CN104412435B - 燃料电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使表面压力作用于周围由框体保持的膜电极接合体、也能够防止膜电极接合体和框体的接合部位发生破损的燃料电池单元。燃料电池单元(1)具有：膜电极接合体(10)、框体(20)、一对隔板(30)以及支承构件(40)。膜电极接合体是将阳极(12)和阴极(13)以与电解质膜(11)相对的方式与电解质膜(11)接合在一起而形成的。框体用于保持膜电极接合体的周围。一对隔板用于夹持保持着膜电极接合体的框体。支承构件以沿着框体的缘部且超出缘部的方式突出，用于支承膜电极接合体。

Description

燃料电池单元
技术领域
本发明涉及一种燃料电池单元。
背景技术
近年来，燃料电池作为环境负荷较轻的电源受到关注。燃料电池例如使所供给的氢气和氧气发生化学反应，并将产生的化学能转换成电能。因为燃料电池通过化学反应产生的物质从理论上讲是水，所以几乎没有给地球环境带来恶劣影响。
燃料电池是以多个燃料电池单元层叠起来的状态连结固定而成，能够供给氢气和氧气。因此，燃料电池单元沿着其层叠方向被赋予固定的表面压力。另一方面，设置在了燃料电池单元的膜电极接合体(MEA：membrane electrode assembly)的强度比较弱。
因此，当表面压力作用于膜电极接合体时，膜电极接合体存在损坏的可能性。于是，燃料电池单元构成为通过在燃料电池单元的扩散层设置加强材，而使该燃料电池单元的与弯曲应力对应的刚性提高的结构(例如，参照专利文献1。)。
专利文献1：日本特开2006-310104号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在上述专利文献1的结构中，由于在燃料电池单元的扩散层设置加强材，因此制造工序变得复杂且也增加了制造成本。另外，要求通过利用框体保持膜电极接合体的周围来提高操作性，并且使燃料电池单元的与弯曲应力对应的刚性提高来防止膜电极接合体的损伤。
本发明是为了解决上述课题而做成的，其目的在于提供一种结构简单，即使有表面压力作用于膜电极接合体，也能够防止膜电极接合体和框体的接合部位发生破损的燃料电池单元。
用于解决问题的方案
实现上述目的的本发明的燃料电池单元具有：膜电极接合体、框体、一对隔板以及支承构件。膜电极接合体是将阳极和阴极以与电解质膜相对的方式与电解质膜接合在一起而形成的。框体用于保持膜电极接合体的周围，并与供含氢气体或含氧气体流通的流路相连接。一对隔板用于夹持保持着膜电极接合体的框体。本发明的燃料电池单元具有以下特征：支承构件设置于框体的形成有流路的一侧的面上，以沿着框体的缘部且超出缘部的方式突出，用于支承膜电极接合体。
发明的效果
在如上述那样构成的本发明的燃料电池单元中，支承构件以沿着框体的缘部且超出缘部的方式突出，用于支承膜电极接合体。因此，采用本发明的燃料电池单元，即使表面压力作用于膜电极接合体，该表面压力也能经由支承构件被分散到框体，从而使膜电极接合体和框体的接合部位未受到超额的负荷。即，即使表面压力作用于周围由框体保持的膜电极接合体，也不容易使膜电极接合体和框体的接合部位破损。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃料电池单元的立体图。
图2是表示将燃料电池单元分解成各个结构构件的立体图。
图3是利用图1的3-3线的位置的截面表示燃料电池单元的框体和多个支承构件以及膜电极接合体的局部的立体图。
图4是从图3所示的燃料电池单元除去了膜电极接合体的立体图。
图5是利用图1的5-5线的位置的截面表示燃料电池单元的立体图。
图6是表示在燃料电池单元中设置有多个支承构件所起到的作用的图。
具体实施方式
以下，参照添附的附图，说明本发明的实施方式。在附图的说明中，将相同的要素标记为相同的附图标记，而省略重复说明。附图中的各部件的大小、比例为了便于说明而被夸大，有时与实际的大小、比例不同。
图1是表示燃料电池单元1的立体图。图2是表示将燃料电池单元1分解成各个结构部件的立体图。图3是利用图1的3-3线的位置的剖面表示燃料电池单元1的框体20和多个支承构件40以及膜电极接合体10的局部的立体图。图4是从图3所示的燃料电池单元1除去了膜电极接合体10的立体图。图5是利用图1的5-5线的位置的剖面表示燃料电池单元1的局部的立体图。
