燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池包括膜電極組件(在后文中稱為MEA)，其中電極與電解質(zhì)膜的膜表面、陽極通道和陰極通道結(jié)合，且接收從通道供給的燃料氣體和氧化氣體的供給，以發(fā)電。近年來，頻繁地使用孔眼金屬，所述孔眼金屬通過在薄金屬板上執(zhí)行模壓來形成。在孔眼金屬中設(shè)置了具有網(wǎng)格形狀的孔眼通道，以與從氣體供給側(cè)流向氣體排出側(cè)的氣體的流動(dòng)方向交叉，且孔眼通道將氣體供給側(cè)和氣體排出側(cè)連接同時(shí)纏繞。當(dāng)氣體通過網(wǎng)格形狀的通道時(shí)，當(dāng)氣體通過通道的彎曲部分時(shí)發(fā)生了壓力損失，且壓力損失傾向于導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電性能的降低。為應(yīng)對(duì)此情況，提出了用于抑制氣體供給側(cè)上的壓力損失的方法。
[0003]在日本專利申請(qǐng)公開N0.2009-26472 (JP 2009-26472 A)中，在包括孔眼金屬的燃料電池組中，孔眼金屬形成為使得在氣體下游側(cè)上的氣體的壓力損失增加為大于在氣體上游側(cè)上的壓力損失，且在供給到發(fā)電元件的氣體的量方面的不均勻性被降低，而不過大地增加在整個(gè)孔眼金屬中的氣體的壓力損失。另外，在日本專利申請(qǐng)公開N0.2010-170984 (JP2010-170984A)中，在如下燃料電池組中，即其中氣體通道由燃料電池組的孔眼金屬形成的燃料電池組中，氣體通道形成為使得氣體流動(dòng)而不重復(fù)小的轉(zhuǎn)彎，且氣體的壓力損失因此降低。在氣體的流動(dòng)方向的轉(zhuǎn)彎位置處，已達(dá)到轉(zhuǎn)彎位置處的氣體的流動(dòng)方向改變，且因此氣體局部地被引導(dǎo)到MEA的電極表面，或引導(dǎo)到背離電極表面的側(cè)。作為結(jié)果，在轉(zhuǎn)彎位置處，發(fā)生了水從MEA的蒸發(fā)或水到MEA中的浸透，MEA的濕度的惡化可能在水蒸發(fā)過大時(shí)發(fā)生，且MEA的浸沒可能在水浸透過大時(shí)發(fā)生。然而，在以上所述的JP 2009-26472A和JP 2010-170984A中，這些問題未被考慮。另外，在其中孔眼通道是陰極側(cè)上的通道的情況中，供給氫氣的陽極通道存在于越過MEA的陽極側(cè)上，在以上所述的JP 2009-26472A和JP2010-170984A中，未考慮到與陽極通道的此關(guān)系。因此，希望抑制氣體供給側(cè)上的氣體的壓力損失和浸沒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了燃料電池，其中在氧化氣體供給側(cè)上的壓力損失和浸沒被抑制。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種燃料電池。燃料電池包括:膜電極組件，該膜電極組件包括電解質(zhì)膜和電極，該電極被結(jié)合到電解質(zhì)膜的膜表面；陽極側(cè)通道形成部分，該陽極側(cè)通道形成部分具有燃料氣體供給孔和燃料氣體排出孔，且形成了作為曲折通道的陽極通道，該陽極通道將燃料氣體供給到膜電極組件的電極中的一個(gè)電極，在曲折通道中燃料氣體的流動(dòng)方向反轉(zhuǎn)多次，該陽極通道從燃料氣體供給孔延伸到燃料氣體排出孔；和陰極側(cè)通道形成部分，該陰極側(cè)通道形成部分具有氧化氣體供給孔和氧化氣體排出孔，且形成了作為網(wǎng)格狀通道的陰極通道，該陰極通道將氧化氣體擴(kuò)散且將氧化氣體供給到膜電極組件的另一個(gè)電極，該陰極通道從氧化氣體供給孔延伸到氧化氣體排出孔。陰極側(cè)通道形成部分包括多個(gè)通道形成元件列，所述多個(gè)通道形成元件列從氧化氣體供給孔到氧化氣體排出孔沿從氧化氣體供給孔延伸到氧化氣體排出孔的第一方向連續(xù)地設(shè)置；該通道形成元件列中的每個(gè)通過沿與第一方向相交的第二方向連續(xù)地設(shè)置多個(gè)通道形成元件來形成；多個(gè)通道形成元件列連續(xù)地設(shè)置，使得在用作網(wǎng)格狀通道的陰極通道中流動(dòng)的氧化氣體的流動(dòng)方向每隔預(yù)定數(shù)目個(gè)通道形成元件列在第一傾斜方向和第二傾斜方向上延伸，該預(yù)定數(shù)目是2或更大的整數(shù)；第一傾斜方向相對(duì)于第一方向向一側(cè)傾斜，第二傾斜方向相對(duì)于第一方向向另一側(cè)傾斜，且第一傾斜方向和第二傾斜方向相對(duì)于第一方向?qū)ΨQ；通過使在該氧化氣體供給孔側(cè)上的上游側(cè)通道區(qū)域中的該預(yù)定數(shù)目與在該氧化氣體排出孔側(cè)上的下游側(cè)通道區(qū)域中的預(yù)定數(shù)目不同，來使在該上游側(cè)通道區(qū)域中氧化氣體的流動(dòng)方向返回到原始方向的轉(zhuǎn)彎間隔與在該下游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎間隔不同；在上游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎間隔和在下游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎間隔之間的比值設(shè)定為1.1:1至3:1 ;且上游側(cè)通道區(qū)域與由陽極側(cè)通道形成部分形成的用作曲折通道的陽極通道的最下游側(cè)通道部分在膜電極組件介于上游側(cè)通道區(qū)域和最下游側(cè)通道部分之間的情況下重疊。
[0006]在具有以上構(gòu)造的燃料電池中，在用于供給氧化氣體的網(wǎng)格陰極通道中，氧化氣體的流動(dòng)方向返回到原始方向的轉(zhuǎn)彎間隔在上游側(cè)通道區(qū)域和下游側(cè)通道區(qū)域中的每個(gè)中設(shè)定為使得在上游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎間隔Tu大于在下游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎間隔Td0以此構(gòu)造，在作為氧化氣體供給側(cè)的上游側(cè)通道區(qū)域中，可降低氧化氣體的流動(dòng)方向改變的轉(zhuǎn)彎位置的數(shù)目，可抑制氣體的壓力損失。除此之外，在具有以上所述的構(gòu)造的燃料電池中，通過將上游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎間隔Tu和下游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎間隔Td之間的比值Tu:Td設(shè)定為1.1:1至3:1，與在下游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎位置的數(shù)目相比，在上游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎位置的數(shù)目不過度地降低，或與上游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎位置的數(shù)目相比，下游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎位置的數(shù)目不過度地增加，且轉(zhuǎn)彎位置在上游側(cè)通道區(qū)域中和在下游側(cè)通道區(qū)域中以良好地平衡的方式設(shè)置。以此構(gòu)造，可抑制水到膜電極組件中的浸透，該浸透傾向于在其中設(shè)置了許多轉(zhuǎn)彎位置的下游側(cè)通道區(qū)域中發(fā)生。作為結(jié)果，在具有以上所述的構(gòu)造的燃料電池中，可抑制作為氧化氣體供給側(cè)的上游側(cè)通道區(qū)域中的氧化氣體的壓力損失和浸沒。除此之外，在具有以上所述的構(gòu)造的燃料電池中，可通過如下方式增加由陽極側(cè)通道形成部分形成的用作曲折通道的陽極通道的最下游側(cè)通道部分的相對(duì)濕度。因?yàn)橛米髑弁ǖ赖年枠O通道的最下游側(cè)通道部分與陰極通道的上游側(cè)通道區(qū)域在電解質(zhì)膜介于最下游側(cè)通道部分和上游側(cè)通道區(qū)域之間的情況下重疊，所以由于由氧化氣體去除水或供給干氧化氣體，相對(duì)濕度傾向于降低。然而，在具有以上所述的構(gòu)造的燃料電池中，通過降低上游側(cè)通道區(qū)域中的轉(zhuǎn)彎位置的數(shù)目來抑制水從膜電極組件的蒸發(fā)，且因此可將被包含在膜電極組件中的水送到陽極通道的最下游側(cè)通道部分。因此，在具有以上所述構(gòu)造的燃料電池中，可增加用作曲折通道的陽極通道的最下游側(cè)通道部分的相對(duì)濕度。
[0007]在根據(jù)以上所述方面的燃料電池中，上游側(cè)通道區(qū)域的沿第一方向的通道寬度可等于用作曲折通道的陽極通道的最下游側(cè)通道部分的通道寬度。以此構(gòu)造，可更可靠地增加用作曲折通道的陽極通道的最下游側(cè)通道部分的相對(duì)濕度。
[0008]在根據(jù)以上所述方面的燃料電池中，上游側(cè)通道區(qū)域的沿第一方向的通道寬度可設(shè)定為陰極通道的沿第一方向的整個(gè)通道寬度的50%或更小。以此構(gòu)造，可確保如下上游側(cè)通道區(qū)域，其中轉(zhuǎn)彎位置的數(shù)目降低使得抑制了水從膜電極組件的蒸發(fā)且來自膜電極組件的水可被送到陽極通道的最下游側(cè)通道部分。因此，可甚至更可靠地增加用作曲折通道的陽極通道的最下游側(cè)通道部分的相對(duì)濕度。
