經過氧化氣體供給路徑63和氧化氣體供給孔225到多孔層212的路線(氧化氣體供給路線)，每條路線的氧化氣體壓力損失都相等。
如圖4和圖5所示，隔離器25包括氧化氣體排出路徑64。氧化氣體排出路徑64是由形成於中間板24上的氧化氣體排出路徑槽246、面對陽極板23上的與中間板24的接觸表面23a以及面對陰極板22上的與中間板24的接觸表面24a形成的。氧化氣體排出路徑64的一端連接到氧化氣體排出歧管，另一端連接到形成於面對陰極板22上的氧化氣體排出孔226。
儘管未示出，但其結構與圖4的(a)中的C-C截面和C』-C』截面以及圖5中所示的B-B截面相同。具體而言，隔離器25在圖4的(a)所示C-C區域處包括燃料氣體供給路徑61。與上述氧化氣體供給路徑63一樣，燃料氣體供給路徑61由形成於中間板24上的燃料氣體供給路徑槽247、面對陽極板23上的與中間板24的接觸表面23a和面對陰極板22上的與中間板24的接觸表面22a形成。因此，隔離器25包括圖4的(a)中C』-C』區域處的燃料氣體排出路徑62。與上述氧化氣體排出路徑64一樣，燃料氣體排出路徑62由形成於中間板24上的燃料氣體排出路徑槽248、面對陽極板23上的與中間板24的接觸表面23a和面對陰極板22上的與中間板24的接觸表面22a形成。因此，與氧化氣體供給路徑槽245和氧化氣體供給孔225一樣，每個燃料氣體供給路徑槽247和每個燃料氣體供給孔237具有相同的形狀和尺寸，使得在各個燃料氣體供給路線中，燃料氣體的壓力損失相等。
如圖4和圖7所示，冷卻介質流動路徑65是在隔離器25上由形成於中間板24上的冷卻介質流動路徑槽243、面對陽極板23的與中間板24的接觸表面23a和面對陰極板22的與中間板24的接觸表面22a形成的。冷卻介質流動路徑65的一端連接到冷卻介質供給歧管，另一端連接到冷卻介質排出歧管。
另外，如圖4的(a)所示，燃料氣體供給歧管、燃料氣體排出歧管、氧化氣體供給歧管和氧化氣體排出歧管每個都位於電池反應區域外邊界密封部分的外側。電池反應區域外邊界部分是密封構件50與隔離器25的接觸部分中圍繞燃料電池的電池反應區域DA的外邊界(圖4的(a)密封線SL)的接觸部分。同時，氧化氣體供給孔225、氧化氣體排出孔226、燃料氣體供給孔237和燃料氣體排出孔238每個都位於電池反應區域DA的端部，換言之，位於上述電池反應區域外邊界密封部分內。由此，燃料氣體供給路徑61、燃料氣體排出路徑62、氧化氣體供給路徑63和氧化氣體排出路徑64每個都從隔離器25內部穿過電池反應區域外邊界密封部分。另外類似地，冷卻介質流動路徑65連接到分別位於電池反應區域外邊界密封部分外側的冷卻介質供給歧管和冷卻介質排出歧管，並從隔離器25內部穿過電池反應區域外邊界密封部分。
圖4的(b)示出了圖4的(a)的sl1-sl1截面，換言之，示出了電池反應區域外邊界密封部件處的隔離器25和密封一體式MEA 21的截面。如圖4的(b)所示，電池反應區域外邊界密封部分處的截面具有交替排列的間隔部分和實體部分S，氧化氣體供給路徑63形成於所述間隔部分上。由此，實體部件S成為支撐物，抑制了面對陰極板22和面對陽極板23由於密封壓力造成的形變。注意，圖4的(a)中的sl3-sl3截面也具有相同的結構。
圖4的(c)示出了圖4的(a)中的sl2-sl2截面，換言之，示出了電池反應區域外邊界密封部分處的隔離器25和密封一體式MEA 21的截面。在該截面中，間隔部分和實體部分S交替排列，冷卻介質流動路徑65和燃料氣體排出路徑62形成於所述間隔部分上。由此，實體部件S成為支撐物，抑制了面對陰極板22和面對陽極板23由於密封壓力造成的形變。注意，圖4的(a)中的sl4-sl4截面也具有相同的構造。
燃料電池操作類似地，參考圖4到圖7對使用本實施例中隔離器構成的燃料電池的操作以及本實施例的隔離器的操作進行說明。