概括地讲，燃料电池单元1具有：膜电极接合体10，其是以阳极12和阴极13面向电解质膜11地与电解质膜11接合在一起的方式形成；框体20，其用于保持膜电极接合体10的周围；一对隔板30，其用于夹持保持着膜电极接合体10的框体20。而且，燃料电池单元1还具有多个支承构件40，该支承构件40以沿着框体20的缘部且超出缘部的方式突出，并且支承膜电极接合体10。以下，参照图1～图5，按顺序地对燃料电池单元1的膜电极接合体10、框体20、一对隔板30以及多个支承构件40的结构进行详细说明。
如图2和图5所示，膜电极接合体10是以阳极12和阴极13面向电解质膜11地与电解质膜11接合在一起的方式形成的。电解质膜11例如由固体高分子材料构成并形成为薄板状。固体高分子材料例如使用的是能传导氢离子并且在湿润状态下具有良好的导电性的氟素树脂。阳极12是由电极催化剂层、防水层以及气体扩散层层叠起来而构成的，并且形成为比电解质膜11稍小的薄板状。阴极13是由电极催化剂层、防水层以及气体扩散层层叠起来而构成，并且形成为与阳极12同样大小的薄板状。阴极13和阳极12的电极催化剂层包含：电极催化剂和高分子电解质，该电极催化剂在导电性的载体上吸附保持有催化剂成分。阴极13和阳极12的气体扩散层例如由碳布、碳纤维纸、或者碳纤维毡形成，这些碳布、碳纤维纸、或者碳纤维毡是由具有充分的气体扩散性和导电性的碳纤维所形成的线编织成的。上述膜电极接合体10一般被称为MEA(membrane electrode assembly)。
如图2和图3所示，框体20用于保持膜电极接合体10的外周。框体20例如由具有电绝缘性的树脂构成，在利用内部开口的保持部20g保持着膜电极接合体10的外周的状态下，与膜电极接合体10一体形成为长方形的板状。内部开口的保持部20g的缘相当于框体20的缘部。框体20的支承部20h用于支承后述的一对隔板30中的第2隔板32的端子部32c。阴极气体供给口20a、冷却流体供给口20b以及阳极气体供给口20c分别以通孔的方式形成于框体20的长度方向的一端。阳极气体排出口20d、冷却流体排出口20e以及阴极气体排出口20f分别以通孔的方式形成于框体20的长度方向的另一端。
在框体20上，在从阴极气体供给口20a或者阴极气体排出口20f朝向膜电极接合体10的方向上，矩阵状地设置有肋20m，该肋20m由形成为圆柱形状的凸部构成。
框体20的肋20m是用于在层叠配设燃料电池单元1时在框体周围确保阴极气体的流路的部件。即、从框体20的阴极气体供给口20a供给来的阴极气体沿着肋20m流到膜电极接合体10。肋20m与框体20一体形成。在框体20上，即使在从框体20的阴极气体排出口20f朝向膜电极接合体10的方向上也形成有肋20m。
如图2和图5所示，一对隔板30用于夹持保持着膜电极接合体10的框体20。一对隔板30由第1隔板31和第2隔板32构成，该第1隔板31与保持着膜电极接合体10的框体20的一面侧接合，该第2隔板32接合于框体20的与一面相对的另一面侧并且具有端子部32c。
第1隔板31与保持着膜电极接合体10的框体20的一面侧接合。第1隔板31由具有导电性材料的金属构成，并且形成为比阳极12大的薄板状。从与燃料电池单元1接合的侧面观察，第1隔板31为了构成后述的流路而形成为设置有多个高度不同的凹状和凸状。即、第1隔板31以多个凹凸状的形状隔开固定间隔地排列的方式通过加压成形而形成。第1隔板31虽然设置在膜电极接合体10的阳极12侧，但也可以设置在阴极13侧。从侧面观察第1隔板31时，多个凹凸状的形状中的与阳极12接触一侧的区域相当于用于向该阳极12供给阳极气体的阳极气体流路31a。第1隔板31的多个凹凸状的形状中的不与阳极12接触一侧的区域相当于供用于冷却燃料电池单元1的冷却水流动的冷却水流路31b。
第2隔板32接合于框体20的与一面相对的另一面侧并且具有端子部32c。第2隔板32与第1隔板31一样，由具有导电性材料的金属构成，并且形成为比阴极13大的薄板状。在端子部32c卡定有未图示的电压测定连接器，用于测定由膜电极接合体10产生的电力的电压。端子部32c以与框体20的支承部20h的至少一部分相面对的方式朝向膜电极接合体10的外侧方向突出。从与燃料电池单元1接合的侧面观察，第2隔板32与第1隔板31一样，为了构成后述的流路而形成为设置有多个高度不同的凹状和凸状。即、第2隔板32以多个凹凸状的形状隔开固定间隔地排列的方式通过加压成形而形成。第2隔板32虽然设置在膜电极接合体10的阴极13侧，但也可以设置在阳极12侧。
