CN108063273B - 燃料电池的单电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池的单电池。燃料电池的单电池具有：膜电极组件；以及第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件和第二分隔件在第一分隔件和第二分隔件之间保持膜电极组件。第一分隔件具有多个第一槽道，第一槽道是笔直的或波状的，多个第一槽道在第一面内方向上彼此平行地布置。多个第一槽道中的每个第一槽道的沿着第一面内方向的横截面具有第一凹凸形状。第一凹凸形状具有沿着该第一面内方向的第一间距P1。第二分隔件具有多个第二槽道，第二槽道是波状的，多个第二槽道沿着第一面内方向对齐。多个第二槽道的第二凹凸形状具有沿着述第一面内方向的第二间距P2。第一间距P1和第二间距P2彼此不同，并且P1/P2的值和P2/P1的值两者都不是整数。

Description

燃料电池的单电池
技术领域
本发明涉及一种构成堆叠体的燃料电池的单电池，具体而言，涉及包括在燃料电池的单电池中的分隔件中的槽道的结构。
背景技术
在日本专利申请公开No.2011-119061(JP 2011-119061A)中公开了一种燃料电池的单电池的结构。在该单电池中，在电解质/电极结构体(膜电极组件)中设置在一个电极侧上的分隔件和设置在另一个电极侧上的分隔件中的每个分隔件中形成用于反应气体的波状槽道。
发明内容
当堆叠上述多个燃料电池以构成燃料电池组时，在相邻的燃料电池中的一个燃料电池的单电池的分隔件以及另一个相邻的燃料电池的单电池的分隔件中，其被构造成通过在与用于反应气体的槽道的凹进表面对应的相反侧上的突出表面的整个接触表面来支撑在堆叠方向上施加的负载。
然而，在相邻的燃料电池的单电池的位置在燃料电池的单电池的面内方向上错位并且相邻的分隔件的位置由此错位的情形中，发生分隔件的接触表面的不均匀分布和接触表面的面积的减小，并且支撑负载的区域的分布发生变化。因此，出现如下问题：燃料电池组和燃料电池的单电池的结构变得不稳定。此外，在从保持膜电极组件的分隔件中的一个分隔件施加到膜电极组件的负载分布和从另一个分隔件施加到膜电极组件的负载的分布之间的差异增加，并且负载被不均匀地施加到膜电极组件的一个表面。由此，发生如下问题：膜电极组件有可能损坏。
本发明涉及一种燃料电池的单电池，该单电池具有：膜电极组件；以及第一分隔件和第二分隔件，该第一分隔件和该第二分隔件在第一分隔件和第二分隔件之间保持膜电极组件。第一分隔件具有多个第一槽道，该多个第一槽道是笔直的或波状的，该多个第一槽道在第一面内方向上彼此平行地布置。多个第一槽道中的每个第一槽道的沿着所述第一面内方向的横截面具有第一凹凸形状。第一凹凸形状具有沿着该第一面内方向的第一间距P1。第二分隔件具有多个第二槽道，该多个第二槽道是波状的，该多个第二槽道沿着第一面内方向对齐。多个第二槽道中的每个槽道的沿着第一面内方向的横截面具有第二凹凸形状。第二凹凸形状具有沿着第一面内方向的第二间距P2。第一间距P1和第二间距P2彼此不同，并且P1/P2的值和P2/P1的值两者都不是整数。根据在该方面中的燃料电池的单电池，即使在燃料电池的相邻单电池的位置在燃料电池的单电池的面内方向上错位，并且相邻的分隔件的位置由此在燃料电池的单电池的堆叠期间错位的情形中，能够抑制分隔件的接触表面的不均匀分布，并且能够抑制接触表面的面积的减小，并且能够抑制燃料电池组和燃料电池的单电池的结构变得不稳定。
多个第一槽道和多个第二槽道可以形成在与膜电极组件对置的区域中。根据在该方面中的燃料电池的单电池，能够抑制在从保持膜电极组件的分隔件中的一个分隔件施加到膜电极组件的负载的分布和从另一个分隔件施加到膜电极组件的负载的分布之间的差异，能够抑制负载不均匀地施加到膜电极组件的一个表面，并且能够抑制对膜电极组件的损坏。
第一间距P1和第二间距P2可以满足1＜P1/P2＜3/2或者1＜P2/P1＜3/2。利用该构造，在燃料电池的相邻的单电池的位置在燃料电池的单电池的堆叠期间在燃料电池的单电池的面内方向上错位的情形中，能够减小分隔件的接触表面的在错位方向上的错位。因此，能够进一步有效抑制分隔件的接触表面的不均匀分布，能够抑制接触表面的面积的减小，并且能够抑制燃料电池组和燃料电池的单电池的结构变得不稳定。
多个第一槽道中的每个第一槽道均可以是笔直槽道。以该方式，例如，用于以供应到膜电极组件的两种类型的反应气体中的较高流速供应反应气体的第一槽道被构造成笔直槽道，由此能够抑制反应气体的压力损失的增加，并且能够减小燃料电池的发电能力的恶化。
在第一槽道的背侧上的第一突起的平坦部的宽度被设定为D1，在第二槽道的背侧上的第二突起的波状形状的振幅被设定为Aw，并且第二突起的平坦部的宽度被设定为D2的情形中，振幅Aw可以被设定成满足由下式(1)表示的关系。
2·P1-(D1+D2)＜Aw＜4·P1-(D1+D2)...(1)
