阅读说明：本技术 燃料电池分隔件 (Fuel cell separator ) 是由 河边聪 于 2019-05-23 设计创作，主要内容包括：一种燃料电池分隔件,其包括被构造成配置在膜电极组件之间的分隔件主体,并且包括形成在分隔件主体中的凹部和凸部。凸部包括被构造成面对膜电极组件的电极层的第一凸部。薄膜配置于各个第一凸部的表面。凹部包括在第一凸部的突出方向上开口的第一凹部。各个第一凹部被构造成形成通道,氧化气体或燃料气体通过所述通道被供应到电极层。各个薄膜的与膜电极组件的电极层接触的部分包括槽,所述槽连接到位于包括薄膜的一个第一凸部的相反两侧的通道中的至少一个通道。(A fuel cell separator includes a separator main body configured to be disposed between membrane electrode assemblies, and includes a concave portion and a convex portion formed in the separator main body. The convex portion includes a first convex portion configured to face an electrode layer of the membrane electrode assembly. The film is disposed on the surface of each first protrusion. The concave portion includes a first concave portion that opens in a protruding direction of the first convex portion. Each of the first recesses is configured to form a passage through which an oxidizing gas or a fuel gas is supplied to the electrode layer. The portion of each membrane in contact with the electrode layer of the membrane electrode assembly includes a groove connected to at least one of the channels on opposite sides of the channel including one first projection of the membrane.)

燃料电池分隔件

技术领域

以下说明涉及一种燃料电池分隔件。

背景技术

日本专利No.6199266公开了一种燃料电池，其包括膜电极组件(MEA)和两个分隔件，这两个分隔件在厚度方向上将MEA保持在这两个分隔件之间。膜电极组件包括电解质膜、阳极电极层和阴极电极层。阴极电极层连结到电解质膜的厚度方向上的相反表面中的一个表面。阳极电极层连结到电解质膜的厚度方向上的相反表面中的另一表面。在燃料电池中，分隔件将膜电极组件分隔并如上所述地在厚度方向上夹住膜电极组件。

如图5中示意性示出的，典型的分隔件51均包括分隔件主体53、凹部54和凸部55。分隔件主体53配置在膜电极组件52(电解质膜61、阳极电极层57和阴极电极层58)之间并且是导电的。凹部54和凸部55以彼此平行地交替配置的方式形成在分隔件主体53中。各个凸部55的表面均包括具有比分隔件主体53高的导电率的薄膜56。凸部55均利用位于凸部55与薄膜电极组件52的阳极电极层57或阴极电极层58之间的薄膜56与阳极电极层57或阴极电极层58接触。

分隔件主体53包括形成于位于面对膜电极组件52的阳极电极层57的凸部55之间的各个凹部54的内侧的通道59。通道59构造成将诸如氢气的燃料气体供应到阳极电极层57。分隔件主体53还包括形成于位于面对膜电极组件52的阴极电极层58的凸部55之间的各个凹部54的内侧的通道60。通道60构造成将诸如空气的氧化气体供应到阴极电极层58。

在燃料电池中，当燃料气体被供应到阳极电极层57并且氧化气体被供应到阴极电极层58时，燃料气体在膜电极组件52中与氧化气体反应，从而产生电力。该反应还在阴极电极层58中产生水。通过利用通道60中的氧化气体流，将以这种方式产生的水排出燃料电池。

膜电极组件52中的燃料气体与氧化气体的反应受到膜电极组件52和分离件主体53之间的电阻的影响。为了减小电阻的增加，在分隔件主体53的各个凸部55的表面上形成薄膜56。

在分隔件51中，位于分隔件主体53的厚度方向上的一侧(图5中的下侧)的凸部55利用位于凸部55与薄膜电极组件52的阴极电极层58之间的薄膜56与阴极电极层58接触。因此，当电力的产生在阴极电极层58中产生了水时，水会容易地保持在阴极电极层58和薄膜56之间。因此，阴极电极层58中产生的水可能不会完全通过氧化气体流排出燃料电池。这可能导致水聚集在阴极电极层58附近。阴极电极层58附近的水的聚集限制了氧化气体与阴极电极层58的接触。结果，氧化气体在膜电极组件52中不能完全扩散，从而使燃料气体与氧化气体的反应劣化。