另外，第2隔板32的多个凹凸状的形状中的与阴极13接触一侧的区域相当于用于向该阴极13供给阴极气体的阴极气体流路32a。第2隔板32的多个凹凸状的形状中的不与阴极13接触一侧的区域相当于供用于冷却燃料电池单元1的冷却水流动的冷却水流路32b。即、在邻接的燃料电池单元1中，其中1个燃料电池单元1的第1隔板31的冷却水流路31b与设置于另一个燃料电池单元1的第2隔板32的冷却水流路32b彼此相面对。因此，在邻接的燃料电池单元1中，第1隔板31的冷却水流路31b与设置于第2隔板32的冷却水流路32b形成1条冷却水流路。
如图3和图4所示，多个支承构件40以沿着框体20的缘部且超出缘部的方式突出并且支承膜电极接合体10。支承构件40作为加强膜电极接合体10的爪而发挥作用。框体20的缘部相当于在内部开口的保持部20g的缘。支承构件40例如由使用具有电绝缘性的树脂且形成为矩形形状的凸部构成。支承构件40沿着框体20的缘部隔开规定的间隔地设置有多个，用以支承膜电极接合体10。通过在框体20上设置支承构件40，即使有表面压力作用于膜电极接合体10，该表面压力也会经由支承构件40被分散到框体20，从而不对膜电极接合体10和框体20的接合部位施加超额的负荷。
支承构件40沿着形成为矩形形状的框体20的缘部中的相对的缘部而形成有多个。例如，支承构件30形成于在框体20上开有长方形形状的开口的保持部20g的长度方向的两端。在供含氢气体或者含氧气体流动的流路上并列排列地形成有多个支承构件40。即、支承构件40不妨碍含氢气体或者含氧气体的流通地对含氢气体或者含氧气体进行整流。
在阳极12或者阴极13中任一个电极的面上设置有多个支承构件40。例如，如图4所示，在阴极13的面上设置有多个支承构件40。其适用于在从阳极12侧朝向阴极13侧的方向上单向地作用表面压力的结构。通过在阴极13侧的面设置多个支承构件40，即使在从阳极12侧朝向阴极13侧的方向上作用表面压力时，利用支承构件40从该表面压力所作用的面的相反一侧支承膜电极接合体10。
支承构件40与框体20一体形成。因此，被膜电极接合体10按压的支承构件40不容易从框体20剥离或者不容易断裂。
在需要利用支承构件40对膜电极接合体10进行牢固地支承的情况下，可以通过将支承构件40粘接、焊接在膜电极接合体10上而与膜电极接合体10接合在一起。采用这样的结构，尤其是，即使燃料电池单元1构成为在从阳极12侧朝向阴极13侧的方向以及从阴极13侧朝向阳极12侧的方向的任一个方向上有表面压力作用的结构，也只需将支承构件40仅设置在阳极12侧的面以及阴极13侧的面的任一个面上即可。
对于在燃料电池单元1上设置有多个支承构件40所起到的作用，参照图6进行说明。
图6是表示在燃料电池单元1上设置多个支承构件40所起到的作用的图。
在框体20和膜电极接合体10的接合部上，在从常温到高温的3个温度下测定出在该接合部即将裂开时的最大荷重(N/mm)。由菱形表示的现有例的测定结果为：在框体20和膜电极接合体10的接合部中不具有本实施方式的支承构件40的结构的最大荷重。由圆形表示的本实施方式(TD)的测定结果为：在框体20和膜电极接合体10的接合部上，在从框体20的缘部朝向膜电极接合体10的方向上仅突出规定的距离地设置有支承构件40的结构的最大荷重。图中注释的TD表示Transverse Direction(横向)。由四边形表示的本实施方式(MD)是一种如下状态：在框体20和膜电极接合体10的接合部上，支承构件40在从框体20的缘部朝向膜电极接合体10的方向上仅突出规定的距离的状态。该状态下的测定结果为：支承构件40以沿着框体20的缘部只延伸规定的距离的方式设置的结构中的最大荷重。图中注释的MD表示Machine Direction(纵向)。
从菱形所示的现有例、圆形所示的本实施方式(TD)以及四边形所示的本实施方式(MD)中均可以发现，框体20和膜电极接合体10的接合部的即将裂开的最大荷重(N/mm)对于温度没有显著的依赖性。另一方面，圆形所示的本实施方式(TD)和四边形所示的本实施方式(MD)与菱形所示的现有例相比，框体20和膜电极接合体10的接合部的最大荷重(N/mm)提高。尤其是，四边形所示的本实施方式(MD)与菱形所示的现有例相比，框体20和膜电极接合体10的接合部的最大荷重(N/mm)显著提高。
