CN108352540A - 燃料电池的单电池构造及层积有该燃料电池单电池的燃料电池的堆构造 - Google Patents

Abstract

本发明的燃料电池单电池具有：膜电极接合体、支承该膜电极接合体的低刚性框架、夹持该低刚性框架和上述膜电极接合体的一对隔板、向该一对隔板间的上述膜电极接合体供给气体的气体流路、在上述低刚性框架及上述一对隔板形成且向上述气体流路供给气体的歧管部、在该歧管部附近约束上述低刚性框架的约束肋、超出该约束肋而向上述歧管部侧突出的上述低刚性框架的突出部、形成于该突出部且从上述歧管部向上述气体流路供给气体的气体流通部。

Description

燃料电池的单电池构造及层积有该燃料电池单电池的燃料电 池的堆构造

技术领域

本发明涉及燃料电池的单电池构造，更详细地，涉及使鲁棒性提高的燃料电池单电池、及将该燃料电池单电池层积的燃料电池的堆构造。

背景技术

燃料电池单电池通过利用框架支承例如在电解质膜的一面设有阳极侧电极、在另一面相对地设有阴极侧电极的膜电极接合体(MEA；Membrane Electrode Assembly)，并利用一对隔板夹持上述膜电极接合体及上述框架而形成。而且，将上述燃料电池单电池层积了规定数量后作为燃料电池堆而使用。

向上述燃料电池单电池的阳极侧电极供给的燃料气体、例如主要含有氢的气体在电极介质上将氢离子化，经由电介质向阴极侧电极侧移动。

而且，向阴极侧电极供给氧化剂气体、例如主要含有氧的气体或空气，上述氢离子、电子及氧发生反应而生成水，在其间产生的电子被在外部电路取出，作为直流的电能而被利用。

通常，在上述燃料电池单电池的外缘部形成在层积方向上贯通上述框架及上述隔板的歧管部。而且，从上述歧管部供给的反应气体在一对隔板之间通过，向阳极侧电极或阴极侧电极供给。

在专利文献1的日本特开2005－108506号公报中公开有利用密封部件将与上述歧管部对应的隔板的开口端部覆盖，在上述密封部件上形成使反应气体流通的反应气体连接流路。

而且，根据形成有上述反应气体连接流路的密封部件，不妨碍反应气体的流通，能够形成无漏气且气密性高的燃料电池。

专利文献1：(日本)特开2005－108506号公报

近年来，通过将上述膜电极接合体等减薄来实现燃料电池单电池的性能提高。但是，若将支承上述膜电极接合体的框架减薄，则难以得到足够的刚性，上述框架发生变形而阻碍从歧管部供给的反应气体的流通。

发明内容

本发明是目的在于提供一种利用简单的构成能够使反应气体在膜电极接合体良好地流通的、鲁棒性提高的燃料电池单电池、及使用该燃料电池单电池的燃料电池堆。

本申请发明者们为了实现上述目的而进行了锐意地探讨，其结果发现，通过在框架上设置使反应气体流通的气体流通部，即使框架变形也不妨碍反应气体的流通，能够实现上述目的，因此而构成本发明。

即，本发明的燃料电池的单电池构造具有膜电极接合体、支承该膜电极接合体的低刚性框架、夹持该低刚性框架及上述膜电极接合体的一对隔板。

而且，在上述一对隔板间具有向上述膜电极接合体供给气体的气体流路，向该气体流路供给气体的歧管部在上述低刚性框架及上述一对隔板形成。

另外，在上述气体流路的上述歧管部附近具有约束上述低刚性框架的约束肋，上述低刚性框架具有超出上述约束肋向上述歧管部侧突出的突出部，在该突出部设有从上述歧管部向上述气体流路供给气体的气体流通部。

另外，本发明的燃料电池的堆构造将具有上述单电池构造的燃料电池层积多个而构成。

根据本发明，由于在上述低刚性框架的突出部设有气体流通部，故而即使上述低刚性框架发生了变形的情况下，也不将一对隔板间的气体流路堵塞，能够由简单的构成使反应气体良好地流通。

