CN105591122A - 燃料电池单体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池单体，能够抑制从歧管排出的水被配置于膜电极接合体与隔板之间的多孔体吸收，而提高排水性。该燃料电池单体(1)具备：多孔体流路(20c)，与膜电极接合体(10m)的阴极侧相向地配置；及隔板(30)，夹持膜电极接合体和多孔体流路，并具有供从多孔体流路排出的阴极废气流通的阴极废气排出用贯通孔(32b)，多孔体流路具有伸出部位(201)，当在隔板的厚度方向上观察时，该伸出部位从膜电极接合体侧向阴极废气排出用贯通孔内伸出，该伸出部位在隔板的长边方向上的长度比阴极废气排出用贯通孔的膜电极接合体侧的一边短。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池单体。
背景技术
固体高分子型燃料电池具有在离子透过性的电解质膜的两面依次层叠有催化剂层及气体扩散层而成的膜电极接合体，通过组合多个以气体流路层和隔板来夹持该膜电极接合体而成的燃料电池单体而形成燃料电池组。在阳极(负极)供给含有氢的燃料气体，通过下式(1)所示的电化学反应而从燃料气体生成质子。生成的质子通过电解质膜向阴极(正极)移动。在另一阴极(正极)供给含有氧的氧化剂气体，与从阳极(负极)移动过来的质子发生反应而通过下式(2)所示的电化学反应生成水(以下，也称作生成水)。利用在该一对电极构造体的电解质膜侧的表面产生的电化学反应而从电极获取电能。
阳极反应：H2→2H++2e-…(1)
阴极反应：2H++2e-+(1/2)O2→H2O…(2)
在上述燃料电池单体中，作为流路形成部件，存在配置多孔体的情况，该流路形成部件在膜电极接合体与隔板之间形成用于使发电用的反应气体沿气体扩散层的表面流动的气体流路。
并且，关于这样的燃料电池单体，提出有各种技术。例如，在下述专利文献1所记载的燃料电池单体中，向形成于燃料电池单体的歧管(贯通孔)内伸出地配置多孔体。
专利文献1：日本特开2013-187030号公报
发明内容
另外，通过上述电化学反应在阴极生成水，该水通过形成于燃料电池单体的歧管而排出。在上述专利文献1所记载的燃料电池单体中，由于多孔体以向该歧管内伸出的状态配置，因此存在通过歧管而排出的水再次被多孔体吸收的隐患。若水被向歧管内伸出的多孔体吸收，则有可能存在排水性甚至发电性能降低的隐患。
本发明就是鉴于这样的课题而提出的，其目的在于提供一种能够抑制从歧管排出的水被配置于膜电极接合体与隔板之间的多孔体吸收而提高排水性的燃料电池单体。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池单体的特征在于，该燃料电池单体具备：膜电极接合体，在电解质膜的两面层叠有阳极电极和阴极电极；多孔体流路，与上述膜电极接合体的阴极侧相向地配置，形成用于使氧化气体在上述阴极电极流动的气体流路；及一对隔板，夹持上述膜电极接合体和上述多孔体流路，上述隔板具有阴极废气排出用贯通孔，该阴极废气排出用贯通孔贯通上述隔板的厚度方向地形成于上述膜电极接合体的外侧，供从上述多孔体流路排出的阴极废气流通，上述多孔体流路具有伸出部位，当在上述厚度方向上观察时，该伸出部位从上述阴极废气排出用贯通孔的上述膜电极接合体侧向上述阴极废气排出用贯通孔内伸出，该伸出部位在上述隔板的长边方向上的长度比上述阴极废气排出用贯通孔的上述膜电极接合体侧的一边短。
