CN102484264A - 燃料电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，提供一种能够在膜电极结构体和隔膜之间良好地维持表面压力、能够防止接触阻力增大的燃料电池单元。本发明的燃料电池单元包括在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体及膜电极结构体的两片隔膜，并且具有在框体和隔膜的缘部之间设有气封，使反应用气体在隔膜与框体及膜电极结构体之间流通的结构，在从膜电极结构体到气封的范围内，框体与隔膜彼此分离而不接触。

Description

燃料电池单元
技术领域
本发明涉及一种用作燃料电池的发电元件的燃料电池单元，特别是，涉及一种多片层叠而构成燃料电池堆的燃料电池单元。
背景技术
作为这种燃料电池单元，例如，具有专利文献1所述的燃料电池单元。专利文献1所述的燃料电池单元包括：由燃料电极层和空气电极层夹持电解质层而成的膜电极结构体(MEA：Membrane Electrode Assembly)、保持膜电极结构体的周围的树脂框体以及夹着膜电极结构体和框体的两片隔膜。
而且，燃料电池单元具有在框体与隔膜之间设有反应用气体的歧管部及整流部，而使反应用气体(燃料气体及氧化剂气体)向膜电极结构体流通的结构。隔膜除了具有反应用气体的气封功能之外，也可以用作集电体、外部端子。通过层叠多片该燃料电池单元而构成燃料电池堆。
专利文献1：日本特开2003-77499号公报
然而，为了良好地维持组装精度、气封性及导电性等，上述燃料电池单元在构成燃料电池堆时处于在层叠方向上被加压的状态。然而，由于以往的燃料电池单元具有隔膜与膜电极结构体及树脂框体双方相接触的结构，因此，当对该燃料电池单元进行加压时，树脂框体与隔膜的接触部分也受到加压力，因此，减少了膜电极结构体与隔膜之间的表面压力(也就是说产生表面压力流失(面圧抜け))。特别是在减小膜电极结构体和隔膜的厚度，制造薄板型的燃料电池堆，使燃料电池堆趋于小型化时，该表面压力流失的问题变得显著。因此，在以往的燃料电池单元中，存在由于表面压力流失而导致膜电极结构体与隔膜之间的接触阻力增大的问题点，本发明的课题即在于解决上述问题点。
发明内容
本发明是着眼于上述以往课题而完成的，其目的在于提供一种燃料电池单元，该燃料电池单元包括在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体及膜电极结构体的两片隔膜，其中，在将该燃料电池单元层叠起来而构成燃料电池堆时，能够良好地维持膜电极结构体与隔膜之间的表面压力，能够防止接触阻力增大。
本发明的燃料电池单元具有如下结构，即，包括在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体及膜电极结构体的两片隔膜，并且在框体与隔膜的缘部之间设有气封，使反应用气体在隔膜与框体及膜电极结构体之间流通。而且，燃料电池单元具有使框体与隔膜在从膜电极结构体到气封的范围内彼此分离而不接触的结构，本发明以上述结构作为用于解决以往课题的手段。
此外，燃料电池单元的特征在于，作为更优选的实施方式，在框体与隔膜的彼此相对的表面中的至少一个表面上设有凸部，并且在凸部和与其相对的表面侧之间设有间隙。为了不妨碍反应用气体朝向膜电极结构体(除去框体的MEA部)流动，需要使设于框体及隔膜的凸部和与其相对的表面侧空出间隔而不接触。
采用本发明的燃料电池单元，由于在从膜电极结构体到气封的范围内，使框体与隔膜彼此分离，因此在层叠多片该燃料电池单元而构成燃料电池堆时，层叠方向的加压力能有效地作用于膜电极结构体与隔膜之间，从而能够良好地维持膜电极结构体与隔膜之间的表面压力，并且能够防止接触阻力增大。
附图说明
图1是本发明的燃料电池单元的一实施方式的、在分解状态下说明燃料电池单元的俯视图。
图2是燃料电池单元的俯视图。
图3是基于图2中的A-A线的剖视图。
图4是基于图2中的B-B线的剖视图。
图5是用于说明燃料电池堆的侧视图。
图6是基于图2中的C-C线的剖视图。
图7是表示凸部的高度h1大于等于肋部的高度h2的情况的剖视图。