采用上述本实施方式的燃料电池单元1，起到如下效果。
在燃料电池单元1中，使多个支承构件40以沿着框体20的缘部且超出缘部的方式突出，并且利用多个支承构件40支承膜电极接合体10。
采用如此构成的燃料电池单元1，多个支承构件40以沿着框体20的缘部且超出缘部的方式突出并且支承膜电极接合体10。因此，采用燃料电池单元1，即使表面压力作用于膜电极接合体10，该表面压力经由支承构件40被分散到框体20，从而不对膜电极接合体10和框体20的接合部位施加超额的负荷。即、即使表面压力作用于周围由框体20保持的膜电极接合体10，膜电极接合体10和框体20的接合部也不容易破损。
而且，在燃料电池单元1中，可以构成为如下结构：沿着形成为矩形形状的框体20的缘部中的相对的缘部形成有多个支承构件30。
采用如此构成的燃料电池单元1，例如，在框体20上开有长方形形状的开口的保持部20g的长度方向两端形成有支承构件30。因此，在保持部20g的长度方向的两端能够牢固地支承膜电极接合体10。
而且，在燃料电池单元1中，可以构成为如下结构：在供含氢气体或者含氧气体流动的流路上并列排列地形成有多个支承构件40。
采用如此构成的燃料电池单元1，支承构件40不妨碍含氢气体或者含氧气体的流通。而且，采用如此构成的燃料电池单元1，能够对含氢气体或者含氧气体进行整流。
而且，在燃料电池单元1中，可以构成为如下结构：在阳极12或者阴极13的任一个电极的面上设置有多个支承构件40。
采用如此构成的燃料电池单元1，例如，在从阳极12侧朝向阴极13侧的方向上单向地作用表面压力的结构中，通过在与有表面压力作用的面相反一侧的面相当的阴极13侧设置多个支承构件40，不会对膜电极接合体10和框体20的接合部位施加超额的负荷。另一方面，例如，在从阴极13侧朝向阳极12侧的方向上单向地作用表面压力的结构中，通过在与表面压力所作用的面相反一侧的面相当的阳极12侧设置多个支承构件40，从而不会对膜电极接合体10和框体20的接合部位施加超额的负荷。而且，在从阳极12侧朝向阴极13侧的方向以及从阴极13侧朝向阳极12侧的方向的任一个方向上作用表面压力的结构中，在阳极12侧的面以及阴极13侧的面上设置有多个支承构件40。
而且，在燃料电池单元1中，可以构成为支承构件40与框体20一体形成的结构。
采用如此构成的燃料电池单元1，因为将支承构件40与框体20一体形成，所以被膜电极接合体10按压的支承构件40不容易从框体20剥离或者不容易断裂。而且，采用如此构成的燃料电池单元1，以使框体20保持膜电极接合体10的外周的方式通过注塑成型来制造框体20时，因为支承构件40也同时与框体20一体形成，所以在量产性方面出色。
而且，在燃料电池单元1中，可以构成为将支承构件40接合于膜电极接合体10的结构。
采用如此构成的燃料电池单元1，能够通过将支承构件40粘接、焊接于膜电极接合体10等方式对膜电极接合体10进行牢固地支承。采用该结构，尤其是，即使燃料电池单元1构成为在从阳极12侧朝向阴极13侧的方向以及从阴极13侧朝向阳极12侧的方向中的任一个方向作用表面压力的结构，只需将支承构件40仅设置在阳极12侧的面和阴极13侧的面中的任一个面上即可。
除此之外，本发明基于权利要求所记载的结构能够进行各种改变，而且即使是这些改变也都在本发明的范围内。另外，在本实施方式中，虽然设置有多个支承构件40，但也能够只设置1个该支承构件40。本申请基于2012年6月18日申请的日本专利出愿号2012-137198号，将其公开的内容作为参照而全部编入本说明书中。
附图标记说明
1 燃料电池单元、
10 膜电极接合体、
11 电解质膜、
12 阳极、
13 阴极、
20 框体、
20a 阴极气体供给口、
20b 冷却流体供给口、
20c 阳极气体供给口、
20d 阳极气体排出口、
20e 冷却流体排出口、
20f 阴极气体排出口、
20g 保持部、
20h 支承部、
20m 肋、
30 隔板、
31 第1隔板、
31a 阳极气体流路、
31b 冷却水流路、
32 第2隔板、
32a 阴极气体流路、
32b 冷却水流路、