利用该构造，第二槽道的振幅Aw被设定成满足由上式(1)表示的关系。以该方式，能够抑制燃料电池组和燃料电池的单电池的结构由于堆叠体的错位而变得不稳定，能够抑制流过第二槽道的反应气体的压力损失的增加，并且能够减小燃料电池的发电能力的恶化。
第一分隔件的第一槽道可以是用于将氧化气体供应到膜电极组件的阴极的通道，并且第二分隔件的第二槽道可以是用于将燃料气体供应到膜电极组件的阳极的通道。利用该构造，作为笔直槽道的第一槽道被用作用于氧化气体的通道，该氧化气体的供应流速高于燃料气体的供应流速。因此，能够减小反应气体的压力损失，并且能够提高燃料电池的发电效率。
注意，能够以各方面实现本发明。例如，除了燃料电池的单电池之外，还能够以其中燃料电池的单电池被堆叠的燃料电池组的方面等实现本发明。
附图说明
以下将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示意性地示出燃料电池组的外观的视图；
图2是彼此相邻的两个单电池的示意分解透视图；
图3是放大第一分隔件的主通道的一部分的示意透视图；
图4是放大第二分隔件的主通道的一部分的示意透视图；
图5是放大在彼此相邻的状态中的两个分隔件的主通道的一部分的示意透视图；
图6是放大彼此相邻的三个单电池的示意横截面视图；
图7是作为比较实例的放大三个单电池的示意横截面视图；
图8是在另一个比较实例中彼此相邻的笔直的第一突起和波状的第二突起的一部分的示意图；
图9是示出在图8的比较实例中错位量dy是0的情形中的接触部分的视图；
图10是示出在图8的比较实例中错位量dy是(P1/2)的情形中的接触部分的视图；
图11是作为实施例的彼此相邻的笔直的第一突起和波状的第二突起的一部分的示意图；
图12是示出在图11的实施例中错位量dy是0的情形中的接触部分的视图；
图13是示出在图11的实施例中错位量dy是(P1/4)的情形中的接触部分的视图；
图14是示出在图11的实施例中错位量dy是(P1/2)的情形中的接触部分的视图；
图15是示出第二槽道的振幅的下限的视图；并且
图16是示出第二槽道的振幅的上限的视图。
具体实施方式
A.实施例：
图1是示意性地示出燃料电池组10的外观的视图。在图1中，X方向是燃料电池100的长侧方向，Y方向是燃料电池100的短侧方向，并且Z方向是燃料电池100的堆叠方向。这也适用于其它图。
燃料电池组10包括燃料电池的“单电池”(还将被简单地称作“燃料电池”)100、端子板110、绝缘板120和端板130。设置多个燃料电池100，该多个燃料电池100在Z方向上堆叠，并且构成堆叠体。端子板110被分别布置在多个堆叠的燃料电池100的两侧上并且被用于从燃料电池100获取电压和电流。绝缘板120被分别布置在端子板110的外侧上。端板130被分别布置在燃料电池组10的两侧上，以紧固堆叠的燃料电池100、端子板110和绝缘板120。
燃料电池100、端子板110、绝缘板120和端板130中的每一个均具有多个开口。设置在每个部件中的开口分别与设置在其它部件中的开口连通以形成歧管M1到M6。因为被用于将燃料气体供应到燃料电池100的阳极，所以歧管M1还被称作燃料气体供应歧管M1。此后，由于其作用，歧管M2至M6还将分别被称作“燃料气体排出歧管M2”、“氧化气体供应歧管M3”、“氧化气体排出歧管M4”、“制冷剂供应歧管M5”和“制冷剂排出歧管M6”。
图2是多个单电池100中的两个相邻的单电池100a、100b的示意分解透视图，该多个单电池100构成在图1中的燃料电池组10。然而，仅针对单电池100b示出与单电池100a相邻的分隔件400，并且未示出单电池100b的其它部件。
单电池100a、100b每个均包括：树脂框架200，该树脂框架200容纳作为发电体的膜电极组件210；以及成对的分隔件300、400，该分隔件300、400将膜电极组件210保持在分隔件300、400之间。膜电极组件(MEA)210包括催化剂包覆膜(CCM)和气体扩散层，该气体扩散层被分别设置在CCM的两个表面上。CCM包括电解质膜和催化层，该催化层被分别设置在电解质膜的两个表面上。电解质膜是由作为固体聚合材料的氟基磺酸聚合物形成的聚合电解质膜并且在潮湿状态下具有良好的质子导电性。代替氟基磺酸膜，可以使用氟基膦酸膜、氟基羟酸膜等作为电解质膜。催化层每个均被构造成包括：催化剂载体(例如，碳粒子)，该催化剂载体承载其中进行电化学反应的催化金属(例如，铂)；和具有质子导电性的聚合电解质(例如，氟基树脂)。代替碳黑的碳粒子等，碳材料，诸如碳纳米管和碳纳米纤维、作为代表性实例的具有碳化硅等的碳化合物等可以被用作催化剂载体。此外，例如，代替铂，铂合金、钯、铑等可以被用作催化金属。气体扩散层每个均由具有导电性的构件，诸如碳纸、非织造碳布、金属多孔体或膨胀金属形成。在电解质膜的两个表面上的催化层和气体扩散层构成膜电极组件210的电极(阴极和阳极)。
树脂框架200位于成对的分隔件300、400之间，由此防止分隔件300、400的短路，并且还防止经过单电池100的反应气体(燃料气体、氧化气体)和冷却介质泄漏到外部。通过使用树脂，诸如，聚丙烯、酚醛树脂或环氧树脂来形成树脂框架200。
