CN103443980B - 燃料电池单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池单元，该燃料电池单元具有：膜电极接合体（30），其通过在电解质膜（31）的一侧的面接合阳极（32）、在该电解质膜（31）的另一侧的面接合阴极（33）而形成；框体（20），其与膜电极接合体（30）一体地形成；一对分离片，其用于夹持膜电极接合体（30）和框体（20）。在一对分离片（40、41）上形成有用于夹持膜电极接合体（30）的至少一对夹持片（42、43）。使一对夹持片（42、43）的夹持端部（42a、43a）的位置在燃料电池单元的层叠方向上彼此错开。

Description

燃料电池单元

技术领域

本发明涉及一种燃料电池单元，其通过使含氢气体和含氧气体彼此分离地流入阳极和阴极、自阳极和阴极流出，从而进行发电。

背景技术

如图9所示，日本特开2008-171783号公报公开了利用阳极侧分离片5和阴极侧分离片6夹持膜电极接合体4而成的燃料电池单元，该膜电极接合体4通过在固体高分子电解质膜1的一侧的面接合阳极2、在该固体高分子电解质膜1的另一侧的面接合阴极3而形成。在阳极侧分离片5形成有用于向阳极2供应含氢气体的流路，在阴极侧分离片6形成有用于向阴极3供应含氧气体的流路。

另外，固体高分子电解质膜1被第1支承部件7和第2支承部件8夹持。第1支承部件7与阳极侧分离片5形成为一体，并在比阳极2的电极边缘端靠面方向的外侧的位置抵接于固体高分子电解质膜1。第2支承部件8与阴极侧分离片6形成为一体，并在比阴极3的电极边缘端靠面方向的外侧的位置抵接于固体高分子电解质膜1。在该燃料电池单元中，在阳极侧分离片5的的周缘形成有凹部5a，使O型圈9嵌入该凹部5a而进行气密密封。

但是，在上述燃料电池单元中，在高压下将燃料气体供应至阳极2，因此阳极2和阴极3之间会产生压力差（以下，称为“压差”）。此时，介于阳极2和阴极3之间的固体高分子电解质膜1和第1支承部件7、第2支承部件8承受由上述压差引起的负荷。

但是，在上述燃料电池单元中，在第1支承部件7、第2支承部件8周围划分形成有空间S1、S2，另外，第1支承部件7、第2支承部件8位于离O型圈9较远的位置。因此，每次产生上述压差，固体高分子电解质膜1和第1支承部件7、第2支承部件8都会较大地变形。

即，由于因每次压差的产生而导致的变形，弯曲应力、剪切力反复地作用于第1支承部件7的基端部、第2支承部件8的基端部、固体高分子电解质膜1。因此，在上述燃料电池单元中，由于该反复的负荷，第1支承部件7、第2支承部件8、固体高分子电解质膜1有可能破损。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够防止由含氢气体和含氧气体之间的压差所引起的应力导致的破损的燃料电池单元。

本发明的1技术方案为燃料电池单元，该燃料电池单元具有：膜电极接合体，其通过在电解质膜的一侧的面接合阳极、在该电解质膜的另一侧的面接合阴极而形成；框体，其与膜电极接合体一体地形成；一对分离片，其夹持膜电极接合体和框体。在一对分离片中，形成有用于夹持膜电极接合体的至少一对夹持片。使一对夹持片的夹持端部的位置在燃料电池单元的层叠方向上彼此错开。

