CN103098277A - 燃料电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池单元（A1）。该燃料电池单元（A1）通过将形成有膜电极接合体（30）的框体（20）夹持在一对隔板（40、41）之间，并在框体（20）的两表面侧以需要的间隔配设多个突起（21），从而在框体（20）的一表面侧划分形成有含氢气体的气体流路（S1），在框体（20）的另一表面侧划分形成有含氧气体的气体流路（S2）。框体（20）的一表面侧的突起（21）和框体（20）的另一表面侧的突起（21）在燃料电池单元的层叠方向（α）上以框体（20）为中心非对称地配置。

Description

燃料电池单元
技术领域
本发明涉及例如固体高分子型的燃料电池单元（Fuelcell）。
背景技术
作为这种燃料电池单元，专利文献1中公开有一种“燃料电池用隔板以及具有该隔板的燃料电池”。
专利文献1所公开的燃料电池具有流路划定构件和凸部，该流路划定构件通过具有向发电体突出并与发电体接触的接触部，而划定用于向上述发电体供给反应气体的反应气体流路；该凸部在上述反应气体流路的一部分自上述流路划定构件向发电体侧突出。并且，使上述凸部的突出距离比上述接触部的突出距离短。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010‐205669号公报
在上述专利文献1所述的燃料电池中，会因为反应气体压力的变动而在发电体的阴极和阳极之间产生压力差（以下称“差压”。）。但是，由于使凸部的突出距离比上述接触部的突出距离短，因此，仍然存在因上述差压而引起发电体变形而使反应气体流路堵塞的可能。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种在反复产生差压时也能不减少反应气体的流通截面积地提高耐疲劳性的燃料电池单元。
为了解决上述课题，本发明通过将形成有膜电极接合体的框体夹持在一对隔板之间，并在框体的两表面侧以期望的间隔配设多个突起，从而在框体的一表面侧形成有含氢气体的气体流路，在框体的另一表面侧形成有含氧气体的气体流路。框体的一表面侧的突起和框体的另一表面侧的突起在燃料电池单元的层叠方向上以框体为中心非对称地配置。
附图说明
图1是表示使用了本发明的第一实施方式的燃料电池单元的燃料电池堆的外观的立体图。
图2是分解表示图1的燃料电池堆的立体图。
图3是分解表示本发明的第一实施方式的燃料电池单元的立体图。
图4是图3的燃料电池单元的主视图。
图5是图4的I－I局部剖视图。
图6是表示本发明的第二实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。
图7的（A）是表示本发明的第三实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图，图7的（B）是表示本发明的第四实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。
图8是表示本发明的第五实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。
图9是表示本发明的第六实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。
图10是表示本发明的第七实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。图1是使用了本发明的第一实施方式的燃料电池单元的燃料电池堆的外观立体图，图2是分解表示图1的燃料电池堆的分解立体图。此外，图3是分解表示本发明的第一实施方式的燃料电池单元的立体图，图4是图3的燃料电池单元的主视图。
另外，在以下的实施方式中，以能应用于搭载于车辆的固体高分子电解质型燃料电池的燃料电池堆为例进行说明。
如图1、图2所示，从两侧（层叠方向α的两端侧）由一对端板11、12对层叠在一起的集电板13、14和多个燃料电池单元A1进行夹持。此外，通过由紧固板15、16和加强板17、17覆盖上述集电板13、14和多个燃料电池单元A1的上下和侧方，从而构成燃料电池堆10。另外，附图标记19为垫片。
在本实施方式中，上述端板11、12、紧固板15、16以及加强板17、17彼此通过螺栓18等紧固在一起，但并不限定于此。