树脂框架200具有矩形外形，并且在中央处的开口中容纳膜电极组件210。每个均构成歧管的一部分的通孔221、222、231、232、241、242在树脂框架200中形成在膜电极组件210周围。更具体地，通孔221构成燃料气体供应歧管M1的一部分，从外部供应的燃料气体(氢气)经由该燃料气体供应歧管M1流入到每个单电池100中，并且通孔222构成燃料气体排出歧管M2的一部分，从每个单电池100排出的燃料气体的排出气体(此后还将被称作“排出燃料气体”)穿过该燃料气体排出歧管M2流动到外部。通孔231构成氧化气体供应歧管M3的一部分，从外部供应的氧化气体(空气)通过该氧化气体供应歧管M3流入到每个单电池100中，并且通孔232构成氧化气体排出歧管M4的一部分，从每个单电池100排出的氧化气体的排出气体(此后，还将被称作“排出氧化气体”)通过该氧化气体排出歧管M4流动到外部。通孔241构成制冷剂供应歧管M5的一部分，从外部供应的冷却介质穿过该制冷剂供应歧管M5流入到每个单电池100中，并且通孔242构成制冷剂排出歧管M6的一部分，排出的冷却介质流过该制冷剂排出歧管M6。
成对的分隔件300、400被布置成从两侧保持树脂框架200并且每个均通过密封剂被粘附到树脂框架200，该树脂框架200容纳膜电极组件210。一个分隔件300被布置在膜电极组件210的阴极侧上，并且另一个分隔件400被布置在膜电极组件210的阳极侧上。此后，分隔件300还将被称作“第一分隔件300”，并且分隔件400还将被称作“第二分隔件400”。
分隔件300、400每个均由具有阻气性质和电子导电性的构件构成。分隔件300、400每个均由金属构件诸如压制的钛或不锈钢形成。
分隔件300、400分别由通孔321、322、331、332、341、342、421、422、431、432、441、442形成，每个通孔均构成歧管的一部分。该通孔321、322、331、332、341、342、421、422、431、432、441、442分别与树脂框架200的通孔221、222、231、232、241、242对应。即，形成在分隔件300、400中的通孔321、322、331、332、341、342、421、422、431、432、441、442沿着第一分隔件300、树脂框架200和阳极侧上的分隔件400在Z方向上的堆叠方向(此后，还将被简称为“堆叠方向”)分别与形成在树脂框架200中的通孔221、222、231、232、241、242对应，并且由此构成用于供应燃料气体、排出燃料气体、供应氧化气体、排出氧化气体、供应冷却介质以及排出冷却介质的歧管M1至M6。
在第一分隔件300的表面中，与膜电极组件210对置的表面(在图中的上表面)形成有用于氧化气体的槽道350ca(此后，还将被称作“第一槽道350ca”)。第一槽道350ca与歧管M3、M4连通，将流过歧管M3的氧化气体供应到膜电极组件210的阴极，并且导致已经流过膜电极组件210的排出氧化气体流入到歧管M4中。在第一分隔件300的表面中，被定位成与膜电极组件210所处的一侧相反的表面形成有用于冷却介质的槽道360ca(此后，还将被称作“冷却剂槽道360ca”)。冷却剂槽道360ca与歧管M5、M6连通，并且冷却介质流过该冷却剂槽道360ca。
在第二分隔件400的两个表面中，与膜电极组件210对置的表面形成有用于燃料气体的槽道450an(此后，还将被称作“第二槽道450an”)。第二槽道450ca与歧管M1、M2连通，将流过歧管M1的燃料气体供应到膜电极组件210的阳极，并且导致已经流过膜电极组件210的排出燃料气体流动到歧管M2。在第二分隔件400的表面中，被定位成与膜电极组件210所处的一侧相反的表面形成有用于冷却介质的槽道460an(此后，还将被称作“冷却剂槽道460an”)。冷却剂槽道460an与歧管M5、M6连通，并且冷却介质流过该冷却剂槽道460an。
注意，在第一分隔件300中的第一槽道350ca的突起和凹部以及在第一分隔件300中的冷却剂槽道360ca的突起和凹部建立同一个硬币的两侧的关系。即，第一槽道350ca的沟槽与其中的每两个在它们之间保持冷却剂槽道360ca的沟槽的肋(突起)的背侧上的凹部对应，并且其中的每两个在它们之间保持第一槽道350ca的沟槽的肋与在冷却剂槽道360ca的沟槽的背侧上的突起对应。换言之，肋的顶部(平坦部)被形成在与设置第一分隔件300的第一槽道350ca的一侧上的表面的相反表面上，并且肋的顶部与第一槽道350ca的底部对置。类似地，在第二分隔件400中的第二槽道450an的突起和凹部以及在第二分隔件400中的冷却剂槽道460an的突起和凹部建立同一个硬币的两侧的关系。即，第二槽道450an的沟槽与其中的每两个在它们之间保持冷却剂槽道460an的沟槽的肋的背侧上的凹部对应，并且其中的每两个在它们之间保持第二槽道450an的沟槽的肋与在冷却剂槽道460an的沟槽的背侧上的突起对应。