[0009]在根據(jù)以上所述方面的燃料電池中，陽極通道作為曲折通道可形成在陽極側(cè)通道形成部分的表面中的一個(gè)表面上，該陽極通道由溝槽形成，該溝槽在電極中的一個(gè)電極側(cè)上開口 ；陽極側(cè)通道形成部分可具有冷卻劑供給孔和冷卻劑排出孔，且可包括多個(gè)冷卻劑通道，其中冷卻劑從冷卻劑供給孔流向冷卻劑排出孔，所述多個(gè)冷卻劑通道形成在與陽極通道相反的表面上；且所述多個(gè)冷卻劑通道可被形成為使得冷卻劑的第一流量大于冷卻劑的第二流量，其中，冷卻劑的第一流量是經(jīng)過用作曲折通道的陽極通道的最下游側(cè)通道部分的背側(cè)在從冷卻劑供給孔延伸到冷卻劑排出孔的冷卻劑通道中流動(dòng)的冷卻劑的流量，并且冷卻劑的第二流量是經(jīng)過用作曲折通道的陽極通道中的最下游側(cè)通道部分的上游的部分的背側(cè)在從冷卻劑供給孔延伸到冷卻劑排出孔的冷卻劑通道中流動(dòng)的冷卻劑的流量。以此構(gòu)造，可通過有效率地冷卻最下游側(cè)通道部分(所述最下游側(cè)通道部分由于相對(duì)濕度的降低而傾向于被干燥)來抑制水的蒸發(fā)，且因此可抑制干燥。
【附圖說明】
[0010]在下文中將參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例的特征、優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)和工業(yè)重要性，其中類似的附圖標(biāo)記指示類似的元件，且其中:
[0011]圖1是示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組10的構(gòu)造的示意性透視圖；
[0012]圖2是示意性地示出了終端板160F、燃料電池100和終端板160E的布置狀態(tài)的解釋視圖；
[0013]圖3是以分解方式示出了燃料電池100的構(gòu)造的示意性透視圖；
[0014]圖4是示出了陽極側(cè)分離器120的構(gòu)造的示意性平面圖；
[0015]圖5是其中形成在陽極側(cè)分離器120的前部和背部上的燃料氣體通道200和冷卻劑通道204彼此重疊且被示出的解釋圖；
[0016]圖6示出了沿圖4中的放大的C部分中的線V1-VI截取的燃料電池組10的示意性截面；
[0017]圖7是示意性地示出了當(dāng)在平面圖中觀察陰極側(cè)分離器130時(shí)氣體通道構(gòu)件150中的通道區(qū)域的部分區(qū)域的狀態(tài)的解釋圖；
[0018]圖8是示意性地示出了當(dāng)從氧化氣體供給孔104IN側(cè)上的氣體上游側(cè)觀察上游側(cè)通道區(qū)域Ru的一部分時(shí)的通道構(gòu)造的解釋圖；
[0019]圖9是示意性地示出了當(dāng)從氧化氣體供給孔104IN側(cè)上的氣體上游側(cè)觀察下游側(cè)通道區(qū)域Rd的一部分時(shí)的通道構(gòu)造的解釋圖；
[0020]圖10是示出了轉(zhuǎn)彎間隔和燃料電池的輸出之間的關(guān)系的曲線圖；
[0021]圖11是示出了在分離器中心區(qū)域137中的上游側(cè)通道區(qū)域Ru的占據(jù)狀態(tài)和在上游側(cè)通道區(qū)域Ru和燃料氣體通道200之間的重疊狀態(tài)的解釋圖；
[0022]圖12是示出了在氣體通道構(gòu)件150的分離器中心區(qū)域137中的上游側(cè)通道區(qū)域Ru的占據(jù)率和燃料電池的輸出之間的關(guān)系的曲線圖；
[0023]圖13是示出了在測(cè)試燃料電池TP5中的燃料氣體通道200的每個(gè)通道區(qū)域的相對(duì)濕度的實(shí)際測(cè)量結(jié)果的解釋圖；
[0024]圖14A和圖14B是每個(gè)示出了與本實(shí)施例的燃料電池100對(duì)應(yīng)的測(cè)試燃料電池TP5和測(cè)試燃料電池TP6之間的性能比較的解釋圖；并且
[0025]圖15是在如在圖6的情況中在截面圖中觀察燃料電池組10的情況中上游側(cè)通道區(qū)域Ru的示意截面和下游側(cè)通道區(qū)域Rd的示意截面彼此比較的解釋圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]在下文中，將基于附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是示出了本實(shí)施例的燃料電池組10的構(gòu)造的示意性透視圖。燃料電池組10具有堆疊結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)燃料電池100在Z方向(也稱為“堆疊方向”)上堆疊且保持在一對(duì)端板170F和170E之間。燃料電池組10包括在其一個(gè)端側(cè)上的端板170F和燃料電池100之間布置的終端板160F，使得絕緣板165F布置在終端板160F和端板170F之間。在下文中，燃料電池組10的設(shè)置有端板170F的一個(gè)端側(cè)為描述方便起見稱為前端側(cè)，并且在圖