在分隔件51中，位于分隔件主体53的厚度方向上的另一侧(图5中的上侧)的凸部55利用位于凸部55与膜电极组件52的阳极电极层57之间的薄膜56与阳极电极层57接触。当分隔件51的薄膜56中含有一定量的水分时，薄膜56容易减少电阻的增加。因此，当膜电极组件52变薄时，阴极电极层58中产生的水可以穿过电解质膜61并朝向阳极电极层57移动。在这种情况下，当分隔件51中的与膜电极组件52的阳极电极层57接触的薄膜56中含有水时，容易减少薄膜56中的电阻的增加。然而，如果在薄膜56和阳极电极层57之间保持超出必要程度的水使得水过度聚集在阳极电极层57附近，则燃料气体在阳极电极层57上的接触减少。这可能使膜电极组件52中的燃料气体与氧化气体的反应劣化。

发明内容

本公开的目的是提供一种燃料电池分隔件，其减少膜电极组件的电极层与形成在分隔件主体的凸部的表面上的薄膜之间的水的聚集。

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一系列概念，这些概念将在下面的

具体实施方式

中进一步说明。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

一种燃料电池分隔件，其包括被构造为配置在燃料电池中的膜电极组件之间的板状导电分隔件主体并且包括以彼此平行地交替配置的方式形成在分隔件主体中的凹部和凸部。凸部包括被构造成面对所述膜电极组件的电极层的第一凸部。各个所述第一凸部的表面配置有薄膜，所述薄膜具有比分隔件主体高的导电率。第一凸部被构造成利用位于第一凸部与膜电极组件的电极层之间的薄膜与电极层接触。凹部包括在所述第一凸部的突出方向上开口的第一凹部，并且各个第一凹部被构造成形成通道，氧化气体或燃料气体通过通道被供应到膜电极组件的电极层，通道位于各个所述第一凹部的内侧。各个薄膜的与膜电极组件的电极层接触的部分包括槽，槽在与通道相交的方向上延伸并连接到位于包括薄膜的一个第一凸部的相反两侧的通道中的至少一个通道。

从以下详细说明、附图和方案，其它特征和方面将是显而易见的。

附图说明

图1是示出燃料电池分隔件的截面图。

图2是从与阴极电极层接触的部分示出分隔件的立体图。

图3是从与阳极电极层接触的部分示出分隔件的立体图。

图4是示出槽的另一示例的立体图。

图5是示出典型的燃料电池分隔件的截面图。

具体实施方式

本说明书提供了对所说明的方法、装置和/或系统的全面理解。所说明的方法、装置和/或系统的变型和等同方案对于本领域技术人员来说是显而易见的。操作顺序是示例性的，并且对于本领域技术人员而言显然可以改变，除了必须以特定顺序发生的操作以外。可以省略对本领域技术人员而言公知的功能和结构的说明。

示例性实施方式可以具有不同的形式，并且不限于所说明的示例。然而，所说明的示例是彻底和完整的，并且将本公开的全部范围传达给本领域技术人员。

现在将参考图1至图3说明根据实施方式的燃料电池分隔件。

在图1所示的燃料电池中，膜电极组件1在厚度方向(图1中的竖直方向)上均被保持在两个分隔件2之间。换言之，燃料电池中的膜电极组件1通过分隔件2彼此隔开。燃料电池的膜电极组件1均包括电解质膜3、阳极电极层4和阴极电极层5。阴极电极层5连结到电解质膜3的相反表面中的厚度方向上的上表面。阳极电极层4连结到电解质膜3的相反表面中的厚度方向上的下表面。一个膜电极组件1和在厚度方向上保持膜电极组件1的两个分隔件2构成一个电池单元。燃料电池包括通过在厚度方向上层叠电池单元而构造的电池堆。

分隔件2包括板状分隔件主体6、凹部7和凸部8。分隔件主体6位于膜电极组件1之间。凹部7和凸部8以彼此平行地交替配置的方式形成在分隔件主体6中。分隔件主体6由诸如钛和不锈钢的导电材料制成。凹部7和凸部8形成于分隔件主体6的厚度方向上的一侧(图1中的下侧)和另一侧(图1中的上侧)。