当第一槽道350ca的肋的平坦部(顶部)接触膜电极组件210的阴极时，确保了第一分隔件300和膜电极组件210的阴极之间的电连接。此外，当在第二分隔件400中的用于燃料气体的槽道450an的肋的平坦部(顶部)接触膜电极组件210的阳极时，确保了第二分隔件400和膜电极组件210的阳极之间的电连接。以该方式，构造具有如下结构的单电池(100a、100b)，在每个单电池中，成对的分隔件300、400在它们之间保持容纳膜电极组件210的树脂框架并且一体化。此外，与在一个相邻的单电池100a的第一分隔件300中的第一槽道350ca的沟槽对应的冷却剂槽道360ca的肋的平坦部接触与在另一个相邻的单电池100b的第二分隔件400中的第二槽道450an的沟槽对应的冷却剂槽道460an的肋的平坦部。以该方式，确保了相邻的单电池100a、100b的电连接和结构接触。以该方式，构造其中堆叠并且一体化多个单电池100的燃料电池组10。
图3是放大在图2中的第一分隔件300的中央主通道的一部分Xca的示意透视图。在与作为发电部的膜电极组件210对置的区域(图2)中，该中央主通道是布置在槽道的中央处的部分，布置在周边中的分配部和集合部被排除在中央主通道以外。在第一分隔件300的中央主通道中，氧化气体(空气)流过的多个笔直的第一槽道350ca沿着Y方向(第一面内方向)(第一面内方向是与第一槽道350ca垂直的方向)平行地布置。每个第一槽道350ca均沿着X方向线性地延伸。通过沿着第一槽道350ca的布置方向Y测量到的间距来表示多个第一槽道350ca的布置间距P1。冷却剂槽道360ca的肋370ca的占空比被设定成20％到40％。该占空比是肋370ca的平坦部的宽度D1与间距P1的比(D1/P1)。注意，第一槽道350ca的沿着Y方向的横截面的凹凸形状能够被视为“第一凹凸形状”。
图4是放大在图2中的第二分隔件400的中央主通道的一部分Xan的示意透视图。第二分隔件400的中央主通道是与第一分隔件300的中央主通道对置的部分，并且部分Xan表示与相邻的第一分隔件300的部分Xca对置的部分。在第二分隔件400的中央主通道中，燃料气体(氢气)流过的多个波状的第二槽道450an沿着Y方向(第一面内方向)平行地设置。由每个第二槽道450an限定的波状形状的中央与X方向平行，即，与笔直的第一槽道350ca的通道方向平行(图3)。与第一槽道350ca的间距P1类似，由沿着Y方向测量到的间距来表示多个第二槽道450an的布置间距P2。冷却剂槽道460an的肋470an的占空比被设定成20％到40％。该占空比是肋470an的平坦部的宽度D2与间距P2的比。第二槽道450an的振幅，即，在冷却剂槽道360ca侧上的波状肋470an的振幅Aw是由肋470an的宽度的中央限定的波状形状的振幅并且是沿着Y方向的值。注意，第二槽道450an的沿着Y方向的横截面的凹凸形状能够被视作“第二凹凸形状”。
第一槽道350ca的第一间距P1被设定成具有与第二槽道450an的第二间距P2不同的值。在该实施例中，(P2/P1)＝9/8。如以下将描述的，这些间距P1、P2优选地满足1＜(P1/P2)＜3/2或者1＜(P2/P1)＜3/2的关系。此外，第二槽道450an的振幅Aw以如下大小设定，使得重叠在多个(在该实例中三个)第一槽道350ca的背侧上的肋370ca。注意，以下将进行关于第一槽道350ca的第一间距P1、第二槽道450an的第二间距P2和第二槽道450an的振幅Aw的进一步描述。
注意，为了解释彼此相邻的第一分隔件300和第二分隔件400之间的关系，在第一槽道350ca的背侧上的肋370ca此后还将被称作“第一突起370ca”，并且在第二槽道450an的背侧上的肋470an此后还将被称作“第二突起470an”。
图5是放大处于彼此相邻的状态的第一分隔件300和第二分隔件400的中央主通道的部分的示意透视图。在彼此相邻的一个单电池100a的第一分隔件300和另一个单电池100b的第二分隔件400中，第一分隔件300的第一突起370ca与第二分隔件400的第二突起470an接触。一个第二突起470an与多个(在该实例中三个)第一突起370ca接触。注意在图5中的阴影部分表示接触部分CP。
图6是放大构成燃料电池组10的多个单电池100的三个单电池100a、100b、100c的示意横截面视图，三个单电池100a、100b、100c彼此相邻。图6与在图5中的VI－VI横截面对应。图6示出在没有错位的状态下单电池100a和单电池100b彼此相邻的情形，并且示出在负Y方向上的错位状态下单电池100c与单电池100b相邻的情形。负Y方向意味着与在图6中的Y方向相反的方向。两个单电池100b、100c的错位量dy是第一分隔件300的第一槽道350ca的第一间距P1的1/2。