如图3、图4所示，在燃料电池单元A1中，通过将设有膜电极接合体30的框体（以下称“框架”。）20夹持在一对隔板40、41之间，从而在与上述膜电极接合体30相对的区域形成发电部G。
如图4所示，在燃料电池单元A1中，在发电部G的两侧形成有用于进行含氢气体或含氧气体的供给排出的分流（Manifold）部M、M和自各分流部M至发电部G的含氢气体或含氧气体的作为流通区域的扩散（diffuser）部D、D。
如图3、图4所示，一侧部（图3、图4所示的左端部）的分流部M由分流孔H1～H3构成。上述分流孔H1～H3分别用于供给含氧气体（H1）、供给冷却流体（H2）以及供给含氢气体（H3），沿层叠方向α形成各自的流路。
另一侧部（图3、图4所示的右端部）的分流部M由分流孔H4～H6构成。各分流孔H4～H6分别用于排出含氢气体（H4）、排出冷却流体（H5）以及排出含氧气体（H6），沿层叠方向α形成各自的流路。另外，用于供给的分流孔和用于排出的分流孔可以部分对调位置关系或全部对调位置关系。
接着，说明膜电极接合体30。
膜电极接合体30也称MEA（Membrane ElectrodeAssembly：膜电极组），具有由阳极（anode）和阴极（cathode）（均未图示）夹持例如由固体高分子构成的电解质膜而成的结构。
另外，在本实施方式中，在阳极和阴极的各表面上分别层叠有由碳纸、多孔质体等构成的气体扩散层。
上述膜电极接合体30通过向阳极输送含氢气体，并向阴极输送含氧气体，而利用电化学反应进行发电。另外，作为膜电极接合体30，也可以不设置上述气体扩散层，而由电解质层、阳极以及阴极构成。
接着，说明框架20。图5是以沿图4所示的I‐I线的剖面来表示本发明的第一实施方式的燃料电池单元A1的局部剖视图。另外，图5所示的箭头表示差压，（X）表示含氧气体的压力高于含氢气体的压力时产生的框架20的弯矩，（Y）表示含氢气体的压力高于含氧气体的压力时产生的框架20的弯矩。
在框架20上例如通过注塑成形一体地形成有上述膜电极接合体30。在本实施方式中，框架20形成为在从燃料电池单元A1的层叠方向α看时的主视图状态下为横向长的长方形。此外，框架20形成为大致恒定的板厚，在上下左右的中央部分配置有上述膜电极接合体30。
扩散部D分别形成于框架20与隔板40之间以及框架20与隔板41之间，即，框架20的阳极侧和阴极侧（两表面侧）。具体而言，在框架20上隔着规定间隔一体形成有形成为相同形状相同大小的多个圆台形的突起21。另外，能够适当设定从突起21的底面（基部）到上底（上部）的高度与底面的宽度尺寸的比率。
如图5所示，利用突起21使框架20和与该框架20相对的隔板40、41沿α方向分开。此外，通过在各扩散部D隔着规定间隔配设多个突起21，从而形成了含氢气体流路S1和含氧气体流路S2。以下，将含氢气体流路S1、含氧气体流路S2简称为“气体流路S1、气体流路S2”。
在本实施方式中，框架20的阳极侧（一表面侧）的突起21与框架20的阴极侧（另一表面侧）的突起21在燃料电池单元A1的层叠方向α上以框架20的中心轴线C（框架20的α方向上的中心）为中心非对称地配置。即，以使气体流路S1与气体流路S2在燃料电池单元A1的层叠方向α上以框架20为中心呈非对称形状的方式配置有突起21。
在本实施方式中，如图5所示，与阳极侧（一表面侧）的气体流路S1相对地配置有阴极侧（另一表面侧）的突起21，此外，与阴极侧（另一表面侧）的气体流路S2相对地配置有阳极侧（一表面侧）的突起21。换言之，含氢气体和含氧气体的各流通区域的突起21彼此不相对地配置。
隔板40、41是分别对不锈钢等的金属板进行冲压成形而形成的。如图3、图4所示，隔板40、41的与膜电极接合体30相对的中央部分形成为在β方向上连续的凹凸形状。此外，在隔板40、41的上述中央部分的左右两侧，与框架20的各分流孔H1～H6相对地形成有与框架20的各分流孔H1～H6相同形状相同大小的分流孔H1～H6。
由此，在隔板40、41的与膜电极接合体30相对的凹凸形状部分40a、41a中，凸部分与膜电极接合体30相接触，并且凹部分成为含氢气体（含氧气体）的流路。
根据本实施方式，即使产生差压，也能使差压的产生部位的分布与框架20的应力产生部位的分布错开。因而，能减小应力振幅，能不减小反应气体的流通截面积地增大结构上的耐疲劳性。此外，能够局部增加框架20的板厚而增大应力产生部的截面系数。