附图说明

图1为应用本发明的第1实施方式的燃料电池单元的燃料电池组的外观立体图。

图2为图1的燃料电池组的分解立体图。

图3为本发明的第1实施方式的燃料电池单元的分解立体图。

图4为本发明的第1实施方式的燃料电池单元的俯视图。

图5为图4的V-V局部剖视图。

图6为图4的VI-VI局部剖视图。

图7为图5的VII部分的放大图。

图8为本发明的第2实施方式的燃料电池单元的相当于图5的局部剖视图。

图9为表示以往的燃料电池单元的主要部分的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图用实施方式来说明本发明。各实施方式都为将本发明应用于在车辆上搭载的固体高分子电解质型燃料电池的例子。并且，在附图的说明中对于同一元件标注同一附图标记，省略重复的说明。另外，附图的尺寸比例有为了便于说明被放大、与实际的比例不相同的情况。并且，在附图的说明中，为了方便起见，将多个燃料电池单元层叠的方向称为层叠方向α、将与各燃料电池单元的长度方向平行且与层叠方向α垂直的方向称为单元长度方向β、将与方向α、β垂直的方向称为单元宽度方向γ。

第1实施方式

参照图1～图7对本发明的第1实施方式的燃料电池单元A1及应用其的燃料电池组（日文：燃料電池スタック）10进行说明。

如图1、图2所示，燃料电池组10具有：多个燃料电池单元A1，其沿层叠方向α层叠；一对集电板13、14，其配置于多个燃料电池单元A1的层叠方向α的外侧；一对端板11、12，其配置于一对集电板13、14的层叠方向α的外侧。利用紧固板15、16和加强板17、17将一对端板11、12彼此紧固，该一对端板11、12对配置于它们之间的多个燃料电池单元A1等进行夹持。并且，在本实施方式中、在一侧的端板12和集电板14之间设有隔离件19。另外，在本实施方式中，利用螺栓18等将端板11、12紧固于紧固板15、16和加强板17、17，但紧固方法并不限于此。

如图3所示，燃料电池单元A1通过将膜电极接合体30和在该膜电极接合体30的周围一体地形成的树脂制造的框体（以下，称为“框”）20夹持于一对分离片40、41之间而形成。在燃料电池单元A1的与膜电极接合体30相对应的区域形成有发电部G。

在发电部G的单元长度方向β上的两外侧，燃料电池单元A1具有用于进行含氢气体或含氧气体的供应和排出的歧管部Ｍ、Ｍ。另外，在各歧管部Ｍ和发电部G之间的区域，燃料电池单元A1具有扩散部Ｄ、Ｄ，该扩散部Ｄ、Ｄ为含氢气体或含氧气体的自各歧管部Ｍ到发电部G的流通区域。

扩散部Ｄ分别形成于框20与层叠方向α两侧的分离片40、41之间，即分别形成于阳极32侧和阴极33侧。

另外，单元长度方向β上的一侧的歧管部Ｍ具有歧管孔（日文：マニホールド孔）H1～H3。歧管孔H1～H3包括含氧气体供应用歧管孔H1、冷却流体供应用歧管孔H2和含氢气体供应用歧管孔H3。在燃料电池组10中，歧管孔H1～H3分别形成沿层叠方向α延伸的流路。单元长度方向β上的另一侧的歧管部Ｍ具有歧管孔H4～H6。歧管孔H4～H6包括含氢气体排出用歧管孔H4、冷却流体排出用歧管孔Ｈ5和含氧气体排出用歧管孔H6。在燃料电池组10中，歧管孔H4～H6分别形成沿层叠方向α延伸的流路。并且，也可以是，供应用歧管孔和排出用歧管孔的一部分或全部具有相反的位置关系。

膜电极接合体30也被称为MEA（MembraneElectrodeassembly），如图7所示，例如具有在由固体高分子材料构成的电解质膜31的一侧的面接合有阳极32、在该电解质膜31的另一侧的面接合有阴极33的构造。在本实施方式中，在阳极32的表面层叠有由碳纸、多孔质体等构成的气体扩散层34。另外，在本实施方式中，在阴极33的表面也层叠有气体扩散层34。并且，也可以是，膜电极接合体30不设有气体扩散层34，而由电解质膜31、阳极32和阴极33构成。膜电极接合体30向阳极32供应含氢气体，向阴极33供应含氧气体，从而进行基于电化学反应的发电。即，燃料电池单元A1通过使含氢气体和含氧气体彼此分离地流入阳极32和阴极33、自阳极32和阴极33流出，从而进行发电。