图7是作为比较实例的放大构成燃料电池组的多个单电池的三个单电池100ar、100br、100cr的示意横截面视图，三个单电池100ar、100br、100cr彼此相邻。图7是与图6对应的视图，示出在没有错位的状态下单电池100ar和单电池100br彼此相邻的情形，并且示出单电池100ar和单电池100br在负Y方向上错位的状态下相邻的情形。类似于在图6中的单电池100c，两个单电池100br、100cr的错位量dy是第一分隔件300的第一槽道350ca的第一间距P1的1/2。
在比较实例的单电池100ar、100br、100cr中，在实施例的单电池100中的第二分隔件400的波状的第二槽道450an和波状的冷却剂槽道460an(图4)被第二槽道450anr和冷却剂槽道460anr代替，与第一分隔件300的第一槽道350ca和冷却剂槽道360ca(图3)类似，该第二槽道450anr和冷却剂槽道460anr是笔直的。第二槽道450anr的第二间距P2被设定成与第一槽道350ca的间距P1相同。
如在图7中示出的，单电池100cr在负Y方向上以(P1/2)的错位量dy错位。因此，单电池100cr的第二分隔件400cr的第二突起470anr被定位成与单电池100br的冷却剂槽道360ca对置。由此，应彼此接触的第一分隔件300的第一突起370ca和第二分隔件400r的第二突起470anr被带入非接触状态。因此，第二突起470anr被带入到与冷却剂槽道360ca的装配状态中，这导致燃料电池组和燃料电池(单电池)的结构变得不稳定的问题。此外，在单电池100br、100cr中，从保持膜电极组件210的第一分隔件300施加到膜电极组件210的负载的分布与从第二分隔件400r施加到膜电极组件210的负载的分布之间的差异增加，施加到膜电极组件210的表面的负载的不均匀性相对于表面之一增加，并且膜电极组件210可能损坏。
另一方面，在实施例中，如在图6中示出的，第二分隔件400的第二槽道450an的第二间距P2如上所述不同于第一分隔件300的第一槽道350ca的第一间距P1，并且P1/P2和P2/P1两者都不具有整数值。因此，如在图6中示出的，在单电池100a、100b中，在单电池100b中的第二分隔件400的第二突起470an相对于在单电池100a中的第一分隔件300的第一突起370ca移位，并且第二突起470an分别接触第一突起370ca的位置变化。由此，与在单电池100c中一样，即使当第二突起470an以在负Y方向上的错位量dy(P1/2)移位时，在单电池100c中的第二分隔件400的第二突起470an也能够分别接触在单电池100b中的第一分隔件300的第一突起370ca。此外，在单电池100b、100c中，从保持膜电极组件210的第一分隔件300施加到膜电极组件210的负载的分布与从第二分隔件400施加到膜电极组件210的负载的分布之间的差异能够被抑制，施加到膜电极组件210的表面之一的负载的不均匀性能够被抑制，并且由此能够抑制对于膜电极组件210的损坏。
此外，如在图4和图5中示出的，第二分隔件400的第二槽道450an被构造成具有振幅Aw的波状槽道，就第一分隔件300的笔直的第一槽道350ca而言，该振幅Aw的大小使得第二突起470an重叠多个(在该实例中三个)第一突起370ca。此外，利用该构造，能够提高相邻的分隔件的接触结构的稳定性，并且由此能够提高燃料电池组的结构的稳定性。
图8是在另一个比较实例中彼此相邻的第一分隔件300的笔直的第一突起370ca和第二分隔件400t的波状的第二突起470an的部分的示意图。图8示出第二突起470an(第二槽道450an)的第二间距P2等于第一突起370ca(第一槽道350ca)的第一间距P1的状态。在图8中，为了简化图示和描述，沟槽和肋的倾斜未示出，与第一突起370ca的平坦部对应的部分每个均以向右侧倾斜向上的阴影示出，与第二突起470an的平坦部对应的部分每个均以向右侧倾斜向下的阴影示出。
图9是示出在图8的比较实例中相邻的单电池的错位量dy是0的情形中第一突起370ca和第二突起470an之间的接触部分CP的视图。图10是示出在图8的比较实例中错位量dy是(P1/2)的情形中第一突起370ca和第二突起470an之间的接触部分CP的视图。注意，关于错位量dy，在负Y方向上的错位被示出为在正方向上。
在第二突起470an(第二槽道450an)的第二间距P2处于与第一突起370ca(第一槽道350ca)的第一间距P1相等的状态中(图8)并且堆叠体的错位在Y方向上发生的情形中，与在图7中示出的笔直槽道的情形不同，第一突起370ca和第二突起470an绝不被带入完全非接触状态。然而，如根据图9和图10之间的比较理解的，接触部分CP的状态(位置、形状、面积等)根据其在X方向上的位置显著地变化，这导致在相邻的分隔件的表面中的负载的分布根据该变化而变化。因此，在不具有错位的情况下在单电池之间的负载的分布与在错位的单电池之间的负载的分布之间发生差异，并且燃料电池组的结构有可能变得不稳定。此外，在错位的单电池中，由于从保持膜电极组件210的一个分隔件300侧施加到膜电极组件210的负载的分布和从另一个分隔件400t侧施加到膜电极组件210的负载的分布之间的差异，单电池的结构可能变得不稳定。另外，由于从保持膜电极组件210的一个分隔件300侧施加到膜电极组件210的负载的分布和从另一个分隔件400t侧施加到膜电极组件210的负载的分布之间的差异，被不均匀地施加到膜电极组件210的表面之一的负载增加，并且膜电极组件210可能损坏。