如图1所示，在位于膜电极组件1的上侧的分隔件主体6中，位于分隔件主体6的厚度方向上的一侧(图1中的下侧)的凸部8利用位于凸部8与膜电极组件1的阴极电极层5之间的薄膜9与阴极电极层5接触。薄膜9配置于凸部8的表面。薄膜9由诸如碳、金和铂等的导电率高于分隔件主体6的导电率的材料制成。通过喷墨打印，薄膜9形成为具有例如10nm至900μm的厚度。薄膜9具有比分隔件主体6高的亲水性。通道10形成于分隔件主体6的凹部7的内侧，凹部7在凸部8的突出方向上(图1中的下侧)开口，凸部8具有位于凸部8的表面的薄膜9。通过通道10将氧化气体(例如空气)供应到膜电极组件1的阴极电极层5。即，当分隔件主体6的凸部8中的面对膜电极组件1的阴极电极层5的凸部被称为第一凸部时，薄膜9配置于各个第一凸部的表面。第一凸部利用位于第一凸部与膜电极组件1的阴极电极层5之间的薄膜9与阴极电极层5接触。此外，当分隔件主体6的凹部7中的在第一凸部的突出方向上开口的凹部被称为第一凹部时，供氧化气体(例如，空气)通过以供应到膜电极组件1的阴极电极层5的通道10形成于第一凹部的内侧。

在图1中，由实线所示的膜电极组件1和在厚度方向上夹住膜电极组件1的由实线所示的两个分隔件2构成的电池单元被称为第一电池单元。如图1所示，位于第一电池单元的上侧的第二电池单元的分隔件主体6位于第一电池单元中的膜电极组件1的上分隔件主体6的上侧。在分隔件主体6中彼此面对的凸部8通过中间层15彼此接触。即，当分隔件主体6的凸部8中的面对另一分隔件主体6的凸部被称为第二凸部时，在分隔件主体6中彼此面对的第二凸部通过中间层15彼此接触。以这种方式彼此面对的凸部8(第二凸部)在图1中的侧向上彼此平行地配置。通道16由相面对的凸部8的在侧向上的相反两侧的凹部7的开口形成。冷却液(例如，冷却剂)流过通道16。即，当分隔件主体6的凹部7中的在第二凸部的突出方向上开口的凹部被称为第二凹部时，供冷却液(例如，冷却剂)流过的通道16由分隔件主体6的第二凹部的开口形成。

如图1所示，在位于膜电极组件1的下侧的分隔件主体6中，位于分隔件主体6的厚度方向的上侧的凸部8利用位于该凸部8与膜电极组件1的阳极电极层4之间的薄膜11与阳极电极层4接触。薄膜11配置于凸部8的表面。薄膜11由诸如碳、金和铂等的导电率高于分隔件主体6的导电率的材料制成。通过喷墨打印，薄膜11形成为具有例如10nm至900μm的厚度。薄膜11具有比分隔件主体6高的亲水性。通道12形成于分隔件主体6的凹部7的内侧，凹部7在凸部8的突出方向上(图1中的上侧)开口，凸部8具有位于凸部8的表面的薄膜11。通过通道12将燃料气体(例如，氢气)供应到膜电极组件1的阳极电极层4。即，当分隔件主体6的凸部8中的面对膜电极组件1的阳极电极层4的凸部被称为第一凸部时，薄膜11配置于各个第一凸部的表面。第一凸部利用位于第一凸部与膜电极组件1的阳极电极层4之间的薄膜11与阳极电极层4接触。此外，当分隔件主体6的凹部7中的在第一凸部的突出方向上开口的凹部被称为第一凹部时，供燃料气体(例如，氢)通过以供应到膜电极组件1的阳极电极层4的通道12形成于第一凹部的内侧。

如上所述，在图1中，由实线所示的膜电极组件1和在厚度方向上夹住膜电极组件1的由实线所示的两个分隔件2构成的电池单元被称为第一电池单元。如图1所示，位于第一电池单元的下侧的第三电池单元的分隔件主体6位于第一电池单元中的膜电极组件1的下分隔件主体6的下侧。在分隔件主体6中彼此面对的凸部8(第二凸部)通过中间层15彼此接触。以这种方式彼此面对的凸部8(第二凸部)在图1中的侧向上彼此平行地配置。通道16由相面对的凸部8(第二凸部)的在侧向上的相反两侧的凹部7(第二凹部)的开口形成。冷却剂(冷却液)流过通道16。