如圖5中箭頭所示，供給燃料電池10的氧化氣體經過上述氧化氣體供給路線，即氧化氣體供給歧管-氧化氣體供給路徑63-氧化氣體供給孔225這樣的路線行進，使氧化氣體供給到陰極側多孔層212。供給到多孔層212的氧化氣體被提供給陰極處的電化學反應。此後，如圖5中箭頭所示，氧化氣體經過氧化氣體排出孔226-氧化氣體排出路徑64-氧化氣體排出歧管，使氧化氣體排出到外部。這裡，如上所述，多孔層212具有較高的孔隙率，並在氧化氣體流過時具有足夠低的壓力損失，因此經過各個氧化氣體供給路線供給到陰極的氧化氣體的流量(flow volume)分布取決於各個氧化氣體供給路線各自的壓力損失。所以，氧化氣體供給路線的壓力損失基本上取決於氧化氣體供給路徑槽245和氧化氣體供給孔225的形狀和尺寸。因此，通過氧化氣體供給路徑槽245和氧化氣體供給孔225的形狀和尺寸，來對經過各個氧化氣體供給路線供給到陰極的反應氣體的流量進行控制。
採用這種實施例，如參考圖6所作的說明，氧化氣體供給路徑槽245和氧化氣體供給孔225具有相同的形狀和尺寸，所以每個氧化氣體供給路線的壓力損失相等。因此，經過各個氧化氣體供給路線供給到陰極的氧化氣體流量對於各個氧化氣體供給路線是相等的。
與氧化氣體一樣，供給到燃料電池10的燃料電池經過上述燃料氣體供給路線，即燃料氣體供給歧管-燃料氣體供給路徑61-燃料氣體供給孔237這樣的路線行進，使燃料氣體供給到陽極側多孔層212。供給到多孔層212的燃料氣體擴散在整個電池反應區域DA(未示出)，並被提供給陽極的電化學反應。此後，與氧化氣體一樣，燃料氣體經過燃料氣體排出孔238-燃料氣體排出路徑62-燃料氣體排出歧管，並排出到外部。
與氧化氣體供給路線一樣，各個燃料氣體供給路徑槽247和各個燃料氣體供給孔237的形狀和尺寸分別相等。因此，經過各個燃料氣體供給路線供給到陽極的燃料氣體流量對於各個燃料氣體供給路線是相等的。
如圖7中箭頭所示，供給到燃料電池10的冷卻介質經過冷卻介質供給歧管-冷卻介質流動路徑65-冷卻介質排出歧管行進，使冷卻介質排出到外部。冷卻介質主要在冷卻介質流動路徑65內的流動中通過吸收燃料電池10的熱能來冷卻燃料電池10。
如上所述，採用本實施例的隔離器25，設置了多個氧化氣體供給孔225而不是一個長孔，以用於各個氧化氣體供給路徑槽245。因此，隔離器25的氧化氣體供給孔225部分的強度提高，使氧化氣體的供給穩定。此外，由於能夠確保氧化氣體供給孔225部分的強度，所以可以將面對陰極板22製成薄板，使得燃料電池10製造得緊湊。此外，即使在彼此相鄰的一個氧化氣體供給孔225與另一個氧化氣體供給孔225之間的區域(圖6中陰影線所示區域)，隔離器25也與多孔層212接觸。因此，即使對於MEA中的與上述陰影部分對應的區域，所執行的電能產生也與電池反應區域DA的中央部分一樣，所以提高了燃料電池性能。並且，在隔離器的上述陰影部分處，通過對多孔層212進行限制，可以抑制多孔層212的形變。特別是，當氧化氣體供給孔225是一個長孔時，可能發生形變，例如發生多孔層212部分的彎曲；但是對於本實施例，這種情況得到了抑制。由此，在氧化氣體供給孔225部分及其周邊區域，減小了多孔層212與隔離器25的接觸電阻，提高了燃料電池性能。
此外，對於氧化氣體排出孔226、燃料氣體供給孔237和燃料氣體排出孔238部分，也具有與氧化氣體供給孔225相同的構造，所以對於氧化氣體排出孔226部分、燃料氣體供給孔237部分和燃料氣體排出孔238部分，也可以獲得相同的操作和效果。