图11是作为实施例的彼此相邻的第一分隔件300的笔直的第一突起370ca和第二分隔件400的波状的第二突起470an的部分的示意图。图11与图8对应。如上所述，图11示出第二突起470an(第二槽道450an)的第二间距P2大于第一突起370ca(第一槽道350ca)的第一间距P1并且(P2/P1)＝9/8的状态。
图12是示出在图11的实施例中相邻的单电池的错位量dy是0的情形中第一突起370ca和第二突起470an之间的接触部分CP的视图。图13是示出在图11的实施例中错位量dy是(P1/4)的情形中第一突起370ca和第二突起470an的接触部分CP的视图。图14是示出在图11的实施例中错位量dy是(P1/2)的情形中第一突起370ca和第二突起470an的接触部分CP的视图。
在(P2/P1)＝9/8的状态(图11)中，如在图12中示出的，在分隔件彼此接触的沿着XY平面的平面中的接触部分CP的状态根据通过(P2/P1)确定的间距差在X方向上的位置处沿着Y方向逐渐变化。在该实例中，每隔第一突起370ca(第一槽道350ca)的间距间隔(9·P1)重复变化图案。如在图13和图14中示出的，尽管接触部分CP在Y方向上的形状和位置不同，即使当堆叠体在Y方向上错位时，该接触部分CP的状态也根据通过(P2/P1)确定的间距差沿着Y方向类似地并且逐渐地变化，并且变化图案每隔间距间隔(9·P1)重复。因此，在实施例的情形中，能够抑制在不具有错位的单电池之间的负载分布和在错位的单电池之间的负载分布之间的差异，并且能够抑制燃料电池组的结构变得不稳定。此外，在错位的单电池中，能够抑制单电池的结构由于从保持膜电极组件210的一个分隔件300侧施加到膜电极组件210的负载的分布和从另一个分隔件400侧施加到膜电极组件210的负载的分布之间的差异而变得不稳定。另外，由于从保持膜电极组件210的一个分隔件300侧施加到膜电极组件210的负载的分布和从另一个分隔件400侧施加到膜电极组件210的负载的分布之间的差异，能够抑制负载不均匀地施加到膜电极组件210的表面之一，并且由此能够抑制对于膜电极组件210的损坏。
以上已经描述了单电池的堆叠体的错位。然而，即使当发生构成单电池的成对的分隔件的错位时，也能够相似地抑制施加到膜电极组件的表面之一的负载的不均匀性，该不均匀性由从保持膜电极组件的一个分隔件施加到膜电极组件的负载的分布和从另一个分隔件施加到膜电极组件的负载的分布之间的差异导致。由此，能够抑制对膜电极组件的损坏。
在以上实施例中，已经通过使用(P2/P1)＝9/8进行了描述。然而，本发明不限于此。第一槽道350ca的第一间距P1和第二槽道450an的第二间距P2可以具有不同于彼此的值，并且P1/P2的值和P2/P1的值两者都不可具有整数值。另外，优选满足1＜(P1/P2)＜3/2或者1＜(P2/P1)＜3/2。以该方式，不论堆叠体的错位存在或不存在，在相邻的分隔件300、400的沿着XY平面的平面中的接触部分CP的状态都能够根据通过(P2/P1)或(P1/P2)确定的间距差在X方向上的每个位置处沿着Y方向逐渐地变化。因此，不具有错位的单电池之间的负载的分布和错位的单电池之间的负载分布之间的差异能够受到抑制，并且能够抑制堆叠体的结构变得不稳定。此外，在错位的单电池中，能够抑制单电池的结构由于从保持膜电极组件210的一个分隔件300侧施加到膜电极组件210的负载的分布和从另一个分隔件400侧施加到膜电极组件210负载的分布之间的差异而变得不稳定。另外，由于从保持膜电极组件210的一个分隔件300侧施加到膜电极组件210的负载的分布和从另一个分隔件400侧施加到膜电极组件210的负载的分布之间的差异，能够抑制负载不均匀地施加到膜电极组件210的表面之一，并且由此能够抑制对膜电极组件210的损坏。
注意，P1/P2的值和P2/P1的值两者都不具有整数值的原因在于，尽可能避免第一槽道350ca在布置方向(Y方向)上匹配第二槽道450an的状态。此外，当设定成(P1/P2)＞3/2或者(P2/P1)＞2/3时，在错位方向上的分隔件的每对接触表面的错位量减小，并且进一步有效地避免第一槽道350ca在布置方向(Y方向)上匹配第二槽道450an的状态。
这里，作为氧化气体供应的空气仅包含20％的氧气，该氧气实际上用于电化学反应以产生电力，并且必须确保作为氧化气体的空气的充足供应量以便确保发电能力。此外，通常，供应的燃料气体是氢气，该氢气用于电化学反应。并且，穿过第二槽道450an的氢气的供应效率高于穿过该第二槽道450an的氧化气体的供应效率。因此，为了确保氧化气体的充足供应量，期望将第一槽道350ca构造为笔直槽道并且优先在第一槽道350ca中的氧化气体的压力损失的减小。另外，从设计观点出发期望的是，相对于作为基准的第一槽道350ca的第一间距P1改变第二槽道450an的第二间距P2。此外，与第一槽道450an的第二间距P2减小的情形相比，当考虑到制造精度时，通过增加第二槽道450an的第二间距P2促进第二分隔件400的制造。由此，实际上期望在第一槽道350ca的第一间距P1是基准的情况下，增加第二槽道450an的第二间距P2。