在燃料电池中，氢(燃料气体)通过通道12供应到膜电极组件1的阳极电极层4，并且空气(氧化气体)通过通道10供应到膜电极组件1的阴极电极层5。在膜电极组件1中氢与空气反应，从而产生电力。该反应还在阴极电极层5中产生水。

更具体地，当氢被供应到膜电极组件1的阳极电极层4时，电子从氢原子中取出并传递到阳极电极层4。然后，电子流过从阳极电极层4到阴极电极层5的外部电路(未示出)的导体。当电子被引入阳极电极层4时，氢离子(质子)带正电。该离子通过膜电极组件1的电解质膜3、移动到阴极电极层5。在供给了空气的膜电极组件1的阴极电极层5中，如上所述流动的电子被氧分子接收、变成氧离子。此外，从阳极电极层4通过电解质膜3移动到阴极电极层5的氢离子与氧离子结合，从而在阴极电极层5中产生水。以这种方式产生的水通过通道10中的空气流被排出燃料电池。

薄膜(薄膜9或薄膜11)配置于分隔件主体6的构造成面对电极层(阳极电极层4或阴极电极层5)的各个凸部8(第一凸部)的表面。这是因为薄膜(薄膜9或薄膜11)减少了膜电极组件1和分隔件主体6之间的电阻的增加，使得电阻的增加不会防止膜电极组件1中的氢与空气的反应。

现在将详细说明薄膜9和11。

如图2所示，薄膜9的与膜电极组件1的阴极电极层5接触的部分(图2中的下表面)包括槽13。槽13在与通道10相交的方向上延伸以连接到通道10。槽13在凸部8延伸的方向上彼此间隔开。各个槽13的纵向上的一端连接到通道10。更具体地，在凸部8延伸的方向上彼此相邻的槽13连接到位于相应的凸部8(第一凸部)的相反两侧的不同通道10。即，在凸部8延伸的方向上相邻的槽13中的一个槽连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道10中的一个通道，并且相邻的槽13中的另一个槽连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道10中的另一个通道。

如图3所示，薄膜11的与膜电极组件1的阳极电极层4接触的部分(图3中的上表面)包括槽14。槽14在与通道12相交的方向上延伸、连接到通道12。槽14在凸部8延伸的方向上彼此间隔开。各个槽14的纵向上的一端连接到通道12。更具体地，在凸部8延伸的方向上彼此相邻的槽14连接到位于相应的凸部8(第一凸部)的相反两侧的不同的通道12。即，在凸部8延伸的方向上相邻的槽14中的一个槽连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道12中的一个通道，并且相邻的槽14中的另一个槽连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道12中的另一个通道。

现在将说明本实施方式中的分隔件2的操作。

当燃料电池中电力的产生在膜电极组件1的阴极电极层5中产生水时，水保持在阴极电极层5和薄膜9之间。结果，在阴极电极层5中产生的水不能通过通道10中的空气流完全排出燃料电池。因此，水可能聚集在阴极电极层5附近。阴极电极层5附近的水的聚集限制了空气与阴极电极层5的接触。结果，氧化气体在膜电极组件1中不能完全扩散，从而使燃料气体与氧化气体的反应劣化。

然而，在本实施方式的分隔件2中，薄膜9中的槽13限制了由于燃料电池中的电力产生而在膜电极组件1的阴极电极层5中产生的水保持在阴极电极层5和薄膜9之间的情况。即，阴极电极层5和薄膜9之间的水经由薄膜9中的槽13从供空气流过的通道10排出。此外，通道10中的空气流使水被排出燃料电池。

当薄膜9和11中含有一定量的水分时，薄膜9和11容易减少电阻的增加。因此，当膜电极组件1变薄时，在阴极电极层5中产生的水可能会穿过电解质膜3并朝向阳极电极层4移动。在这种情况下，当分隔件2中与膜电极组件1的阳极电极层4接触的薄膜11中含有水时，容易减少薄膜11中的电阻的增加。如果在薄膜11和阳极电极层4之间保持超出必要程度的水使得水过量地聚集在阳极电极层4附近，则阳极电极层4上的燃料气体(氢)的接触受到限制。这可能使膜电极组件1中的燃料气体与氧化气体的反应劣化。