图8是用于说明框体变形后的状态的剖视图。
图9的(A)是用于说明膜电极结构体劣化前的状态的剖视图，图9的(B)是用于说明膜电极结构体劣化后的状态的剖视图。
图10是用于说明本发明的燃料电池单元的另一实施方式的剖视图。
图11的(A)是用于说明燃料电池堆的另一实施方式的分解立体图，图11的(B)是组装后的立体图。
具体实施方式
以下，基于附图，对本发明的燃料电池单元的一实施方式进行说明。
图1及图2所示的燃料电池单元FC包括在周围具有框体1的膜电极结构体2和夹持框体1及膜电极结构体2的两片隔膜3、3。框体1呈大致恒定厚度的薄板状，其除去缘部的大部分的厚度小于膜电极结构体2的厚度。而且，该燃料电池单元FC具有在框体1与隔膜3的缘部之间设有气封，使反应用气体在隔膜3、3与框体1及膜电极结构体2之间流通的结构。为了易于制造，优选框体1为树脂制，隔膜3为金属制。
膜电极结构体2通常被称作MEA(Membrane ElectrodeAssembly)，如图3及图4所示，例如具有利用燃料电极层(正极)22和空气电极层(负极)23夹持由固体高分子构成的电解质层21的结构。另外，图示的膜电极结构体2在燃料电极层22和空气电极层23的表面上分别层叠有由复写纸、多孔质体等构成的气体扩散层24、25。
另外，膜电极结构体2向燃料电极层22供给作为一种反应用气体的燃料气体(氢气)，并且向空气电极层23供给作为另一种反应用气体的氧化剂气体(空气)，利用电化学反应进行发电。此外，膜电极结构体2也包含省略气体扩散层而由电解质层21、燃料电极层22及空气电极层23构成的结构。
框体1利用树脂成形(例如注塑成形)与膜电极结构体2实现一体化，在该实施方式中，膜电极结构体2位于中央并呈长方形状。此外，框体1在两端部各排列有三个歧管孔H1～H6，从各歧管孔组到膜电极结构体2的区域为反应用气体的整流区域(或者扩散区域)。该框体1及两片隔膜3、3皆为具有大致相同的纵横尺寸的长方形状。
各隔膜3都是对不锈钢等的金属板进行压制成形而形成的。如图3及图4所示，各隔膜3的与膜电极结构体2相对应的中央部分在短边方向的截面中形成为波形状。该波形状在长边方向上连续。由此，各隔膜3在波形状的与膜电极结构体2相对应的中央部分，各凸部分与膜电极结构体2相接触，并且波形状的各凹部分成为反应用气体的流路。特别是，各凸部分是顶部与膜电极结构体2相接触的肋部4。此外，在隔膜3中，凹凸在正反面侧处于相反关系(即，从一面侧看为凹部分，从另一面侧看则为凸部分)，使以膜电极结构体2侧为正面侧的凸部分(即从膜电极结构体2侧看凸出的部分)成为肋部4。
此外，各隔膜3在两端部具有与框体1的各歧管孔H1～H6相同的歧管孔H1～H6，从各歧管孔组到截面波形状的部分的区域成为反应用气体的整流区域(或者扩散区域)。
上述两片隔膜3、3与框体1及膜电极结构体2重叠而构成燃料电池单元FC。此时，特别地如图2所示，燃料电池单元FC在中央包括膜电极结构体2的区域，即发电部G，膜电极结构体2的厚度大于框体1的厚度。此外，框体1的厚度也可以不一定小于膜电极结构体2的厚度。而且，在发电部G的两侧包括用于进行反应用气体的供给及排出的歧管部M1、M2和从各歧管部M1、M2到发电部G的作为反应用气体的整流区域(或者扩散区域)的扩散器部D1、D2。
在图2的左侧所示的一侧的歧管部M1中，各歧管孔H1～H3为燃料气体供给用(H1)、冷却流体供给用(H2)及氧化剂气体供给用(H3)的歧管孔，在层叠方向上形成各自的流路。在图2的右侧所示的另一侧的歧管部M2中，各歧管孔H4～H6为燃料气体排出用(H4)、冷却流体排出用(H5)及氧化剂气体排出用(H6)的歧管孔，在层叠方向上形成各自的流路。此外，供给用与排出用的各歧管孔的一部分或者全部也可以处于相反的位置关系。
此外，燃料电池单元FC除了如上所述地包括发电部G、歧管部M1、M2、扩散器部D1、D2之外，如图2所示，在反应用气体的流动方向上，扩散器部D1、D2的流路宽度W与长度L之比(W/L)为5以下。虽然在图2中在排出侧的扩散器部D2中标注了流路宽度W与长度L，但是在供给侧的扩散器部D1中也具有同样的尺寸。由此，能够对从供给用的歧管H1、H3供给的燃料气体及氧化剂气体进行整流(或者扩散)而将这些气体均匀地供给到整个膜电极结构体2中，并且能够使经由膜电极结构体2的残留的燃料气体及氧化剂气体顺畅地流到排出用的歧管H4、H6。