如图3所示，框20利用例如注塑成型与膜电极接合体30一体地形成。在本实施方式中，在沿层叠方向α看到的俯视图中，框20具有在单元长度方向β上较长的横长方形的形状。膜电极接合体30配置于框20的中央部分。如图5所示，框20利用支承部20a对膜电极接合体30的外周缘进行支承。另外，框20形成为大致恒定的板厚。

在框20的与扩散部D相对应的部位以所需的间隔突出地设有圆柱台形的多个突起21，该多个突起21用于使框20和与该框20相对的分离片40、41分开。并且，突起21的形成位置并不限定于框20。即，突起21也可以形成于分离片40、41，另外，突起21也可以分成两部分以适当的高度分别形成于框20和分离片40、41。并且，用于对膜电极接合体30的单元长度方向β的两端部进行支承的支承部20a划分出扩散部D的含氢气体或者含氧气体的流路。

分离片40、41分别通过对不锈钢等金属板进行冲压成型而形成。如图3～图6所示，在分离片40、41的与膜电极接合体30相对的中央部分40a、41a分别具有凹凸形状。在该凹凸形状部分形成有与单元长度方向β大致平行而连续地延伸的多个凸条40b、41b及多个凹条40c、41c。如图6所示，这些凸条40b、41b和凹条40c、41c沿单元宽度方向γ交替地排列。

各凸条40b、41b在其顶面42t、43t与膜电极接合体30相接触。在分离片40的中央部分40a突出地形成的凸条40b和在分离片41的中央部分41a突出地形成的凸条41b以夹着膜电极接合体30的方式彼此相对地配置。如图5所示，彼此相对地配置的一对凸条40b、41b作为使其顶面42t、43t与膜电极接合体30抵接而夹持膜电极接合体30的夹持片42、43发挥作用。另一方面，各凹条40c、41c划分出含氢气体或含氧气体的流路。

在分离片40、41的单元长度方向β上的两端部形成有歧管孔Ｈ1～Ｈ6。分离片40、41的歧管孔Ｈ1～Ｈ6分别与框20的歧管孔Ｈ1～Ｈ6形状相同、大小相同，并且，分离片40、41的歧管孔Ｈ1～Ｈ6分别形成于与框20的歧管孔Ｈ1～Ｈ6彼此相对的位置。

在本实施方式中，使分离片40、41的凸条40b、41b即各夹持片42、43的夹持端部42a、43a的位置以在燃料电池单元A1的层叠方向α不相互正对的方式错开。所谓“以在燃料电池单元A1的层叠方向α不相互正对的方式错开”是指以下状态：使夹着框20和/或膜电极接合体30而位于两侧的夹持片42、43的夹持端部42a、43a在膜电极接合体30的面方向（与层叠方向α正交的方向，例如单元长度方向β）位置错开，以在从层叠方向α看的俯视中不相互重叠。即，对于夹着膜电极接合体30彼此相对配置的一对夹持片42、43，夹持片42的顶面42t的端部（夹持端部）42a的位置和夹持片43的顶面43t的端部（夹持端部）43a的位置形成为在膜电极接合体30的面方向彼此错开。

换而言之，在图5中，通过将夹持片42、43的自燃料电池组10的中心轴线Ｏ向单元长度方向β外侧延伸的长度L1、L2设定为彼此不同，从而夹持片42、43的端部42a、43a位于在层叠方向α上不彼此相对的位置。

在本实施方式中，使两分离片40、41的各夹持片42、43的各自的夹持长度不相同。即，将分离片40的夹持片42的顶面42t的长度L1设定得比分离片41的夹持片43的顶面43t的长度L2长。也就是，夹持片42的顶面42t的两端部42a之间的沿膜电极接合体30的面方向的长度L1比夹持片43的顶面43t的两端部43a之间的沿膜电极接合体30的面方向的长度L2长。因此，在夹持片42的端部42a与夹持片43的端部43a之间设有在膜电极接合体30的面方向（在本实施方式中为单元长度方向β）上所需的间隔L3。