32c 端子部、
40 支承构件。

Claims (17)

1.一种燃料电池单元，其特征在于，具有：
膜电极接合体，其是将阳极和阴极以与电解质膜相对的方式与所述电解质膜接合在一起而形成的；
框体，其用于保持上述膜电极接合体的周围，并与供含氢气体或含氧气体流通的流路相连接；
一对隔板，其用于夹持保持着上述膜电极接合体的上述框体；以及
支承构件，其设置于所述框体的形成有所述流路的一侧的面上，以沿着所述框体的缘部且超出所述框体的方式突出，用于直接地支承上述膜电极接合体，所述支承构件与所述阳极或所述阴极的第1表面相对，所述第1表面与所述阳极或所述阴极的与所述电解质膜接触的第2表面相反。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件沿着形成为矩形形状的上述框体的上述缘部中的相对的上述缘部而形成有多个。
3.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件沿着所述流路并列排列并形成有多个。
4.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件沿着所述流路并列排列并形成有多个。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件在阳极和阴极的任一个电极的面上设置有多个。
6.根据权利要求5所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件在阳极和阴极的任一个电极的面上设置有多个。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述框体一体形成。
8.根据权利要求5所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述框体一体形成。
9.根据权利要求6所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述框体一体形成。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述膜电极接合体接合在一起。
11.根据权利要求5所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述膜电极接合体接合在一起。
12.根据权利要求6所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述膜电极接合体接合在一起。
13.根据权利要求7所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述膜电极接合体接合在一起。
14.根据权利要求8所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述膜电极接合体接合在一起。
15.根据权利要求9所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述支承构件与上述膜电极接合体接合在一起。
16.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，上述支承构件设置于上述框体和一个上述隔板之间，并在上述框体的上述一侧的面上从上述缘部延伸规定的距离。
17.一种燃料电池单元，其特征在于，具有：
膜电极接合体，其是将阳极和阴极以与电解质膜相对的方式与所述电解质膜接合在一起而形成的；
框体，其用于保持上述膜电极接合体的周围；
一对隔板，其用于夹持保持着上述膜电极接合体的上述框体，上述一对隔板中的每一个隔板包括多个凹凸部，所述多个凹凸部形成供含氢气体和含氧气体中的至少一者流通的流路，所述框体的第1表面与至少一个所述流路相接触；和
支承构件，其设置于所述框体的所述第1表面，并从所述框体的缘部突出以在朝向所述框体内部的方向上延伸超出所述框体，并支承上述膜电极接合体，所述支承构件与所述阳极或所述阴极的第1表面相对，所述第1表面与所述阳极或所述阴极的与所述电解质膜接触的第2表面相反。
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