在本发明的燃料电池单体中，多孔体流路具有伸出部位，当在隔板的厚度方向上观察时，该伸出部位从阴极废气排出用贯通孔的膜电极接合体侧向阴极废气排出用贯通孔内伸出，该伸出部位在隔板的长边方向上的长度比阴极废气排出用贯通孔的膜电极接合体侧的一边短。由于如此形成未从多孔体流路向阴极废气排出用贯通孔内伸出的部分，因此从多孔体流路排出的水易于在未伸出的部分流动，能够抑制排出的水再次被多孔体流路吸收。其结果是，能够提高燃料电池单体的排水性。
另外，在本发明的燃料电池单体中，优选的是，上述隔板具有沿上述隔板的长边并排设置的多个阴极废气排出用贯通孔，向上述多个阴极废气排出用贯通孔中的、配置于上述隔板的长边方向上的两端部侧的阴极废气排出用贯通孔内伸出的上述伸出部位在上述长边方向上的长度比上述阴极废气排出用贯通孔的上述膜电极接合体侧的一边短。
另外，在本发明的燃料电池单体中，优选的是，上述伸出部位在上述长边方向上的长度比上述阴极废气排出用贯通孔的上述膜电极接合体侧的一边短1mm以上。
另外，在本发明的燃料电池单体中，优选的是，上述伸出部位从上述阴极废气排出用贯通孔的上述膜电极接合体侧的一边向上述膜电极接合体的外侧方向突出1mm以上。
发明效果
采用本发明，能够提供一种能够抑制从歧管排出的水被配置于膜电极接合体与隔板之间的多孔体吸收而能够提高排水性的燃料电池单体。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池单体的概略结构的俯视图。
图2是图1所示的圆W的放大图。
图3是表示本发明的实施方式的燃料电池单体的概略结构的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。本发明是通过以下优选的实施方式来进行说明的，但是能够在不脱离本发明的范围的基础上通过多种手法进行变更，能够利用除本实施方式以外的其他实施方式。因此，本发明的范围内的全部变更包含在权利要求中。
首先，参照图1～图3说明本实施方式的燃料电池单体1。图1是表示燃料电池单体1的概略结构的俯视图。图2是图1所示的圆W的放大图。图3(A)是图1的A-A剖视图，图3(B)是图1的B-B剖视图。
此外，以图1～图3所示的燃料电池单体1为基本单位，通过层叠多个而形成燃料电池组(省略图示)。层叠而成的燃料电池单体1以串联的方式电连接，在燃料极(阳极)侧供给氢等燃料气体，在氧极(阴极)侧供给氧、空气等氧化剂气体，通过电化学反应来进行发电。
如图1～图3所示，燃料电池单体1具备膜电极气体扩散层接合体10、多孔体流路20a、20c、隔板30a、30c、密封板40及密封材料50。以下，通称隔板30a、30c，也称作隔板30。
膜电极气体扩散层接合体10是通过在膜电极接合体10m的两面接合气体扩散层10a、10c而形成的。膜电极接合体10m是通过在电解质膜的两面接合电极(阳极及阴极)而形成的。在本实施方式中，作为电解质膜，使用了Nafion(注册商标)。作为电解质膜，也可以使用具有质子传导性的其他固体高分子膜。另外，在本实施方式中，作为气体扩散层10a、10c，使用了碳纤维布。作为气体扩散层10a、10c，也可以使用碳纤维纸等具有导电性及气体透过性的其他部件。此外，在本实施方式中，在膜电极气体扩散层接合体10，将阳极侧的气体扩散层10a的大小设为比阴极侧的气体扩散层10c的大小大，但是能够适当地选择气体扩散层10a、10c的大小。如图3所示，膜电极气体扩散层接合体10配置于燃料电池单体1的中央部。