图6是以剖面来表示本发明的第二实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。图6所示的箭头表示差压，（X）表示含氧气体的压力高于含氢气体的压力时在框架20A上产生的弯矩，（Y）表示含氢气体的压力高于含氧气体的压力时产生的框架20A的弯矩。
本发明的第二实施方式的燃料电池单元A2的突起21的配置间隔与第一实施方式的上述燃料电池单元A1的突起21的配置间隔不同。
即，使燃料电池单元A2的突起21的配置间隔大于燃料电池单元A1的突起21的配置间隔。换言之，将气体流路S1、S2的宽度尺寸形成为比上述燃料电池单元A1的突起21的配置间隔宽度大的尺寸W1。此外，将框架20A的一表面侧的突起21的基部21a与另一表面侧的突起21的角部21b之间的间隔设定为尺寸W2。另外，尺寸W2参考所产生的弯矩等来设定即可。
根据本实施方式，由于能够缩短一表面侧的突起21和另一表面侧的突起21之间的间隔，即尺寸W2，因此，能抑制在框架20A的位于一表面侧的突起21和另一表面侧的突起21之间的部位产生的应力。
图7的（A）是以剖面来表示本发明的第三实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图，图7的（B）是以剖面来表示本发明的第四实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。图7所示的箭头表示差压，（X）表示含氧气体的压力高于含氢气体的压力时在框架20B上产生的弯矩，（Y）表示含氢气体的压力高于含氧气体的压力时产生的框架20B的弯矩。
图7的（A）所示的本发明的第三实施方式的燃料电池单元A3与上述燃料电池单元A1、A2的不同之处在于，在一对隔板40A、41A上一体地形成有与上述突起21相同的突起40b、41b。
图7的（A）、（B）所示的框架20B例如通过注塑成形与上述膜电极接合体30一体地形成。此外，在本实施方式中，框架20B形成为在从燃料电池单元A3的层叠方向α看时的主视图状态下为横向长的长方形，且形成为大致恒定的板厚。此外，在上下左右的中央部分配置有上述膜电极接合体30，但在该膜电极接合体30上不配置上述突起。
隔板40A在与上述扩散部D相对的区域一体地形成有多个突起40b。突起40b形成为彼此相同形状相同大小的圆台形，隔着规定间隔配设有多个。
隔板41A在与上述扩散部D相对的区域一体地形成有多个突起41b。突起41b形成为与突起40b相同形状相同大小的圆台形，隔着规定间隔配设有多个。
在本实施方式中，隔板40A的阳极侧（一表面侧）的突起40b和隔板41A的阴极侧（另一表面侧）的突起41b在燃料电池单元A3的层叠方向α上以框架20B为中心非对称地配置。即，以使气体流路S1和气体流路S2在燃料电池单元A1的层叠方向α上以框架20B为中心呈非对称形状的方式配置有突起40b、41b。
在本实施方式中，与阳极侧（一表面侧）的气体流路S1相对地配置阴极侧（另一表面侧）的突起41b，此外，与阴极侧（另一表面侧）的气体流路S2相对地配置阳极侧（一表面侧）的突起40b。
根据本实施方式，即使产生差压，也能使差压的产生部位的分布与框架20B的应力产生部位的分布错开，因此能减小应力振幅。此外，能不减小反应气体的流通截面积地增大结构上的耐疲劳性。
图7的（B）所示的本发明的第四实施方式的燃料电池单元A4的突起40b、41b的配置间隔与上述燃料电池单元A3的突起40b、41b的配置间隔不同。
即，使燃料电池单元A4的突起40b、41b的配置间隔大于上述燃料电池单元A3的突起40b、41b的配置间隔。换言之，将燃料电池单元A4的气体流路S1、S2形成为比上述燃料电池单元A3的气体流路S1、S2宽度大的尺寸。将框架20B的一表面侧的突起40b的基部与另一表面侧的突起41b的角部之间的间隔设定为尺寸W2。
另外，尺寸W2参考所产生的弯矩等来设定即可，这一点与上述燃料电池单元A2相同。
根据本实施方式，即使产生差压，也能使差压的产生部位的分布与框架20B的应力产生部位的分布错开，因此，能减小应力振幅，能不减小反应气体的流通截面积地增大结构上的耐疲劳性。
