燃料电池及其电池单元和电堆结构体制造技术

本发明专利技术提供了一种燃料电池及其电池单元和电堆结构体。电池单元包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在所述第一和第二隔片之间的膜电极接合体，所述电池单元具有从电池单元延伸的面穿过所述第一隔片、第二隔片和所述膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部，其中至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在所述电池单元的中央区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池及其电池单元和电堆结构体
本专利技术涉及燃料电池，尤其是涉及高输出密度和高容量的燃料电池的电池单元和电堆结构体。
技术介绍
燃料电池是通过氢和氧经由电解质进行化学反应从而进行发电的装置，由于有助于减轻环境负荷等，因此有望得以实用化和普及。并且，燃料电池根据所使用的电解质的种类的不同，其发电温度、特性也存在差异，主要根据使用何种物质作为电解质来进行分类。大致进行区分的话，存在固体高分子电解质型(PEFC)、固体氧化物型(SOFC)、磷酸型(PAFC)以及溶融碳酸盐型(MCMF)这四种。例如，在固体高分子电解质型燃料电池(PEFC)中具备下述电解质膜·电极接合体(MEA)，即：在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的一个面配置阳极电极，在另一个面配置阴极电极。通过隔片夹持MEA来构成电池单元。PEFC的优点是工作温度低至60℃～90℃，即使小型化也具有良好的输出效率。PEFC燃料电池可用于汽车中。PEFC燃料电池还用于太阳能电池组合储能、通信天线的预备电池、人口稀少地区的电源、无人机等。正和负的电极板夹住电解质膜的结构被称为电池单元。电池单元的正极(氧极)和负极(氢极)中存在有数量较多的细的流路，通过使由外部源提供的氧和氢夹着电解质膜通过该流路，从而发生反应，产生电。由于一组电池单元的输出有限，为了能够获得所需的输出，重叠多个电池并封装得到一个器件，称之为电堆型燃料电池。对于燃料电池，要求具有高输出密度和高容量(高能量密度)。即，为了使燃料电池高效地发电，需要使构成燃料电池堆的各个电池单元高效地发电。为此，需要进行设计使得提供给各电池单元的氢、冷却水、空气等各种流体的供给变得均匀。燃料电池的输出与膜面积成比例，与其容积不成比例。对于尝试实现电堆型燃料电池的小型高输出化，增大电池单元的面积(催化剂反应面积)、缩短电池单元的间距是最为有效的。通过使催化剂反应面积增大，能够有效地增大堆的发电电流。此外，通过使间距缩短，能够提高燃料电池的输出密度。但是，仅仅增大电池单元的面积或缩短间距，会导致氢、冷却水、空气等各种流体通过电池单元的内表面时的压力损耗变大。过大的压力损耗会导致电池的发电效率下降，因此需要努力尽可能减少损耗。并且在现有技术中，通过共用通道的周边配置和各种流体的流动的交叉配置，使燃料气体、冷却介质或氧化气体的流动阻力变大，也无法获得较大的电池单元的面积。非专利文献1和专利文献2中公开的燃料电池中，采用的是在催化剂层周围设置共用通道的结构，因此欠缺能够二维扩展催化剂反应面积的灵活性。此外，关于非专利文献1公开的车辆搭载用的燃料电池，由于流路的流动分布以三维方式交叉，因此催化剂反应面积的扩大更为困难。并且，关于专利文献1公开的燃料电池，由于形成于隔片的流路的沟道较深，因此存在下述缺点，即：局部形变应力集中施加到与该流路沟道的角部接触的发电功能层，从而导致耐久性的减少，燃料电池的寿命产生较大的问题。专利文献3提供一种宽度方向宽的低长宽比构造的燃料电池，其在膜电极接合体的对向的两个边的外周部设有多个燃料气体流路开口部、冷却水流路开口部及氧化气体流路开口部。这种设计虽然有助于二维扩展催化剂反应面积，但是当宽度方向继续扩大时，流体通过电池单元的内表面时的压力损耗仍然会大到不可接受。通道由于要应对燃料气体、冷却介质或氧化气体的流动阻力和提供给共用通道的气体的高压，现有技术难以使电池单元的堆叠个数增加。此外，作为现有的问题点，由于车辆搭载用的电池单元堆所能够设置的空间受限，因此，电池单元堆叠个数的增加存在极限。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利特开2017-147134号公报专利文献2：日本专利特开2016-096015号公报专利文献3：WO2014/136965非专利文献1：2016年度丰田MIRAI轿车型燃料电池汽车的产品信息
技术实现思路
本专利技术提供一种具有高输出密度、高容量的燃料电池及其电池单元和电堆结构体。本专利技术的一个方面提供一种电池单元，包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在所述第一和第二隔片之间的膜电极接合体，所述电池单元具有从电池单元延伸的面穿过所述第一隔片、第二隔片和所述膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部，其中至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在所述电池单元的中央区域。在本专利技术的一实施例中，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部形成在整个所述电池单元上周期性重复或以具有某一程度的波动周期性重复的多个基本单位，所述电池单元具有使所述基本单位的周期性重复终止的边缘结构。在本专利技术的一实施例中，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。在本专利技术的一实施例中，所述基本单位包括至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部。在本专利技术的一实施例中，不同基本单位之间，存在以下一个或多个不同：燃料流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；冷却介质用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；氧化流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同。在本专利技术的一实施例中，所述基本单位为以二维布拉维晶格排列形成的开口部的图案的具有最小重复排列周期的单位。在本专利技术的一实施例中，至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。在本专利技术的一实施例中，至少两个所述燃料流体用开口部是由多个燃料流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述冷却介质用开口部是由多个冷却介质流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述氧化流体用开口部是由多个氧化流体用开口部或者其一部分构成。在本专利技术的一实施例中，所述电池单元的最小发电体包含：大约四分之一个燃料流体供给用开口部、大约四分之一个燃料流体排出用开口部、大约四分之一个氧化流体供给用开口部、大约四分之一个氧化流体排出用开口部、大约二分之一个冷却介质供给用开口部和大约二分之一个冷却介质排出用开口部。在本专利技术的一实施例中，所述基本单位和所述最小发电体有几何相似性。在本专利技术的一实施例中，同一流体的供给用开口部和排出用开口部以彼此互补的关系配置于第一列和第二列，所述第一列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部，所述第二列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部。在本专利技术的一实施例中，电池单元包括仅含有供给用开口部的第一列和仅含有排出用开口部的第二列，所述第一列和所述第二列在流体的流路方向上交叉排列。在本专利技术的一实施例中，所述膜电极接合体包括第一气体扩散层、第一催化剂层、电解质膜、第二催化剂层和第二气体扩散层。本专利技术的另一方面提供一种电堆结构体，包括多个如上所述的电池单元，所述多个电池单元堆叠成所述电堆结构体，其中：所述多个电池单元的燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池单元，包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在所述第一和第二隔片之间的膜电极接合体，所述电池单元具有从电池单元延伸的面穿过所述第一隔片、第二隔片和所述膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部，其中至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在所述电池单元的中央区域。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】一种电池单元，包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在所述第一和第二隔片之间的膜电极接合体，所述电池单元具有从电池单元延伸的面穿过所述第一隔片、第二隔片和所述膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部，其中至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在所述电池单元的中央区域。