多孔体流路20a层叠于膜电极气体扩散层接合体10的阳极侧的气体扩散层10a的表面。多孔体流路20a由多孔体构成，形成用于使作为燃料气体的氢沿阳极侧的气体扩散层10a的表面流动的气体流路。另外，多孔体流路20c层叠于膜电极气体扩散层接合体10的阴极侧的气体扩散层10c的表面。多孔体流路20c与多孔体流路20a相同，由多孔体构成，并形成用于使作为氧化剂气体的空气沿阴极侧的气体扩散层10c的表面流动的气体流路。在本实施方式中，作为多孔体流路20a、20c，例如使用膨胀合金等多孔体，但是也可以使用具有导电性的其他多孔体。
隔板30a层叠于多孔体流路20a的表面。另外，隔板30c层叠于多孔体流路20c的表面。在本实施方式中，作为隔板30，使用了金属板。作为隔板30，也可以使用气体不透过且具有导电性的其他部件。此外，在本实施方式中，将沿隔板30的短边的方向(在图1及图2中为上下方向)称作“隔板30的短边方向”，将沿隔板30的长边的方向(在图1及图2中为左右方向)称作“隔板30的长边方向”。另外，将燃料电池单体1的层叠方向(在图3中为上下方向)称作“隔板30的厚度方向”。
如图1所示，隔板30具有矩形的外形形状。并且，在隔板30形成有沿隔板30的厚度方向贯通的多个贯通孔。即，在隔板30，沿一长边(图示的下边)并排设置有用于将从燃料电池单体1的外部供给的空气向多孔体流路20c导入的多个空气导入用贯通孔32a。
另外，在隔板30，沿另一长边(图示的上边)并排设置有用于将从多孔体流路20c排出的阴极废气向燃料电池单体1的外部排出的多个阴极废气排出用贯通孔32b。
另外，在隔板30，沿一短边(图示的左边)形成有用于将从燃料电池单体1的外部供给的氢向多孔体流路20a导入的氢导入用贯通孔34a及用于将从燃料电池单体1的外部供给的冷却水向冷却水流路导入的多个冷却水导入用贯通孔36a。
另外，在隔板30，沿另一短边(图示的右边)形成有用于将从多孔体流路20a排出的阳极废气向燃料电池单体1的外部排出的阳极废气排出用贯通孔34b及用于将从冷却水流路排出的冷却水向燃料电池单体1的外部排出的多个冷却水排出用贯通孔36b。在本实施方式中，上述各贯通孔具有矩形形状。并且，在各贯通孔的周围，在隔板30(隔板30c)的表面配置橡胶制的垫圈60(参照图3)，从而如图1所示地形成有密封线SL。
密封材料50形成于隔板30a与隔板30c之间的膜电极气体扩散层接合体10的外周部及隔板30a与隔板30c之间的各贯通孔的周围。该密封材料50是通过使具有流动性的液状密封材料(例如液状橡胶)固化而形成的。作为具有流动性的液状密封材料，例如，使用在热固化前始终具有流动性的热固化性的密封材料、在加热时粘度降低而出现流动性的热塑性的半固化状态的密封材料。因此，在密封材料50与多孔体流路20c之间配置有在形成密封材料50时用于防止液状密封材料向多孔体流路20c流入的密封板40。在本实施方式中，作为密封板40，例如使用钛板，但是也可以使用其它材料。
此外，在本实施方式中，将相对于膜电极接合体10m配置于阳极侧的多孔体流路20a的大小设为与阳极侧的气体扩散层10a的大小几乎相同。另外，将相对于膜电极接合体10m配置于阴极侧的多孔体流路20c的长边的长度设为比膜电极接合体10m的长边的长度短，将多孔体流路20c的短边的长度设为比隔板30的空气导入用贯通孔32a与阴极废气排出用贯通孔32b之间的间隔长。
参照图2进一步说明多孔体流路20c及密封板40的大小。图2是图1的圆W的放大图，是用于说明向阴极废气排出用贯通孔32b内伸出的多孔体流路20c及密封板40的图。