另外，對於本實施例的隔離器25，並未形成通過用於傳統隔離器的半刻蝕處理而在面對陰極板22的整個電池反應區域DA上形成的氧化氣體流動路徑。對於本實施例的燃料電池10，多孔層212扮演了氧化氣體流動路徑的角色。在此情況下，為了實現氧化氣體的均勻供給，對氧化氣體分布進行控制就成為一個問題。具體而言，對於傳統的燃料電池，通過由半刻蝕處理在隔離器上形成的氧化氣體流動路徑的形狀(寬度、深度等)來控制氧化氣體流動時的壓力損失。由此，可以使流動到電池反應區域Da各個部分的氧化氣體的流量均勻。但是，對於本實施例的燃料電池10，將扮演了氧化氣體流動路徑角色的多孔層212的壓力損失在電池反應區域DA的各個部分處控制得均勻較為困難。這是因為難以對多孔層212上形成的細小孔的尺寸和分布進行控制。
考慮到這點，對於本實施例，採用具有足夠高孔隙率的物品作為多孔層212充分降低了多孔層212處的壓力損失。由此，在確定供給到電池反應區域DA各個位置的氧化氣體的流量時，上述氧化氣體供給路線(氧化氣體供給路徑槽245和氧化氣體供給孔225)處的壓力損失是主要因素。具體而言，通過氧化氣體供給路徑63和氧化氣體供給孔225的形狀和尺寸來控制所供給的氧化氣體的流量，所述形狀和尺寸確定了氧化氣體供給路線的壓力損失。由此，可以穩定地將氧化氣體供給到電池反應區域DA而不受多孔層212處壓力損失變化的影響。
此外，對於本實施例，使氧化氣體供給路徑槽245和氧化氣體供給孔225的形狀和尺寸相同，所以對於多個氧化氣體供給路徑的壓力損失相同。因此，從多個氧化氣體供給孔225供給的氧化氣體的流量對於各個氧化氣體供給孔225是相等的。由此，可以在整個電池反應區域DA上均勻地供給氧化氣體。
此外，在本實施例的隔離器25處，多個氧化氣體供給路徑槽245平行排列為沿電池反應區域DA的一側從一個邊緣延伸到另一個邊緣(對於圖4中的示例，從電池反應區域DA的上側的左邊緣延伸到右邊緣)。由此，可以將氧化氣體更均勻地供給到電池反應區域DA。
注意，對於本實施例，燃料氣體供給路徑槽247並未形成為從電池反應區域DA一側的一個邊緣延伸到另一個邊緣。燃料氣體(氫氣)具有比氧化氣體(空氣中的氧氣)更快的擴散速度。擴散速度主要取決於擴散係數和濃度梯度。氫氣的擴散係數約為氧氣擴散係數的四倍。而且，與燃料氣體使用純氫氣(氫氣濃度約為100％)的情況不同，氧化氣體使用了空氣(氧氣濃度約為20％)。因此可以看到，與燃料氣體中氫氣的擴散速度相比，氧化氣體中氧氣的擴散速度相當低。因此，如果在電池反應區域DA一側的一小部分處形成燃料氣體供給孔237，就可以充足地供給電池反應所需的氫氣。換句話說，對於燃料電池的電化學反應，氧氣分子的擴散速度較低，所以在陰極的三相界面處，通常存在對反應(2H++2e-+(1/2)O2·H2O)的速率限制。因此，採用重點集中在氧化氣體供給能力上的流動路徑設置與燃料電池性能的進一步提高相關。
另外，反應氣體(氧化氣體和燃料氣體)的供給和排出是通過從隔離器25內側穿過電池反應區域外邊緣密封部分的路徑(燃料氣體供給路徑61、燃料氣體排出路徑62、氧化氣體供給路徑63和氧化氣體排出路徑64)進行的，所以與密封部件50的接觸部分較平，隔離器與隔離器之間有優良的密封特性。
另外，隔離器25內部包括冷卻介質流動路徑65，燃料電池10的電池反應區域DA(MEA)得到了冷卻，所以可以抑制MEA的劣化。
此外，如參考圖4的(b)和圖4的(c)所述，在電池反應區域外邊緣密封部分上方的截面處，多個燃料氣體供給路徑61、燃料氣體排出路徑62、氧化氣體供給路徑63、氧化氣體排出路徑64和冷卻介質流動路徑65沿密封方向對準，使得間隔部分和實體部分交替布置。由此，抑制了面對陰極板22和面對陽極板23由於密封壓力而發生的形變。因此，可以抑制由於面對陰極板22和面對陽極板23的形變而造成的密封性能惡化和這些路徑61至65的堵塞。注意，抑制上述形變使得可以將面對陰極板22和面對陽極板23製成薄板。
另外，隔離器25的面對MEA的面對表面(面對陰極板22和面對陽極板23的MEA側表面)是平表面，所以MEA與隔離器25之間的接觸性能良好。特別是，MEA與隔離器25在整個表面上接觸，所以可以使內表面上的接觸壓力均勻。此外，由於外形不是在板22、23、24上模製的，所以可以抑制對於各個隔離器25的製造波動，並抑制燃料電池10中所含各個MEA與隔離器25之間的接觸壓力變化。由此，減小了MEA與隔離器25的接觸電阻並提高了燃料電池性能。