附图说明

图1(A)是说明将图2所示的燃料电池单电池层积而构成的燃料电池堆的分解立体图，图1(B)是上述燃料电池堆组装后的立体图；

图2是说明本发明的燃料电池单电池的一实施方式的分解状态的平面图；

图3是图2所示的燃料电池单电池的低刚性框架的平面图；

图4是表示将本发明的燃料电池单电池层积的状态的概略图；

图5是图3中虚线所示的气体流路I的示意放大图；

图6(a)是说明本发明的燃料电池单电池的第一实施方式的反应气体的流动的图，图6(b)是从歧管部观察气体流路方向的概略图；

图7是本发明的燃料电池单电池的第二实施方式的气体流路I的示意放大图；

图8是本发明的燃料电池单电池的第三实施方式的气体流路I的示意放大图；

图9是本发明的燃料电池单电池的第四实施方式的气体流路I的示意放大图；

图10是说明本发明的燃料电池单电池的第四实施方式的突出长度X的图；

图11是从层积方向观察反应气体在本发明第五实施方式的框架的主要部分流通的面的图；

图12是表示本发明第五实施方式的框架的外形的图；

图13是表示部分地配置了具有各向异性的形状的气体流通部的状态之一例的概略图。

标记说明

1：低刚性框架

11：气体流通部

12：通道

13：突部

14：突出部

141：开放端部

15：极间密封件

2：膜电极接合体

3a、3b：隔板

31：约束肋

311：端部

32：开放端部

C：燃料电池单电池

H1～H6：歧管部

I：气体流路

D：扩散部

G：发电部

SL：气体密封件

FS：燃料电池堆

A：层积体

4A、4B：集电板

5：衬垫

6A、6B：端板

7A、7B：联接板

8A、8B：加强板

B：螺栓

具体实施方式

＜燃料电池堆＞

本发明的燃料电池堆FS将后述的燃料电池单电池C层积多个而构成。

如图1所示，燃料电池堆FS将燃料电池单电池C层积多个而构成。而且，如图1(a)所示，相对于燃料电池单电池C的层积体A，在单电池层积方向的一端部(在图1中为右侧端部)，经由集电板4A及衬垫5而设有端板6A，并且在另一端部经由集电板4B而设有端板6B。

另外，燃料电池堆FS相对于层积体A，在燃料电池单电池C的长边侧的两面(在图1中为上下面)设有联接板7A、7B，并且在短边侧的两面设有加强板8A、8B。

而且，燃料电池堆FS通过螺栓B将各联接板7A、7B及加强板8A、8B与两端板6A、6B连接。这样，燃料电池堆FS成为图1(b)所示那样的壳体一体型构造，在单电池层积方向上对层积体A进行约束、加压而对各个燃料电池单电池C施加规定的接触面压，良好地维持气体密封性及导电性等。

＜燃料电池单电池＞

对本发明的燃料电池单电池进行详细地说明。

上述燃料电池单电池具有被低刚性框架支承的膜电极接合体、夹持上述低刚性框架及上述膜电极接合体的一对隔板。

首先，对构成燃料电池单电池的各部件进行说明。

(低刚性框架)

上述低刚性框架1形成大致一定厚度的薄板状，除了其边缘部外的大部分比膜电极接合体2的厚度薄。上述低刚性框架1的厚度为0.01mm以上且0.5mm以下。

作为上述低刚性框架1，使用树脂框架。该树脂框架通过树脂成形(例如射出成形)而与膜电极接合体2一体化。在该实施方式中，以膜电极接合体2为中央而形成长方形。

构成上述树脂框架的树脂具有绝缘性，例如列举PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、SPS(シンジオタクチックポリスチレン)、PI(聚酰亚胺)等。

(膜电极接合体)

上述膜电极接合体2一般为被称为MEA(Membrane Electrode Assembly)的部件，例如具有由空气极层(阴极)和燃料极层(阳极)支承由固体高分子构成的电解质层的构造。

该膜电极接合体2向空气极层供给作为反应气体的氧化剂气体(空气)，向燃料极层供给作为反应气体的燃料气体(氢)，从而利用电气化学反应发电。

另外，上述膜电极接合体2也可以在空气极层和燃料极层的表面具有由碳纸或多孔质体等构成的气体扩散层。

(隔板)

上述隔板3a、3b具有导电性，例如使用将不锈钢等金属板冲压成形的金属隔板。

(第一实施方式)

图2～图5是说明本发明的燃料电池单电池的实施方式的图。

如图2所示，燃料电池单电池C具有被低刚性框架1支承的膜电极接合体2、夹持上述低刚性框架1及上述膜电极接合体2的一对隔板3a、3b。

上述低刚性框架1及上述隔板3a、3b均为具有大致相同的纵横尺寸的大致长方形，就被上述低刚性框架1支承的膜电极接合体2、一对隔板3a、3b重合而构成燃料电池单电池C。