如权利要求1所述的电池单元，其中，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部形成在整个所述电池单元上周期性重复或以具有某一程度的波动周期性重复的多个基本单位；所述电池单元在所述中央区域以外的边缘区域具有使所述基本单位的周期性重复终止的边缘结构。


如权利要求1所述的电池单元，其中，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。


如权利要求2所述的电池单元，其中，所述基本单位包括至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部。


如权利要求2所述的电池单元，其中，不同基本单位之间，存在以下一个或多个不同：
燃料流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；
冷却介质用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；
氧化流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同。


如权利要求2所述的电池单元，其中，所述基本单位为以二维布拉维晶格排列形成的开口部的图案的具有最小重复排列周期的单位。


如权利要求4所述的电池单元，其中，至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。


如权利要求4所述的电池单元，其中，至少两个所述燃料流体用开口部是由多个燃料流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述冷却介质用开口部是由多个冷却介质流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述氧化流体用开口部是由多个氧化流体用开口部或者其一部分构成。


如权利要求7所述的电池单元，其中，所述电池单元的最小发电体包含：大约四分之一个燃料流体供给用开口部、大约四分之一个燃料流体排出用开口部、大约四分之一个氧化流体供给用开口部、大约四分之一个氧化流体排出用开口部、大约二分之一个冷却介质供给用开口部和大约二分之一个冷却介质排出用开口部。


如权利要求9所述的电池单元，其中，所述基本单位和所述最小发电体有几何相似性。


如权利要求3或8所述的电池单元，其中，同一流体的供给用开口部和排出用开口部以彼此互补的关系配置于第一列和第二列，所述第一列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部，所述第二列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部。


如权利要求3或8所述的电池单元，其中，包括仅含有供给用开口部的第一列和仅含有排出用开口部的第二列，所述第一列和所述第二列在流体的流路方向上交叉排列。


根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述膜电极接合体包括第一气体扩散层、第一催化剂层、电解质膜、第二催化剂层和第二气体扩散层。


一种电堆结构体，包括多个如权利要求1-13任一项所述的电池单元，所述多个电池单元堆叠成所述电堆结构体，其中：
所述多个电池单元的燃料流体用开口部、冷却介质用开口部和氧化流体用开口部重叠，以分别构成所述电堆结构体的内部共用通道，所述内部共用通道用于将燃料流体、冷却介质和氧化流体提供至和排出所述多个电池单元。


如权利要求14所述的电堆结构体，其中，所述内部共用管道与所述多个电池的面基本上垂直或夹锐角。


如权利要求14所述的电堆结构体，还包括：
第一流路，配...

【专利技术属性】
技术研发人员：程建华，
申请(专利权)人：上海旭济动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31