此外，可以降低層疊方向所需的壓力並降低由於燃料電池10結構部件(MEA和隔離器)上的壓力造成的破壞。因此，提高了燃料電池10的耐久度。
此外，隔離器25是三個平板(面對陰極板22、面對陽極板23和中間板24)接合得到的，所以各個平板之間的結合特性良好。由此，降低了隔離器25中的接觸電阻並提高了燃料電池性能。採用本實施例，可以用熱壓將三個板接合，但是除此之外也可以採用各種接合方法，例如擴散結合(diffused junction)、釺焊、焊接等。特別是，本實施例的三個板都用平板，所以容易接合，使得接合方法更具靈活性。
此外，本實施例的燃料電池10使用了密封一體式MEA 21，其MEA部分和密封部件50是一體的，所以模塊20具有由隔離器25與密封一體式MEA 21交替層疊的簡單結構。因此提高了燃料電池的生產率。
修改方案將參考圖8對第一修改方案的隔離器25進行說明。圖8示出了第一修改方案的隔離器俯視圖。圖8的(a)示出了整個隔離器25的俯視圖。圖8的(b)示出了圖8(a)中BB部分的放大俯視圖。圖8的(c)示出了圖8(a)中CC部分的放大俯視圖。對於此修改方案，只對與上述實施例的隔離器25不同的結構部分進行說明，而略去了對於那些相同結構部分的說明。
如圖8的(b)所示，在第一修改方案的隔離器25的面對陰極板22處，氧化氣體供給孔225大體上形成為四邊形。氧化氣體供給孔225的寬度形成為比氧化氣體供給路徑槽245的寬度(氧化氣體供給路徑63的寬度)大2×Δh。因此，在接合三個平板形成隔離器25時，即使在面對陰極板22相對於中間板24沿圖8(b)中的左右方向有位移時，只要左右方向兩者上的位移量在Δh內，則氧化氣體供給路徑63與氧化氣體供給孔225之間的連接區域也不會減小。多個氧化氣體供給路徑63具有如上所述得到抑制的、由於密封壓力造成的形變，所以需要某種程度的間隙，但是通過以此方式將氧化氣體供給孔225的寬度略微加寬，可以使所供給的氧化氣體在陰極側的電池反應區域DA處的分布更加均勻。
此外，對於該俯視圖，氧化氣體供給路徑槽245在與氧化氣體供給孔225相連的方向上的最遠端部分沿該方向比氧化氣體供給孔225在該方向的最遠端點突出Δh的量。因此，在將三個平板接合形成隔離器25時，由於安放誤差，即使當面對陰極板22相對於中間板24沿圖8的(b)中向下方向有位移時，如果沿向下方向位移量在Δh以內，則氧化氣體供給路徑63與氧化氣體供給孔225之間的連接面積不會減小。
如圖8的(c)所示，面對陽極板23上的燃料氣體供給孔237和中間板24上的燃料氣體供給路徑槽247具有相同構造。雖然略去了放大視圖，但是氧化氣體排出孔226與氧化氣體排出路徑槽246、以及燃料氣體排出孔238與燃料氣體排出路徑槽248也具有相同構造。因此，對於第一修改方案的隔離器25，在接合三個平板並形成隔離器25時，在面對陰極板22或面對陽極板23由於安放誤差而相對於中間板24沿上下方向或左右方向有位移時，可以抑制各個反應氣體流動路徑(61至64)與各個相應的反應氣體供給或排出孔(225、226、227、228)之間連接面積的減小或消失。
將參考圖9對第二修改方案的隔離器25進行說明。圖9是通過將第二修改方案的隔離器25與密封一體式MEA 21層疊在一起構成的模塊20的剖視圖。與上述實施例的隔離器25(參見圖2)不同，對於第二修改方案的隔離器25，面對陰極板22和面對陽極板23是用具有兩層結構的包層材料構成的。包層材料表示由通過軋制等方式接合的不同類型金屬製成的材料。