在上述第1实施方式的燃料电池单元A1中，使两分离片40、41的各夹持片42、43的挟持端部42a、43a的位置在燃料电池单元A1的层叠方向α上彼此错开。因此，能够使压差产生时作用于框20或膜电极接合体30的弯曲应力、剪切力分散，由此能够防止由含氢气体和含氧气体的压差所引起的应力导致的破损。

另外，采用燃料电池单元A1，能够避免压差产生时的应力产生处集中于一点，因此能够延长弯曲疲劳寿命。

即，在燃料电池单元A1中，例如，当靠分离片40侧的扩散部D中的气体压力比靠分离片41侧的扩散部D中的气体压力高时，由压差引起的负荷沿着图5的箭头P₁的方向施加于膜电极接合体30和框20。于是，在该负荷的作用下，膜电极接合体30和框20的中心面如图5的曲线DF₁所示地移位。更详细而言，膜电极接合体30和框20以分离片41的夹持片43的挟持端部43a为起点挠曲，比夹持端部43a靠单元长度方向β外侧的部分向分离片41侧移位。此时，在膜电极接合体30和框20产生的弯曲力矩或弯曲应力在夹持端部43a附近变大。

另一方面，例如，当靠分离片41侧的扩散部D中的气体压力比靠分离片40侧的扩散部D中的气体压力高时，由压差引起的负荷沿着图5的箭头P₂的方向施加于膜电极接合体30和框20。于是，在该负荷的作用下，膜电极接合体30和框20的中心面如图5的曲线DF₂所示地移位。更详细而言，膜电极接合体30和框20以分离片40的夹持片42的挟持端部42a为起点挠曲，比夹持端部42a靠单元长度方向β外侧的部分向分离片40侧移位。此时，在膜电极接合体30和框20产生的弯曲力矩或弯曲应力在夹持端部42a附近变大，该夹持端部42a在面方向上离夹持端部43a的距离为间隔L3。

这样，采用本实施方式，压差产生时的应力产生处不会集中于一点。

第2实施方式

参照图8对本发明的第2实施方式的燃料电池单元A2进行说明。并且，燃料电池单元A2的膜电极接合体50和分离片60、61的结构与第1实施方式的燃料电池单元A1的膜电极接合体30和分离片40、41的结构不同。以下，对该不同点进行说明，而对于与在第1实施方式中已说明的结构等同的结构标注同一附图标记并省略说明。

如图8所示，对于膜电极接合体50，例如在由固体高分子材料构成的电解质膜31的一侧的面接合阳极32，在该电解质膜31的另一侧的面接合阴极33，并且在阳极32和阴极33的各表面分别层叠由碳纸、多孔质体等构成的气体扩散层34、35。膜电极接合体50的外周缘被框20的支承部20a支承。

在本实施方式中，靠阴极33侧的气体扩散层35形成得比靠阳极32侧的气体扩散层34长。靠阴极33侧的气体扩散层35自靠阳极32侧的气体扩散层34的单元长度方向β上的两端部向外侧突出相同的长度。

分离片60、61分别通过对不锈钢等金属板进行冲压成型而形成。如图8所示，分离片60、61的与膜电极接合体50相对的中央部分分别具有凹凸形状。该凹凸形状部分形成有与单元长度方向β大致平行而连续地延伸的多个凸条及凹条。这些凸条和凹条沿单元宽度方向γ交替地排列。

各凸条的顶面62t、63t与膜电极接合体50相接触。在分离片60的中央部分突出地形成的凸条和在分离片61的中央部分突出地形成的凸条以夹着膜电极接合体50的方式彼此相对地配置。如图8所示，彼此相对地配置的一对凸条作为使其顶面62t、63t与膜电极接合体50抵接而夹持膜电极接合体50的夹持片62，63发挥作用。另一方面，各凹条划分出含氢气体或含氧气体的流路。