另外，燃料电池单元FC在框体1与隔膜3的缘部之间实施气封。即，如图3及图4所示，燃料电池单元FC利用粘接剂B在框体1及隔膜3的缘部之间进行密封，在燃料电池单元FC多片层叠的状态下，邻接的框体1之间及隔膜3之间也利用粘接剂B进行密封。在该实施方式中，是使冷却流体能在邻接的隔膜3、3之间流通的结构。此外，在隔膜3具有集电体、外部端子的功能的情况下，也可以在隔膜3之间夹设绝缘体。
上述由粘接剂B进行的气封在各个层间气密地隔离燃料气体、氧化剂气体及冷却流体各自的流通域。也就是说，在图1所示的例中，在下侧隔膜3的上表面(及框体的下表面)上设有用于使氧化剂气体向膜电极结构体2的空气电极23流通的密封线SL。此外，在框体1的上表面(及上侧隔膜的下表面)上设有用于使燃料气体向膜电极结构体2的燃料电极22流通的密封线SL。另外，在上侧隔膜3的上表面上设有用于使冷却流体流通的密封线SL。气封可以是粘接密封，也可以是使用密封垫等的固体密封，也可以同时使用上述两种方式。
如图5所示，层叠多片具有上述结构的燃料电池单元FC而构成燃料电池堆FS。该燃料电池堆FS包括由多片燃料电池单元FC层叠而成的层叠体St，并且将上述层叠体St配置在架设有多根保持杆11的上部端板(end-plate)12及下部端板13之间。而且，在层叠体St与上部端板12之间夹设弹簧构件14及中间板15，并使层叠体St处于在图中箭头所示的层叠方向上被加压的状态。由此，对各个燃料电池单元FC施加规定的表面压力，良好地维持气封性、导电性等。
因此，该燃料电池单元FC使框体1与隔膜3在从膜电极结构体2到气封(SL)的范围内彼此分离而不接触。即，框体1与隔膜3在作为反应用气体的整流区域的整个扩散器部D1、D2中彼此分离而形成反应用气体流通用的间隙。
更具体来说，也如图6所示，燃料电池单元FC在框体1与隔膜3的彼此相对的表面这两个表面上设有凸部5、6，并且在凸部5、6和与其相对的表面侧之间设有间隙5S、6S。凸部5、6的形状等没有限定，在图示例中该凸部5、6皆呈圆锥台形状，并且以规定间隔纵横排列。
而且，框体1的凸部5和隔膜3的凸部6如图3所示地彼此错开配置，或者如图6所示地彼此相对配置，在任一情况下该凸部5、6和与其相对的表面侧之间都形成间隙5S、6S。
此外，如上所述，在隔膜3中，凹凸在正反面侧处于相反的关系，以与膜电极结构体2相对的表面为正面侧地形成凸部6。此外，虽然在图3与图6中，隔膜3的形状一部分不同，但是包含框体1的、凸部5、6等的基本结构相同。
这里，燃料电池单元FC的隔膜3包括与框体1相对的上述凸部6和顶部与膜电极结构体2相接触的上述肋部4，如图6所示地设凸部6的高度为h1、从凸部6的底部到肋部6的顶部的高度(肋部4的高度)为h2时，具有h1＜h2的关系。此时，如上所述，框体1的厚度小于等于膜电极结构体2的厚度。
另外，燃料电池单元FC在框体1与隔膜3之间使凸部5、6和与其相对的表面侧之间的间隙5S、5S的尺寸大于膜电极结构体2由经年劣化导致的厚度的减少量。该结构用于应对膜电极结构体2的经年劣化而维持间隙5S、5S，厚度的减少量可以利用实验等求得。作为维持间隙5S、6S的更可靠的结构，使间隙5S、5S的尺寸为膜电极结构体2的厚度左右。
由于具有上述结构的燃料电池单元FC的框体1和隔膜3在从膜电极结构体2到气封(SL)的范围(扩散器部D1、D2)中彼此分离而不接触，因此在构成燃料电池堆FS时，层叠方向的加压力未作用在框体1与隔膜3之间而有效地作用在膜电极结构体2与隔膜3之间。由此，能够良好地维持膜电极结构体2与隔膜3之间的表面压力，并且能够防止接触阻力增大。此外，由于燃料电池堆FS始终受到层叠方向的加压力的作用，因此，即使由于经年劣化使膜电极结构体2的厚度减少，也可以维持膜电极结构体2与隔膜3的接触状态，不会产生表面压力流失。