包層材料製成的面對陰極板22包括第一層22A和第二層22B，第一層22A具有與中間板24接觸的接觸表面，第二層22B具有面對MEA的面對表面。類似地，包層材料製成的面對陽極板23包括第一層23A和第二層23B，第一層23A具有與中間板24接觸的接觸表面，第二層23B具有面對MEA的面對表面。第二層22B和23B由抗腐蝕性比第一層22A和22B高的材料製成。例如，第一層22A和22B由不鏽鋼(SUS)構成，第二層23A和23B由鈦或鈦合金構成。第一層22A和22B可以由鈦構成，第二層22B和23B可以由鈦鈀合金構成。
隨著燃料電池的電化學反應，產生了氫離子，所以產生的水是酸性的。面對陰極板22和面對陽極板23中的面對MEA的表面與這樣產生的水接觸，所以在通過發電而施加電勢時，容易發生腐蝕。對於第二修改方案的隔離器25，位於面對MEA的表面那側的層由具有高抗腐蝕性的材料構成，所以提高了抗腐蝕性。另外，通過使用包層材料，可以比使用單獨抗腐蝕材料的情況更好地抑制接觸電阻的增大。
將參考圖10對第三修改方案的隔離器25進行說明。圖10示出了第三修改方案的密封一體式MEA和隔離器的各個結構部分的俯視圖。對於上述實施例，面對陰極板22上形成的氧化氣體供給孔225以及中間板24上形成的氧化氣體供給路徑槽245具有相同數量，氧化氣體供給孔225與氧化氣體供給路徑槽245之間具有一一對應關係。與此相比，對於第三修改方案的隔離器25，面對陰極板22上形成有2n(偶數)個氧化氣體供給孔225，中間板24上形成有n個氧化氣體供給路徑槽245。具體而言，氧化氣體供給孔225與氧化氣體供給路徑槽245之間具有二對一的對應關係。在此情況下，具有可以將氧化氣體供給路徑63的寬度設定得較寬的優點。由此，氧化氣體供給孔225與氧化氣體供給路徑槽245之間的關係不一定是一一對應，只要其設定能夠確保必要強度以抑制形變並考慮到確保必要的流動路徑寬度即可。
儘管已經在這些實施例和修改方案的基礎上對本發明進行了說明，但是此處所述的本發明的這些實施例和修改方案僅僅是為了便於理解本發明，而不表示對其的限制。在不偏離權利要求記載的本發明精神和範圍的情況下，本發明可以有多種修改方案和改進方案，這些修改方案和改進方案當然也包括在本發明的等同形式中。
權利要求
1.一種燃料電池隔離器，包括面對第一電極板，具有面對膜電極組件中第一電極的第一電池反應區域，其中所述第一電池反應區域是平坦的；面對第二電極板，具有面對所述膜電極組件中第二電極的第二電池反應區域，其中所述第二電池反應區域是平坦的；中間板，保持在所述面對第一電極板和所述面對第二電極板之間；其中，所述面對第一電極板、所述面對第二電極板和所述中間板分別包括反應氣體供給歧管開口，所述反應氣體供給歧管開口形成反應氣體供給歧管，所述反應氣體被供給到所述反應氣體供給歧管，其中所述反應氣體供給歧管在厚度方向上穿透所述隔離器，其中，所述面對第一電極板還包括多個反應氣體供給孔，所述反應氣體供給孔在厚度方向上穿透所述面對第一電極板並形成在所述第一電池反應區域的端部處，並且其中，所述中間板還包括多個反應氣體供給路徑開口，所述多個反應氣體供給路徑開口形成反應氣體供給路徑，其中每個所述反應氣體供給路徑的一端連接到所述反應氣體供給歧管，另一端連接到形成於所述面對第一電極板上的所述多個反應氣體供給孔中的至少一個，其中所述多個反應氣體供給路徑開口在厚度方向上穿透所述中間板。
2.根據權利要求1所述的隔離器，其中，所述反應氣體供給路徑開口的數量和所述反應氣體供給孔的數量相同，並且其中，所述反應氣體供給路徑開口與所述反應氣體供給孔一一對應。
3.根據權利要求1或2所述的隔離器，其中，根據所述反應氣體供給路徑和所述反應氣體供給孔的形狀和尺寸來控制從所述多個反應氣體供給孔供給到所述第一電極的反應氣體的流量。
4.根據權利要求3所述的隔離器，其中，在構成燃料電池時，布置在所述第一電極與所述面對第一電極板之間的多孔層作為用於使所述反應氣體流動的所述反應氣體流動路徑，並且其中，所述反應氣體供給路徑和所述反應氣體供給孔的反應氣體壓力損失大於所述多孔層的反應氣體壓力損失，從而通過所述反應氣體供給路徑和所述反應氣體供給孔的反應氣體壓力損失來控制從所述多個反應氣體供給孔供給到所述第一電極的所述反應氣體的流量。