在分离片60、61的单元长度方向β上的两端部形成有歧管孔Ｈ1～Ｈ6（未图示）。分离片60、61的歧管孔Ｈ1～Ｈ6分别与框20的歧管孔Ｈ1～Ｈ6形状相同、大小相同，并且，该分离片60、61的歧管孔Ｈ1～Ｈ6分别形成于与框20的歧管孔Ｈ1～Ｈ6彼此相对的位置。

在本实施方式中，使分离片60、61的各夹持片62、63的夹持端部62a、63a的位置以在燃料电池单元A2的层叠方向α上不相互正对的方式错开。另外，在本实施方式中，将分离片60的夹持片62的顶面62t的长度L4设定得比分离片61的夹持片63的顶面63t的长度L5长。即，夹持片62的顶面62t的两端部62a之间的沿膜电极接合体50的面方向的长度L4比夹持片63的顶面63t的两端部63a之间的沿膜电极接合体50的面方向的长度L5长。在夹持片62的端部62a和夹持片63的端部63a之间设有沿膜电极接合体50的面方向（在本实施方式中为单元长度方向β）的所需的间隔L6。

并且，在本实施方式中使夹持长度相对较长的、分离片60的夹持片62与气体扩散层35和框20抵接。即，分离片60的夹持片62的顶面62t抵接于气体扩散层35和框20的支持部20a这两者，夹持片62的顶面62t的端部（夹持端部）62a位于框20的支承部20a上。另一方面，分离片61的夹持片63的顶面63t抵接于气体扩散层34，夹持片63的顶面63t的端部（夹持端部）63a位于膜电极接合体50的气体扩散层34上。

采用上述的第2实施方式的燃料电池单元A2，在压差产生时强度低的部位不会成为弯曲的起点，另外，应力产生处不会集中于一点，因此能够延长弯曲疲劳寿命。

即，在燃料电池单元A2中，例如，当靠分离片60侧的扩散部D中的气体压力比靠分离片61侧的扩散部D中的气体压力高时，由压差引起的负荷沿着图8的箭头P₃的方向施加于膜电极接合体50和框20。于是，在该负荷的作用下，膜电极接合体50和框20的中心面如图8的曲线DF₃所示地移位。更详细而言，膜电极接合体50和框20以分离片61的夹持片63的挟持端部63a为起点挠曲，比夹持端部63a靠单元长度方向β外侧的部分向分离片61侧移位。此时，在膜电极接合体50和框20产生的弯曲力矩或弯曲应力在夹持端部63a附近变大。

另一方面，例如当靠分离片61侧的扩散部D中的气体压力比靠分离片60侧的扩散部D中的气体压力高时，由压差引起的负荷沿着图8的箭头P₄的方向施加于膜电极接合体50和框20。于是，在该负荷的作用下，膜电极接合体50和框20的中心面如图8的曲线DF₄所示地移位。更详细而言，膜电极接合体50和框20以分离片60的夹持片62的挟持端部62a为起点挠曲，比夹持端部62a靠单元长度方向β外侧的部分向分离片60侧移位。此时，在膜电极接合体50和框20产生的弯曲力矩或弯曲应力在夹持端部62a附近变大，该夹持端部62a在面方向上离夹持端部63a的距离为间隔L6。

这样，采用本实施方式，压差产生时的压力产生处不会集中于一点。另外，采用本实施方式，夹持片62的夹持端部62a位于框20的支承部20a上，因此能够避免压差产生时的弯曲力矩或弯曲应力变大的位置位于强度低的部位。

以上，说明了本发明的实施方式，但这些实施方式仅仅是为了容易理解本发明而记载的示例，本发明并不限定于这些实施方式。本发明的保护范围并不限定于上述实施方式等公开的具体技术特征，而包括能由此容易地导出的各种变形，更改、代替技术等。