在以上实施例中，第二槽道450an的振幅Aw(图4)被设定成如下大小，使得在第二槽道450an的背侧上的肋470an(第二突起470an)重叠在多个(在该实例中三个)第一槽道350ca的背侧上的肋370ca(第一突起370ca)。振幅Aw优选如下设定。
在振幅Aw减小并且重叠第一突起370ca的第二突起470an(图11)的数目减少的情形中，接触第二突起470an的第一突起370ca的数目减少。因此，相邻的分隔件的接触结构的稳定性恶化，并且燃料电池组的结构的稳定性恶化。相反，在振幅Aw增加并且重叠第一突起370ca的第二突起470an的数目增加的情形中，接触第二突起470an的第一突起370ca的数目增加。因此，提高了相邻的分隔件的接触结构的稳定性，并且提高了燃料电池组的结构的稳定性。然而，在该情形中，每个槽道显著地蜿蜒，并且其通道长度增加。因此，在第二槽道450an中的燃料气体的压力损失增加，并且燃料气体的供应效率恶化。因此，第二槽道450an的振幅Aw优选被设定成如下大小，使得能够实现接触结构的稳定性和对压力损失的抑制两者，并且第二突起470an优选以重叠三个或四个第一突起370ca的尺寸设定。更具体地，振幅Aw优选地如下设定。
图15是示出第二槽道450an的振幅Aw的下限的视图。图16是示出第二槽道450an的振幅Aw的上限的视图。第二槽道450an(第二突起470an)的间距被设定成P2，并且第二突起470an的平坦部的宽度被设定成D2。第一槽道350ca(第一突起370ca)的间距被设定成P1，并且第一突起370ca的平坦部的宽度被设定成D1。作为第二槽道450a的振幅，在第二突起470an的宽度的中央CL处的虚线形状的振幅被设定成Aw。
如在图15中示出的，为了使波状的第二突起470an重叠三个或更多个笔直的第一突起370ca，必须满足下式(2)。
(D2/2)+Aw+(D2/2)＞(2·P1)-D1...(2)
然后，通过修改上式(2)，振幅Aw的下限被设定成由下式(3)表示。
Aw＞(2·P1)-(D1+D2)...(3)
如在图16中示出的，为了使波状的第二突起470an重叠少于五个(四个或更少)的笔直的第一突起370ca，必须满足下式(4)。
(D2/2)+Aw+(D2/2)＜(4·P1)-D1...(4)
然后，通过修改上式(4)，振幅Aw的上限被设定成由下式(5)表示。
Aw＜(4·P1)-(D1+D2)...(5)
当第二槽道450an(第二突起470an)的振幅Aw被设定成满足上式(3)和上式(5)时，第二突起470an能够重叠三个或四个第一突起370ca。以该方式，在第二槽道450an中的燃料气体的压力损失被适当地设定，并且第二突起470an和第一突起370ca之间的接触部分CP的数目被适当地设定。以该方式，能够稳定相邻的分隔件的接触结构，并且能够稳定燃料电池组的结构。
B.变型实例：注意，本发明不限于以上实例和以上实施例，而是能够以在不脱离本发明的主旨的范围内的各种方面来实施本发明，并且例如，以下变型是可能的。
(1)在以上实施例中，已经对于在相邻的单电池100彼此接触的沿着XY平面的平面中，相邻的单电池100在Y方向(第一面内方向)上错位的情形作出描述。然而，在相邻的单电池100在X方向上错位以及相邻的单电池100在X方向和Y方向上都错位的情形中能够获得相似效果。
(2)在中央主通道(图3)中，已经描述了在以上实施例中第一分隔件300的笔直的第一槽道350ca是笔直槽道，每个该笔直槽道均被保持在肋之间。然而，一些第一槽道可以具有弯曲部或节流部。此外，在以上实施例中，已经作为实例描述了在相邻的分隔件300、400的中央主通道(图2、图3和图4)中的槽道的结构。然而，在实施例中已经描述的槽道的结构能够被应用于形成分隔件300、400的通道的平面的任何部分。
(3)在以上实施例中，已经作为实例对于在阴极侧上的分隔件300的第一槽道350ca是笔直槽道(图3)并且在阳极侧上的分隔件400的第二槽道450an是波状槽道(图4)的情形作出描述。然而，在阴极侧上的分隔件300的槽道可以是波状槽道，并且在阳极侧上的分隔件400的槽道可以是笔直槽道。此外，在阴极侧上的分隔件300和在阳极侧上的分隔件400的槽道两者均可以是波状槽道。
(4)在以上实施例中，已经作为实例描述了分隔件300、400(图3和图4)，该分隔件300、400具有凹凸形状，其中每两个保持冷却剂槽道的肋(突起)被设置在用于反应气体的槽道的沟槽的背侧上，并且该分隔件300、400建立同一个硬币的两侧的关系。然而，已经在实施例中描述的槽道的结构能够被应用于如下情形，其中分隔件不建立同一个硬币的两侧的关系并且在分隔件中独立的槽道分别形成在反应气体侧和冷却介质侧上，例如，通过使用碳构件诸如通过压紧碳粒子以实现不透气而形成的致密碳来模制该每个分隔件。