上述燃料电池单电池C具有向一对隔板间的膜电极接合体供给气体的气体流路I、在上述低刚性框架1及上述一对隔板3a、3b的两端部形成的歧管部H1～H6。上述歧管部向上述气体流路I供给气体。

上述各歧管部H1～H3为氧化剂气体供给用(H1)、冷却流体供给用(H2)及燃料气体供给用(H3)，分别在层积方向上连通而分别形成流路。

另外，图2右侧所示的另一方的各歧管部H4～H6为燃料气体排出用(H4)、冷却流体排出用(H5)及氧化剂气体排出用(H6)，在层积方向上连通而分别形成流路。另外，供给用和排出用也可以一部分或全部为相反的位置关系。

另外，如图3所示，在上述气体流路I设置扩散部D。扩散部D将从气体流通部导入的反应气体整流，以规定间隔配置一体成形的圆锥台形状的突部13。上述突部13的形状只要不妨碍反应气体的流通即可，不特别限定。另外，上述突部13也可以在隔板3a、3b上形成。

就上述发电部G而言，与膜电极接合体2对应的隔板3a、3b的中央部分的短边方向的截面形成波形，该波形如图2所示地在长边方向上连续。由此，各隔板3a、3b的波形的凸部分与膜电极接合体2接触，反应气体在波形的各凹部分流动。

另外，如图2所示，燃料电池单电池C在低刚性框架1与各隔板3a、3b的边缘部彼此之间、歧管部H1～H6的周围设置气体密封件SL。

上述气体密封件SL在各个层间将氧化剂气体、反应气体及冷却流体各自的流通区域气密地分离，并且在歧管部H1～H6的周缘部的适当部位设置开口。

而且，在将燃料电池单电池C层积多个的状态下，在燃料电池单电池彼此、即邻接的隔板3a、3b彼此之间也设置气体密封件SL。在该实施方式中，为在相邻的隔板间使冷却流体流通的构造。

图4是表示以图2中的A－A′将层积有多个燃料电池单电池C的构成剖切的状态的剖面图。在图4中，1是低刚性框架，3是隔板，31是约束肋，15是极间密封件，I是气体流路，R是冷却介质的流路。

另外，在图3中，图5表示虚线所示的气体流路I的示意放大图。图5(a)表示从层积方向观察低刚性框架1的反应气体流通的面的状态，图5(b)是以图5(a)的A－A′剖切时的剖面图。

如图5所示，上述燃料电池单电池C在上述气体流通部I的上述歧管部附近具有对上述低刚性框架1进行约束的约束肋31。而且，如图5(b)所示，上述约束肋31将在层积方向上分开的一对隔板3a、3b之间配置的低刚性框架1向隔板3a压靠并夹持。

如图5所示，上述低刚性框架1具有超出上述约束肋31向上述歧管部侧突出的突出部14，在该突出部14具有从上述歧管部向上述气体流路供给气体的气体流通部11。

从上述歧管部供给的反应气体在上述一对隔板3a、3b之间流通。但是，上述一对隔板间的低刚性框架1的突出部14未被上述约束肋31约束，故而低刚性框架1发生变形而妨碍反应气体的流通。

图6是表示低刚性框架1发生变形而与隔板3b相接的状态的概略图。图6(a)是以图5(a)的A－A′剖切时的剖面图，图6(b)是使图6(a)旋转90°，从歧管部观察气体流路方向的状态的图。

即，根据第一实施方式，即使在图6(a)中处于虚线所示的位置的低刚性框架1变形而与隔板3b相接，也如图6(b)所示地，经由气体流通部可从歧管部看到气体流路。因此，在图6(a)中，如箭头标记所示，反应气体在设于低刚性框架的气体流通部通过，不会由低刚性框架妨碍气体的流通，从上述歧管部向气体流路供给反应气体。

另外，优选从上述气体流通部11到约束肋31的歧管部侧的端部311的距离比约束肋31的高度短。通过将上述气体流通部11形成在约束肋31的附近，即使低刚性框架1的变形量增大，也能够使反应气体可靠地流通。

在第一实施方式中，如上所述，在超出上述约束肋31向歧管部侧突出的突出部14设有贯通孔等气体流通部11。而且，通过上述气体流通部11，从上述歧管部向上述气体流路供给气体，故而即使低刚性框架1发生变形而与隔板3b相接，也通过上述气体流通部11来确保反应气体的流通，防止气体流路的堵塞。