然而，在本实施方式的分隔件2中，槽14形成在与阳极电极层4接触的薄膜11中。因此，薄膜11的槽14限制了在阳极电极层4和薄膜11之间保持超出必要程度的水。即，阳极电极层4和薄膜11之间的过量水经由薄膜11中的槽14排出供燃料气体(氢)流过的通道12。此外，通道12中的燃料气体流将水排出燃料电池。

本实施方式具有以下优点。

(1)在膜电极组件1的阴极电极层5中，电力的产生产生水。限制水在阴极电极层5和薄膜9之间聚集，其中薄膜9配置于分隔件主体6的凸部8(第一凸部)的表面。

(2)各个槽13的纵向上的一端连接到通道10。这使得薄膜9和膜电极组件1的阴极电极层5之间的水经由槽13容易地排出通道10。各个槽13的纵向上的相反两端中的一端连接到通道10并且相反两端中的另一端不连接到通道10。结果，压力在槽13中容易增加，从而促进薄膜9和阴极电极层5之间的水的排出。

(3)当薄膜9的亲水性低时，在槽13的内表面上容易排斥槽13中的水。这限制了水在槽13中的移动，从而限制了水在被排放到通道10的方向上的移动。然而，薄膜9具有比分隔件主体6高的亲水性。因此，薄膜9的槽13中的水容易在槽13的内表面上扩散。这有利于水在从槽13排放到通道10的方向上的移动。

(4)即使当在膜电极组件1的阴极电极层5中产生的水朝向阳极电极层4移动时，薄膜11的槽14也限制了在阳极电极层4和配置于分隔件主体6的凸部8(第一凸部)的表面的薄膜11之间保持超出必要程度的水。这限制了过量的水聚集在膜电极组件1的阳极电极层4和配置于分隔件主体6的凸部8(第一凸部)的表面的薄膜11之间。

(5)各个槽14的纵向上的一端连接到通道12。这使得薄膜11和膜电极组件1的阳极电极层4之间的水由于与上述优点(2)相同的原因经由槽14被容易地排出通道12。

(6)薄膜11具有比分隔件主体6高的亲水性。因此，出于与上述优点(3)相同的原因，槽14中的水容易在水被排出到通道12的方向上移动。

可以如下所述地修改上述实施方式。

分隔件主体6由钛或不锈钢制成。替代地，分隔件主体6可以由诸如碳的其它类型的导电材料制成。

在凸部8延伸的方向上彼此相邻的槽13可以连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道10中的同一个通道。以相同的方式，在凸部8延伸的方向上彼此相邻的槽14可以连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道12中的同一个通道。

如图4所示，各个槽13可以构造成使得槽13的纵向上的相反两端中的一端连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道10中的一个通道并且槽13的纵向上的相反梁端中的另一端连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道10中的另一通道。以相同的方式，各个槽14可以构造成使得槽14的纵向上的相反两端中的一端连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道12中的一个通道并且槽14的纵向上的相反两端中的另一端连接到夹住相应的凸部8(第一凸部)的相反的通道12中的另一通道。

分别包括槽13和14的薄膜9和11通过喷墨打印形成。因此，可以使用喷墨打印的图案调整来改变薄膜9和11的槽13和14的形状。

可以省略薄膜9的槽13或薄膜11的槽14。

薄膜9和11并非必须具有比分隔件主体6高的亲水性。

在不脱离权利要求及其等同方案的主旨和范围的情况下，可以对以上示例进行形式和细节上的各种改变。这些示例仅用于说明，而不是为了限制的目的。每个示例中的特征的说明被认为适用于其它示例中的类似特征或方面。如果序列以不同的顺序执行，并且/或者如果所说明的系统、架构、设备或电路中的组成部件被不同地组合，并且/或者由其它组成部件或其等同物替换或补充，也可以实现适当的结果。本公开的范围不受详细的说明书的限定，而是由权利要求及其等同方案限定。权利要求及其等同方案的范围内的所有变化均包括在本公开中。