本发明不限于以上已经描述的实施例、实例和变型实例，并且能够在不脱离本发明的主旨的范围内以各种构造来实现。例如，与在发明内容中描述的各方面的技术特征对应的实施例、实例和变型实例的技术特征能够被适当地替代或组合，以解决部分或所有上述问题或实现部分或所有上述效果。此外，当该技术特征中的任何技术特征在本说明书中不被描述为是必要的时，该技术特征能够被适当地去除。

Claims (15)

1.一种用于构成堆叠体的燃料电池的单电池，所述单电池包括：
膜电极组件；以及
第一分隔件和第二分隔件，所述第一分隔件和所述第二分隔件在所述第一分隔件和所述第二分隔件之间保持所述膜电极组件，其中
所述第一分隔件具有多个第一槽道，所述多个第一槽道是笔直的或波状的，并且所述多个第一槽道在第一面内方向上彼此平行地布置，
所述多个第一槽道中的每个第一槽道的沿着所述第一面内方向的横截面具有第一凹凸形状，
所述第一凹凸形状具有沿着所述第一面内方向的第一间距P1，
所述第二分隔件具有多个第二槽道，所述多个第二槽道是波状的，并且所述多个第二槽道沿着所述第一面内方向布置，
所述多个第二槽道中的每个第二槽道的沿着所述第一面内方向的横截面具有第二凹凸形状，
所述第二凹凸形状具有沿着所述第一面内方向的第二间距P2，并且
所述燃料电池的单电池的特征在于：
所述第一间距P1和所述第二间距P2彼此不同，并且P1/P2的值和P2/P1的值两者都不是整数。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述多个第一槽道和所述多个第二槽道被形成在与所述膜电极组件对置的区域中。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一间距P1和所述第二间距P2满足1<P1/P2<3/2或1<P2/P1<3/2。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述多个第一槽道中的每个第一槽道均是笔直槽道。
5.根据权利要求3所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述多个第一槽道中的每个第一槽道均是笔直槽道。
6.根据权利要求4所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
在所述第一槽道的背侧上的第一突起的平坦部的宽度被设定为D1，在所述第二槽道的背侧上的第二突起的波状形状的振幅被设定为Aw，并且所述第二突起的平坦部的宽度被设定为D2的情形中，
所述振幅Aw被设定成满足由下式(1)表示的关系：
2·P1-(D1+D2)<Aw<4·P1-(D1+D2)…(1)。
7.根据权利要求4所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一分隔件的所述第一槽道是用于将氧化气体供应到所述膜电极组件的阴极的通道，并且
所述第二分隔件的所述第二槽道是用于将燃料气体供应到所述膜电极组件的阳极的通道。
8.根据权利要求6所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一分隔件的所述第一槽道是用于将氧化气体供应到所述膜电极组件的阴极的通道，并且
所述第二分隔件的所述第二槽道是用于将燃料气体供应到所述膜电极组件的阳极的通道。
9.根据权利要求1或2所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一面内方向是与所述第一槽道垂直的方向。
10.根据权利要求3所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一面内方向是与所述第一槽道垂直的方向。
11.根据权利要求4所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一面内方向是与所述第一槽道垂直的方向。
12.根据权利要求5所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一面内方向是与所述第一槽道垂直的方向。
13.根据权利要求6所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一面内方向是与所述第一槽道垂直的方向。
14.根据权利要求7所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一面内方向是与所述第一槽道垂直的方向。
15.根据权利要求8所述的燃料电池的单电池，其特征在于：
所述第一面内方向是与所述第一槽道垂直的方向。
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