如图2所示，多孔体流路20c具有伸出部位201，当从隔板30的厚度方向(燃料电池单体1的厚度方向)观察时，该伸出部位201从膜电极接合体10m侧向阴极废气排出用贯通孔32b内伸出，该伸出部位201在隔板30的长边方向上的长度(图2所示的D2)形成为比阴极废气排出用贯通孔32b的膜电极接合体10m侧的一边321b的长度(图2所示的D1)短。此外，如图1所示，在沿隔板的长边并排设置的多个阴极废气排出用贯通孔32b中的、配置于隔板的长边方向上的两端部侧的阴极废气排出用贯通孔32bb内，形成有如上所述的、比阴极废气排出用贯通孔32bb的膜电极接合体10m侧的一边321b的长度短的伸出部位201。即，当俯视观察时，本实施方式的伸出部位201形成有多个。
进一步说明上述伸出部位201的大小。如图2所示，优选的是，伸出部位201在隔板30的长边方向上的长度、即D2的大小比D1的大小短1mm以上。另外，在本实施方式中，优选的是，伸出部位201从阴极废气排出用贯通孔32b的膜电极接合体10m侧的一边321b向远离膜电极接合体10m的方向(膜电极接合体10m的外侧方向(在图2中为上侧))突出1mm以上。换言之，优选的是，当俯视观察燃料电池单体1时，在未向阴极废气排出用贯通孔32b内突出的部分(图2的圆IV)具有凹部，该凹部的大小在隔板30的长边方向上的长度为1mm以上(图2的X为1mm以上)且在隔板30的短边方向上的长度为1mm以上(图2的Y为1mm以上)。
此外，如图1所示，多孔体流路20c也同样地向空气导入用贯通孔32a内伸出，具体地说，多孔体流路20c具有伸出部位201，当从隔板30的厚度方向观察时，该伸出部位201从膜电极接合体10m侧向空气导入用贯通孔32a内伸出，该伸出部位201在隔板30的长边方向上的长度形成为比空气导入用贯通孔32a的膜电极接合体10m侧的一边的长度短。另外，如图1所示，在沿隔板的长边并排设置的多个空气导入用贯通孔32a中的、配置于隔板的长边方向上的两端部侧的空气导入用贯通孔32aa内形成有如上所述的、比空气导入用贯通孔32aa的膜电极接合体10m侧的一边321b的长度短的伸出部位201。
另外，优选的是，向空气导入用贯通孔32aa内突出的伸出部位201在隔板30的长边方向上的长度比空气导入用贯通孔32a的膜电极接合体10m侧的一边的长度短1mm以上。另外，优选的是，向空气导入用贯通孔32aa内突出的伸出部位201从空气导入用贯通孔32a的膜电极接合体10m侧的一边向远离膜电极接合体10m的方向(膜电极接合体10m的外侧方向(在图1中为下侧))突出1mm以上。
另外，如图2所示，当从隔板30的厚度方向观察时，密封板40也从膜电极接合体10m侧向阴极废气排出用贯通孔32b内伸出，该伸出部分在隔板30的长边方向上的长度(图2所示的D2)形成为比阴极废气排出用贯通孔32b的膜电极接合体10m侧的一边321b的长度(图2所示的D1)短。进而，在本实施方式中，当从隔板30的厚度方向观察时，密封板40的伸出的部分形成为比多孔体流路20c更向阴极废气排出用贯通孔32b内伸出。
此外，如图1所示，密封板40也同样地向空气导入用贯通孔32a内伸出。即，当从隔板30的厚度方向观察时，密封板40从膜电极接合体10m侧向空气导入用贯通孔32a内伸出，该伸出部分在隔板30的长边方向上的长度形成为比空气导入用贯通孔32a内的膜电极接合体10m侧的一边的长度短。进而，当从隔板30的厚度方向观察时，密封板40的伸出的部分形成为比多孔体流路20c更向空气导入用贯通孔32a内伸出。
如上所述，在本实施方式中，多孔体流路20c具有伸出部位201，当在隔板30的厚度方向上观察时，该伸出部位201从阴极废气排出用贯通孔32b的膜电极接合体10m侧向阴极废气排出用贯通孔32b内伸出，该伸出部位201在隔板30的长边方向上的长度比阴极废气排出用贯通孔32b的膜电极接合体10m侧的一边321b短。由于如此形成未从多孔体流路20c向阴极废气排出用贯通孔32b内伸出的部分，因此从多孔体流路20c排出的水易于在未伸出的部分流动，能够抑制排出的水再次被多孔体流路20c吸收。其结果是，能够提高燃料电池单体1的排水性。