而且，由于燃料电池单元FC的隔膜3中的凸部6的高度h1与肋部4的高度h2的关系为h1＜h2，因此在层叠时，肋部4先与膜电极结构体2相接触，能够确保凸部6和与其相对的表面侧之间的间隙6S。
另一方面，例如图7所示，当框体1及膜电极结构体2的厚度相同，凸部6的高度h1与肋部4的高度h2的关系为h1≥h2时，在层叠时，凸部6与框体1相接触，由此，产生使膜电极结构体2与隔膜3之间的表面压力减少的表面压力流失现象，导致接触阻力增大。
与此相对，由于燃料电池单元FC如上述那样使肋部4先与膜电极结构体2相接触而确保间隙6S，因此可良好地维持膜电极结构体2与隔膜3之间的表面压力，防止接触阻力增大。由此，能够将膜电极结构体2与隔膜3之间的接触阻力抑制得较小，维持良好的电池性能。
另外，燃料电池单元FC通过使隔膜3中的凸部6的高度h1小于肋部4的高度h2，而降低了隔膜3的扩散器部D1、D2的高度。这意味着，在隔膜3为金属制且被压制成形的情况下加工量减小。当该加工量减小时，易于形成例如使凸部间的距离狭窄等的复杂形状。
此外，凸部间的距离可以在在压缩机等的燃料电池用副机的负荷容许范围内设定成不增大气体流动时的压力损失的程度。
另外，燃料电池单元FC在框体1与隔膜3的彼此相对的表面这两个表面上设有凸部5、6，并且在凸部5、6和与其相对的表面侧之间设有间隙5S、6S，因此，如图8所示，即使在由于燃料气体与氧化剂气体的压差等使框体1弯曲的情况下，也能够通过使凸部5、6和与其相对的表面侧相抵接，而阻止进一步弯曲，同时确保气体流路。此外，也具有利用凸部5、6的抵接来减小框体1的位移量而减轻作用于框体1的负荷的效果。
另外，由于燃料电池单元FC的凸部5、6和与其相对的表面侧之间的间隙5S、6S的尺寸大于膜电极结构体2由经年劣化导致的厚度的减少量，因此，即使膜电极结构体2的厚度从图9的(A)所示的初期状态如图9的(B)所示那样减少，也能够确保间隙5S、6S。由此，能够良好地维持膜电极结构体2与隔膜3之间的表面压力而防止接触阻力增大，并且也能维持框体1变形时的负荷减轻、气体流路的确保等这类功能。
另外，如图3所示，燃料电池单元FC的框体1的凸部5与隔膜3的凸部6彼此错开配置。由此，能够应对例如由经年劣化导致的膜电极结构体2的厚度减少、由反应用气体的压差导致的框体1的弯曲这类情况，确保框体1与隔膜3的间隙5S、6S较大，并且能够确保供反应气体流通的空间较广。
另外，如图6所示，燃料电池单元FC的框体1的凸部5与隔膜3的凸部6彼此相对配置。由此，例如在从外部施加应力时，凸部5、6能暂时彼此抵接而发挥限位器的作用，防止整体变形而提前阻止膜电极结构体2承受过剩的负荷，除此之外还具有与肋部4等共同进一步提高机械强度的功能。
另外，由于燃料电池单元FC利用树脂成形使框体1与膜电极结构体2一体化，因此能够提高生产效率，并且在形成凸部5时，较之金属压制成形更容易形成复杂的形状。
而且，由上述燃料电池单元FC层叠而成的燃料电池堆FS在各燃料电池单元FC中良好地维持隔膜2与膜电极结构体2的表面压力而防止接触阻力增大，因此能够长期获得效率良好的发电功能。
图10是用于说明本发明的燃料电池单元的另一实施方式的图。在该实施方式中，在框体12与隔膜3之间仅在隔膜3上设置凸部6，在凸部6和与其相对的表面侧之间设置间隙6S。
在本发明中，可以采用在框体与隔膜的彼此相对的表面中的至少一个表面上设置凸部，并在凸部和与其相对的表面侧之间设有间隙的结构。因此，如图10所示，能够采用仅在隔膜3上设有凸部6的结构、仅在框体上设有凸部的结构(未图示)，在任一情况下均能够获得与上述实施方式相同的作用及效果。
图11是用于说明燃料电池堆FS的另一实施方式的图。
图示的燃料电池堆FS包括由多片燃料电池单元FC层叠而成的层叠体St。燃料电池单元FC由在周围具有框体1的膜电极结构体2和夹持框体1及膜电极结构体2的两片隔膜3、3构成，其内部结构与上述各实施方式的燃料电池单元FC的结构相同。
而且，燃料电池堆FS包括上述层叠体St和配置在层叠体St的层叠方向的两端侧的端板31、32，并且通过连结两个端板31、32而在层叠方向上对层叠体St进行加压。