5.根據權利要求3或4所述的隔離器，其中，所述多個反應氣體供給路徑開口分別具有相同的形狀和尺寸。
6.根據權利要求3至5中任一項所述的隔離器，其中，所述多個反應氣體供給孔分別具有相同的形狀和尺寸。
7.根據權利要求5或6所述的隔離器，其中，多個反應氣體供給路徑開口被形成為彼此分別平行。
8.根據權利要求7所述的隔離器，其中，所述面對第一電極板包括面對陰極的面對陰極板，其中，所述反應氣體供給歧管包括用於供給氧化氣體的氧化氣體供給歧管，並且其中，所述多個反應氣體供給路徑開口包括從所述第一電池反應區域的一個邊緣的一端到另一端布置的、用於所述氧化氣體流動的氧化氣體供給路徑開口。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的隔離器，其中，所述面對第一電極板、所述面對第二電極板和所述中間板還分別包括反應氣體排出歧管開口，所述反應氣體排出歧管開口形成反應氣體排出歧管，反應氣體從所述反應氣體排出歧管排出，其中所述反應氣體排出歧管在厚度方向上穿透所述隔離器，其中，所述面對第一電極板還包括多個反應氣體排出孔，所述反應氣體排出孔在厚度方向上穿透所述面對第一電極板，並形成在所述第一電池反應區域的與形成所述反應氣體供給孔的所述端部相反那側的端部處，並且其中，所述中間板還包括多個反應氣體排出路徑開口，所述多個反應氣體排出路徑開口形成反應氣體排出路徑，其中每個反應氣體排出路徑的一端連接到所述反應氣體排出歧管，另一端連接到所述多個反應氣體排出孔中的至少一個，其中所述多個反應氣體排出路徑開口在厚度方向上穿透所述中間板。
10.根據權利要求2至9中任一項所述的隔離器，其中，所述反應氣體供給孔或所述反應氣體排出孔的寬度比所連接的反應氣體供給路徑或所連接的反應氣體排出路徑的寬度更寬。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的隔離器，其中，所述面對第一電極板和所述面對第二電極板中的至少一者包括第一層，具有與所述中間板接觸的接觸表面；和第二層，具有在構成所述燃料電池時面對所述膜電極組件的面對表面，其中所述第二層由比所述第一層的材料具有更高抗腐蝕性的材料製成。
12.根據權利要求11所述的隔離器，其中，所述第一層的材料與所述第二層的材料的組合是以下情況之一a)所述第一層是不鏽鋼，所述第二層是鈦或鈦合金b)所述第一層是鈦，所述第二層是鈦鈀合金。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的隔離器，其中，所述反應氣體供給歧管開口、所述反應氣體供給孔和所述反應氣體供給路徑開口是通過衝裁處理形成的。
14.根據權利要求9至13中任一項所述的隔離器，其中，所述反應氣體排出歧管開口、所述反應氣體排出孔和所述反應氣體排出路徑開口是通過衝裁處理形成的。
全文摘要
本發明公開了一種隔離器，其面對MEA的區域是平的，該隔離器包括面對第一電極板和面對第二電極板。該隔離器包括反應氣體供給歧管，反應氣體供給到該反應氣體供給歧管。面對第一電極板包括形成在電池反應區域的端部處的多個反應氣體供給孔。中間板包括多個反應氣體供給路徑槽，所述反應氣體供給路徑槽形成反應氣體供給路徑，其中，每個反應氣體供給路徑的一端連接到反應氣體供給路徑，另一端連接到多個反應氣體供給孔中的至少一個。
文檔編號H01M8/02GK101073173SQ200580041750
公開日2007年11月14日 申請日期2005年12月1日 優先權日2004年12月8日
發明者乾文彥, 佐野誠治, 梶原隆, 宇佐美祥, 上野真, 八神裕一, 中村德彥, 佐藤博道, 大田佳史 申請人:豐田自動車株式會社