另外，在本实施方式中，多孔体流路20c的端部具有伸出部位201，当在隔板30的厚度方向上观察时，该伸出部位201向沿隔板30的长边并排设置的多个阴极废气排出用贯通孔32b中的、配置于隔板30的长边方向上的两端部侧的阴极废气排出用贯通孔32b内伸出，该伸出部位201在隔板30的长边方向上的长度比阴极废气排出用贯通孔32b的膜电极接合体10m侧的一边短。由此，形成多个未从多孔体流路20c向阴极废气排出用贯通孔32b内伸出的部分，从多孔体流路20c排出的水易于在未伸出的部分流动，能够更进一步抑制排出的水再次被多孔体流路20c吸收。其结果是，能够更进一步提高燃料电池单体1的排水性。
以上，参照具体例说明了本发明的实施方式。但是，本发明并不限定于这些具体例。即，对于本领域技术人员对这些具体例适当地施加设计变更所得的技术方案，只要具备本发明的特征，则也包含在本发明的范围内。上述各具体例所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于上述示例，能够适当地进行变更。
附图标记说明
1…燃料电池单体
10…膜电极气体扩散层接合体
10m…膜电极接合体
20a、20c…多孔体流路
30a、30c…隔板
32a…空气导入用贯通孔
32b…阴极废气排出用贯通孔
34a…氢导入用贯通孔
34b…阳极废气排出用贯通孔
36a…冷却水导入用贯通孔
36b…冷却水排出用贯通孔
40…密封板
50…密封材料
60…垫圈
201…伸出部位。
Claims (4)
1.一种燃料电池单体，其特征在于，
所述燃料电池单体具备：
膜电极接合体，在电解质膜的两面层叠有阳极电极和阴极电极；
多孔体流路，与所述膜电极接合体的阴极侧相向地配置，形成用于使氧化气体在所述阴极电极流动的气体流路；及
一对隔板，夹持所述膜电极接合体和所述多孔体流路，
所述隔板具有阴极废气排出用贯通孔，所述阴极废气排出用贯通孔贯通所述隔板的厚度方向地形成于所述膜电极接合体的外侧，供从所述多孔体流路排出的阴极废气流通，
所述多孔体流路具有伸出部位，当在所述厚度方向上观察时，所述伸出部位从所述阴极废气排出用贯通孔的所述膜电极接合体侧向所述阴极废气排出用贯通孔内伸出，该伸出部位在所述隔板的长边方向上的长度比所述阴极废气排出用贯通孔的所述膜电极接合体侧的一边短。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单体，其特征在于，
所述隔板具有沿所述隔板的长边并排设置的多个阴极废气排出用贯通孔，
向所述多个阴极废气排出用贯通孔中的、配置于所述隔板的长边方向上的两端部侧的阴极废气排出用贯通孔内伸出的所述伸出部位在所述长边方向上的长度比所述阴极废气排出用贯通孔的所述膜电极接合体侧的一边短。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池单体，其特征在于，
所述伸出部位在所述长边方向上的长度比所述阴极废气排出用贯通孔的所述膜电极接合体侧的一边短1mm以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池单体，其特征在于，
所述伸出部位从所述阴极废气排出用贯通孔的所述膜电极接合体侧的一边向所述膜电极接合体的外侧方向突出1mm以上。
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