更具体来说，燃料电池堆FS在层叠体St的层叠方向的一端部(在图11中为右侧端部)隔着集电板33及垫片34设置端板31，并且在另一端部隔着集电板35设置端板32。集电板33、35具有用于贯穿各个端板31、32的连接器35A(仅图示了单侧)。
此外，燃料电池堆FS在层叠体St的作为燃料电池单元FC的长边侧的两个表面(在图11中为上下表面)包括连接板36、37，在作为短边侧的两个表面包括增强板38、39。
连接板36、37在平板状的主体部分具有与端板31、32的外侧面相对的安装片36A、37A。增强板38、39在平板状的主体部分具有与端板31、32的外侧面相对的安装片38A、39A和与连接板36、37相对的保持部38B、39B。两个增强板38、39通过使保持部38B、39B与连接板36、37的缘部相重合而嵌合于层叠体St的侧部。
而且，燃料电池堆FS通过利用适当数量的螺栓B将各连接板36、37及增强板38、39连结在两个端板31、32上，从而成为壳体一体型结构。
在具有上述结构的燃料电池堆FS中，框体1与隔膜3在各燃料电池单元FC中彼此分离，利用端板31、32夹持由上述燃料电池单元FC构成的层叠体St，因此，能够如上所述那样始终良好地维持膜电极结构体2与隔膜3的接触表面压力，同时能够使层叠体St处于加压状态。
即，在上述燃料电池堆FS中，由于框体1与隔膜3在各燃料电池单元FC中彼此分离，因此框体1的弹力(受压时产生的反弹力)互相作用于邻接的燃料电池单元FC。因此，燃料电池堆FS相当于在层叠方向上对整个层叠体St进行了加压，即使不使用图5所说明的燃料电池堆的弹簧构件14，也能维持层叠体St的加压状态。由此，能够对削减零件个数及制造工时、降低制造成本及实现小型轻量化等做出贡献。
此外，本发明的燃料电池单元及燃料电池堆的结构并不限定于上述的各实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以对各个构成部位的形状、个数及材料等进行适当变更。
附图标记说明
1、框体；2、膜电极结构体；3、隔膜；4、肋部；5、6、凸部；5S、6S、间隙；31、32、端板；D1、D2、扩散器部；FC、燃料电池单元；FS、燃料电池堆；G、发电部；M1、M2、歧管部；St、层叠体。

Claims (7)

1.一种燃料电池单元，其具有如下结构，即，包括在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体及膜电极结构体的两片隔膜，并且在框体和隔膜的缘部之间设有气封，使反应用气体在隔膜与框体及膜电极结构体之间流通，其特征在于，
在从膜电极结构体到气封的范围内，框体和隔膜彼此分离而不接触。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
在框体与隔膜的彼此相对的表面中的至少一个表面上设有凸部，并且在凸部和与其相对的表面侧之间设有间隙。
3.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其特征在于，
在框体与隔膜的彼此相对的表面这两个表面上设有凸部，框体的凸部和隔膜的凸部彼此错开配置。
4.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其特征在于，
在框体与隔膜的彼此相对的表面这两个表面上设有凸部，框体的凸部和隔膜的凸部彼此相对配置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，
框体利用树脂成形与膜电极结构体一体化。
6.一种燃料电池堆，其特征在于，
该燃料电池堆通过层叠多片权利要求1至5中任一项所述的燃料电池单元而形成层叠体，并在层叠方向上对层叠体进行加压而成。
7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，
该燃料电池堆包括上述层叠体和配置在层叠体的层叠方向的两端侧的端板，并且通过连结两个端板而在层叠方向上对层叠体进行加压。
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