图8是以剖面来表示本发明的第五实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。图8所示的箭头表示差压，（X）表示含氧气体的压力高于含氢气体的压力时在框架20C上产生的弯矩，（Y）表示含氢气体的压力高于含氧气体的压力时产生的框架20C的弯矩。另外，对于与在上述任一实施方式中说明了的部分相同的部分，标注与上述相同的附图标记而省略说明。
本发明的第五实施方式的燃料电池单元A5将周围形成有框架20C的上述膜电极接合体30夹持在与图6所示的隔板41相同的隔板和与图7的（A）所示的隔板40A相同的隔板之间。由此，在与膜电极接合体30相对的区域形成了发电部G（图8中未图示）。
框架20C例如通过注塑成形与上述膜电极接合体30一体地形成。在本实施方式中，框架20C形成为在从燃料电池单元A5的层叠方向α看时的主视图状态下为横向长的长方形，并形成为大致恒定的板厚，并且在框架20C的中央部分配置有上述膜电极接合体30。
该框架20C是以如下方式形成的框架：仅在上述扩散部D的阴极侧隔着规定间隔配设多个形成为彼此相同大小相同形状的圆台形的突起21，并将阳极侧设置为平坦面。
在本实施方式中，隔板40A的阳极侧（一表面侧）的突起40b与框架20C的阴极侧（另一表面侧）的突起21在燃料电池单元A5的层叠方向α上以框架20C的中心轴线C为中心非对称地配置。即，以使气体流路S1和气体流路S2在燃料电池单元A5的层叠方向α上以框架20C为中心呈非对称形状的方式配置有突起40b、21。
在本实施方式中，将隔板40A的突起40b配置在与利用框架20C的突起21和隔板41形成的气体流路S2相对的位置。
根据本实施方式，由于即使产生差压，也能使差压的产生部位的分布与框架20C的应力产生部位的分布错开，因此能减小应力振幅。此外，能不减小反应气体的流通截面积地增大结构上的耐疲劳性。此外，能够通过局部地增加框架20C的板厚而增大应力产生部的截面系数。
图9是以剖面来表示本发明的第六实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。图9所示的箭头表示差压，（X）表示含氧气体的压力高于含氢气体时在框架20B上产生的弯矩，（Y）表示含氢气体的压力高于含氧气体的压力时产生的框架20B的弯矩。另外，对于与在上述实施方式中说明了的部分相同的部分，标注与上述相同的附图标记而省略说明。
本发明的第六实施方式的燃料电池单元A6是如下结构的燃料电池单元：将周围形成有与图7的（A）、（B）所示的框架20B相同的框架的膜电极接合体30（图9中未示出）夹持在隔板40B和与图7的（B）所示的隔板41A相同的隔板之间。
隔板40B在与上述扩散部D相对应的区域一体地形成有多个突起40c。
突起40c形成为彼此相同形状相同大小的圆台形，隔着规定间隔配设有多个。此外，与上述突起40b（41b）的情况相比，增大了突起40c抵接在框架20B上的抵接面40c′的面积。
在本实施方式中，隔板40B的突起40c和隔板41A的突起41b相对地配置。
在本实施方式中，隔板40B的阳极侧（一表面侧）的突起40c和隔板41A的阴极侧（另一表面侧）的突起41b在燃料电池单元A6的层叠方向α上以框架20B为中心非对称地配置。即，以使气体流路S1和气体流路S2在燃料电池单元A6的层叠方向α上以框架20B为中心呈非对称形状的方式配置有突起40c、41b。
根据本实施方式，由于即使产生差压，也能使差压的产生部位的分布与框架20B的应力产生部位的分布错开，因此，能减小应力振幅，能不减小反应气体的流通截面积地增大结构上的耐疲劳性。
图10是以剖面来表示本发明的第七实施方式的燃料电池单元的一部分的局部剖视图。图10中所示的箭头表示差压，（X）表示含氧气体的压力高于含氢气体的压力时在框架20D上产生的弯矩，（Y）表示含氢气体的压力高于含氧气体的压力时产生的框架20D的弯矩。另外，对于与在上述实施方式中说明了的部分相同的部分，标注与上述相同的附图标记而省略说明。
本发明的第七实施方式的燃料电池单元A7是如下结构的燃料电池单元：将周围形成有框架20D的膜电极接合体30（图10中未示出）夹持在与图6所示的一对隔板40、41相同的隔板之间。
框架20D例如通过注塑成形与上述膜电极接合体30一体地形成。在本实施方式中，形成为在从燃料电池单元A7的层叠方向α看时的主视图状态为横向长的长方形，且形成为大致恒定的板厚。此外，在框架20D的中央部分配置有上述膜电极接合体30（未图示）。