(第二实施方式)

图7是说明本发明第二实施方式的燃料电池单电池C的气体流路I的图，是低刚性框架1的反应气体流通的面的示意图。

在第二实施方式中，气体流路I的约束肋31在与反应气体的流通方向正交的方向上整齐排列而设置多个。反应气体在约束肋间划分形成的图7中虚线所示的通道12中流动。

而且，上述气体流通部11在气体流通方向上与上述通道12直线状地排列配置而形成。

根据第二实施方式，由于具有上述通道12直线状排列的上述气体流通部11，故而在气体流通部11通过的反应气体不与约束肋31碰撞而在通道12中流动。因此，降低压力损失且在发电部G生成的水容易排出。

(第三实施方式)

通过图8对本发明第三实施方式的燃料电池C的反应气体导入部I进行说明。图8(a)是低刚性框架1的反应气体的流通的面的示意图，图8(b)是图8(a)中的A－A′剖面图。另外，在图8(a)中，由虚线表示背面侧的极间密封件15。另外，与上述实施方式相同的构成部位标注同一标记并省略详细的说明。

在第三实施方式中，在低刚性框架1的突出部14形成的气体流通部11为贯通上述低刚性框架的贯通孔，该贯通孔的形状具有各向异性。而且，上述贯通孔的长径方向设置在与气体流通方向相同的方向上。

上述贯通孔在直到设于扩散部D的歧管部侧的极间密封件15之间形成，即贯通孔不仅延伸到突出部14，还延伸到约束肋31间的通道12而形成。

另外，在图7(a)中表示了椭圆形的贯通孔，但也可以为长方形等多边形。

根据第三实施方式，具有各向异性的贯通孔从突出部14到约束肋31间的通道12内连续形成。因此，如图8(b)所示，相应于低刚性框架1的厚度，通道的高度增加，压力损失降低，并且容易将在发电部G生成的水排出。

(第四实施方式)

通过图9对本发明第四实施方式的燃料电池C的气体导入部I进行说明。图9是示意地表示燃料电池C的层积方向的气体导入部I的剖面图。

另外，与上述实施方式相同的构成部位标注同一标记并省略详细的说明。

在第四实施方式中，低刚性框架1的突出部14从与歧管部对应的隔板3a、3b的开放端部32进一步向歧管侧部突出而形成。

即，从上述低刚性框架1的与上述歧管部对应的开放端部141到约束肋31的端部311的长度比上述隔板的与上述歧管部对应的开放端部32到约束肋31的端部311的长度长。

上述突出部14自隔板的开放端部32进一步向歧管部侧突出的突出长度X满足下述式(1)。

X≥δ(1/sinθ－1/tanθ)+零件公差+零件层积公差…(1)

其中，在式(1)中，δ表示低刚性框架的变形量，θ表示低刚性框架的变形角。

如图10所示，上述低刚性框架1的变形量δ典型地为气体流路的高度、即约束肋31的高度，低刚性框架1的变形角θ为约束肋31的顶部和朝向该顶部的斜面交叉的角度。

而且，比与上述歧管部对应的隔板的开放端部32更靠上述膜电极接合体2侧形成上述气体流通部11。

若将燃料电池单电池C的一对隔板3a、3b间缩窄，即使上述隔板稍变形，隔板3a和隔板3b也会接触并短路。

根据第四实施方式，低刚性框架1的突出部14超出与歧管部对应的隔板3a、3b的开放端部32向歧管侧部突出。因此，即使低刚性框架1变形，如图10所示，具有绝缘性的低刚性框架1也存在于隔板3a的开放端部与隔板3b的开放端部之间，一对隔板3a、3b被低刚性框架1可靠地分隔开。

而且，由于上述气体流通部11比隔板的开放端部32更靠上述膜电极接合体2侧形成，故而也防止隔板3a和隔板3b经由上述气体流通部11而接触。

因此，即使在层积方向上对燃料电池单电池C进行约束并加压，也能够防止隔板3a和隔板3b直接接触，能够可靠地绝缘，隔板3a、3b不短路。另外，在搭载于车辆上的情况下，即使受到较大的冲击，也防止隔板3a、3b短路。

(第五实施方式)