本申请基于2011年4月7日提出申请的日本特许愿第2011-085524号主张优先权，该申请的全部内容引用至本申请。

产业上的可利用性

采用本发明，能够使由含氢气体和含氧气体之间的压差引起而作用于框体或膜电极接合体的应力分散，而能够防止破损。

附图标记说明

20：框体（框）；30、50：膜电极接合体；31：电解质膜；32：阳极；33：阴极；34，35：气体扩散层；40、41、60、61：分离片；42、43、62、63：夹持片；42a、43a：夹持端部；62a、63a：挟持端部；A1、A2：燃料电池单元

Claims (8)

1.一种燃料电池单元，其特征在于，

该燃料电池单元具有：

膜电极接合体，其通过在电解质膜的一侧的面接合阳极、在上述电解质膜的另一侧的面接合阴极而形成；

框体，其与上述膜电极接合体一体地形成；

一对分离片，其夹持上述膜电极接合体和上述框体，

在歧管部和发电部之间且在上述框体和上述一对分离片之间形成有扩散部，该扩散部为含氢气体或含氧气体的流通区域，

在上述一对分离片上形成有用于夹持上述膜电极接合体的在上述发电部处的部分的至少一对夹持片，

使上述一对夹持片的夹持端部的位置以在气体在膜电极接合体上流动的方向上不相互正对的方式错开，且上述一对夹持片的夹持端部中的一个夹持端部位于与上述扩散部的气体流路相对的位置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，

上述一对夹持片具有彼此不同的夹持长度。

3.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其特征在于，

上述膜电极接合体具有气体扩散层，

上述一对夹持片中的具有较长夹持长度的夹持片抵接于上述气体扩散层和上述框体。

4.一种燃料电池单元，其特征在于，

该燃料电池单元具有：

膜电极接合体，其通过在电解质膜的一侧的面接合阳极、在上述电解质膜的另一侧的面接合阴极而形成；

框体，其与上述膜电极接合体一体地形成；

第1分离片和第2分离片，其夹持上述膜电极接合体和上述框体，

在歧管部和发电部之间且在上述第1分离片与上述膜电极结合体、上述第1分离片与上述框体之间形成有第1气体流路，

在上述歧管部和上述发电部之间且在上述第2分离片与上述膜电极结合体、上述第2分离片与上述框体之间形成有第2气体流路，

上述第1分离片形成有用于夹持上述膜电极结合体的在上述发电部处的部分的第1夹持片，该第1夹持片的第1面抵接于上述膜电极结合体，该第1面的长度方向为气体在上述膜电极接合体上流动的方向，

上述第2分离片形成有用于和上述第1夹持片一起夹持上述膜电极结合体的在上述发电部处的部分的第2夹持片，该第2夹持片设于与上述第1夹持片相对的位置，该第2夹持片的第2面抵接于上述膜电极结合体，该第2面的长度方向为气体在上述膜电极接合体上流动的方向，

上述第1面的端部的在气体在上述膜电极接合体上流动的方向上的位置和上述第2面的端部的在气体在上述膜电极接合体上流动的方向上的位置以在气体在上述膜电极接合体上流动的方向上不相互正对的方式错开，并且，在气体在上述膜电极接合体上流动的方向上，上述第1面的端部位于与上述第2气体流路相对的位置。

5.根据权利要求4所述的燃料电池单元，其特征在于，

上述第1面的长度比上述第2面的长度长。

6.根据权利要求4或5所述的燃料电池单元，其特征在于，

上述膜电极结合体具有气体扩散层，

上述框体具有用于对上述膜电极接合体的外周缘进行支承的支承部，

上述第1面抵接于上述气体扩散层和上述框体的支承部。

7.根据权利要求4或5所述的燃料电池单元，其特征在于，

上述框体具有用于对上述膜电极接合体的外周缘进行支承的支承部，

上述第1面抵接于上述膜电极接合体和上述框体的支承部，

在气体在上述膜电极接合体上流动的方向上，上述第1面的端部位于位于上述框体的支承部上。

8.根据权利要求7所述的燃料电池单元，其特征在于，

在气体在上述膜电极接合体上流动的方向上，上述第2面的端部位于上述膜电极接合体上。