该框架20D在其阳极侧的面和阴极侧的面上分别配设多个不同大小的突起22、23。将突起22、23形成为圆台形，并使突起22与隔板40抵接的抵接面22a的面积大于突起23与隔板41抵接的抵接面23a的面积，并且相对地配设突起22和突起23。
在本实施方式中，框架20D的阳极侧（一表面侧）的突起22和框架20D的阴极侧（另一表面侧）的突起23在燃料电池单元A7的层叠方向α上以框架20D的中心轴线C为中心非对称地配置。即，以使气体流路S1和气体流路S2在燃料电池单元A7的层叠方向α上以框架20D为中心呈非对称形状的方式配置有突起22、23。另外，将突起23的基部之间的间隔设定为尺寸L。
根据本实施方式，即使产生差压，也能使压差的产生部位的分布与框架20D的应力产生部位的分布错开。因而，能减小应力振幅，能不减小反应气体的流通截面积地增大结构上的耐疲劳性。此外，能够局部增加框架20D的板厚来增大应力产生部的截面系数。
另外，本发明并不限定于上述的实施方式，能够实施如下变形。
在上述的各实施方式中，作为突起，例示了圆台形，但也能够采用圆柱形、棱柱形、椭圆柱形以及其他公知形状。
在上述各实施方式中说明的各结构并不限定为仅应用于这些各个实施方式，能够将在一实施方式中说明的结构准用或应用于其他实施方式，此外，可以任意组合这些结构。
另外，在此引用日本特愿2011－083533号（申请日：2011年4月5日）的全部内容。
此外，按照实施方式的形态说明了本发明的内容，但本发明不限定于这些记载，能够进行各种变形和改善，这对本领域技术人员来说是显而易见的。
产业上的可利用性
根据本发明，由于即使产生差压，也能使压差的产生部位的分布与框体的应力产生部位的分布错开，因此能不减小反应气体的流通截面积地增大结构上的耐疲劳性。
附图标记说明
20、20A、20B、20C、20D：框体（框架）；21、22、23、40b、41b、40c：突起；30：膜电极接合体；40、41、40A、40B：隔板；A1～A7：燃料电池单元；D：流通区域（扩散部）；S1、S2：气体流路。

Claims (9)

1.一种燃料电池单元，其特征在于，
该燃料电池单元包括：
框体，其具有膜电极接合体；
一对隔板，它们从该框体的两表面侧夹持该框体；
多个突起，它们彼此隔着规定间隔配设于上述框体的两表面侧；
含氢气体的气体流路，其形成于上述框体的一表面侧；
含氧气体的气体流路，其形成于上述框体的另一表面侧；
上述框体的一表面侧的突起与另一表面侧的突起在燃料电池单元的层叠方向上以框体为中心非对称地配置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
以使上述含氢气体的气体流路和含氧气体的气体流路在燃料电池单元的层叠方向上以框体为中心呈非对称形状的方式配设上述突起。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池单元，其特征在于，
将上述多个突起一体地形成于框体。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，
在上述一对隔板的至少一个上一体地形成有多个突起。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池单元，其特征在于，
在上述一对隔板这双方上一体地形成有多个突起。
6.根据权利要求5所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述一个隔板的突起与框体抵接的面积和另一个隔板的突起与框体抵接的面积互不相同。
7.根据权利要求6所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述一个隔板的突起与另一个隔板的突起彼此相对地配置。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，
形成于上述框体的两表面的突起与隔板抵接的面积互不相同。
9.根据权利要求8所述的燃料电池单元，其特征在于，
形成于上述框体的两表面的突起彼此相对地配置。
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