在本实施方式中，气体流路I的扩散部D设置在歧管部H1与歧管部H3之间、及歧管部H4与歧管部H6之间。与上述实施方式1～4的不同之处在于，使用将从歧管部供给的反应气体，在扩散部D将流通方向向大致直角方向较大改变而向发电区域G供给的低刚性框架及隔板。

从层积方向观察反应气体在低刚性框架1上流通的面的主要部分所看到的状态表示在图11(a)中。另外，图11(a)中圆包围的气体导入部I的放大图表示在图11(b)中。

在图11中，1为低刚性框架，2为膜电极接合体，H1～H3为歧管部，SL为气体密封件，13为突部，15为极间密封件，11为气体流通部，14为突出部，31为约束肋。

根据第五实施方式，在歧管部H1与歧管部H3之间设置扩散部D，由于将反应气体的流通方向在大致直角方向大幅改变，故而反应气体的流动分散，能够将反应气体向发电区域G均匀供给。

另外，上述低刚性框架1及隔板3a、3b不仅为长方形，也可以使用图12所示的H型构成。通过使用H型的低刚性框架及隔板，能够轻量化、

(第六实施方式)

通过图13对本发明第六实施方式的燃料电池C的气体导入部I进行说明。

在本实施方式中，如图13所示，歧管部朝向气体流路形成凸形状，与上述第五实施方式的不同之处在于，仅使在与该凸形状对应的低刚性框架1的凹部设置的气体流通部具有各向异性。

根据第六实施方式，由于形成为使在低刚性框架1的凹部设置的气体流通部具有各向异性的形状，故而降低压力损失。

Claims (10)

1.一种燃料电池的单电池构造，其特征在于，具有：

膜电极接合体；

低刚性框架，其支承所述膜电极接合体；

一对隔板，其夹持所述低刚性框架和所述膜电极接合体；

气体流路，其向所述一对隔板间的所述膜电极接合体供给气体；

歧管部，其形成在所述低刚性框架及所述一对隔板上，向所述气体流路供给气体；

约束肋，其在所述歧管部附近约束所述低刚性框架；

所述低刚性框架的突出部，其超出所述约束肋而向所述歧管部侧突出；

气体流通部，其形成在所述突出部，从所述歧管部向所述气体流路供给气体。

2.如权利要求1所述的燃料电池的单电池构造，其特征在于，

所述气体流通部是贯通所述低刚性框架的贯通孔。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池的单电池构造，其特征在于，

在所述约束肋间划分形成有所述气体流通的通道。

4.如权利要求3所述的燃料电池的单电池构造，其特征在于，

所述气体流通部的形状具有各向异性，并且长径方向为气体流通方向。

5.如权利要求4所述的燃料电池的单电池构造，其特征在于，

所述气体流通部的形状为椭圆形。

6.如权利要求1～5中任一项所述的燃料电池的单电池构造，其特征在于，

所述低刚性框架的突出部超出隔板的比约束部更靠歧管部侧形成的隔板开放端部而进一步向歧管部侧突出。

7.如权利要求6所述的燃料电池的单电池构造，其特征在于，

超出所述隔板的开放端部进一步向歧管侧突出的突出长度X满足下述式(1)，

X≥δ(1/sinθ－1/tanθ)+零件公差+零件层积公差…(1)

其中，在式(1)中，δ表示低刚性框架的变形量，θ表示框架的变形角。

8.如权利要求1～7中任一项所述的燃料电池的单电池构造，其特征在于，

从所述低刚性框架的与所述歧管部对应的开放端部到约束肋的端部的长度比从所述隔板的与所述歧管部对应的开放端部到约束肋的端部的长度长。

9.如权利要求1～8中任一项所述的燃料电池单电池构造，其特征在于，

在比与所述歧管部对应的隔板的开放端部更靠所述膜电极接合体侧的突出部设有所述气体流通部。

10.一种燃料电池的堆构造，其特征在于，将如下的单电池层积多个而构成，所述单电池具有：

膜电极接合体；

低刚性框架，其支承所述膜电极接合体；

一对隔板，其夹持所述低刚性框架和所述膜电极接合体；

气体流路，其向所述一对隔板间的所述膜电极接合体供给气体；

歧管部，其形成在所述低刚性框架及所述一对隔板上，向所述气体流路供给气体；

约束肋，其在所述歧管部附近约束所述低刚性框架；

所述低刚性框架的突出部，其超出所述约束肋向所述歧管部侧突出；

气体流通部，其形成在所述突出部，从所述歧管部向所述气体流路供给气体。