CN114388836A - 发电单电池和燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发电单电池和燃料电池堆。燃料电池堆的发电单电池包括带树脂框的MEA以及第一金属隔板和第二金属隔板。在发电单电池中，满足P1>P2>P3关系，其中，P1表示第一密封部和第二密封部施加于树脂框构件的第一表面压力，P2表示第一支承部和第二支承部施加于重叠部的第二表面压力，P3表示第一流路形成突起件和第二流路形成突起件施加于发电区域的第三表面压力。

Description

发电单电池和燃料电池堆
技术领域
本发明涉及发电单电池和燃料电池堆。
背景技术
通过层叠多个发电单电池而形成燃料电池堆。各个发电单电池包括带树脂框的膜电极组件(带树脂框的MEA)以及在带树脂框的MEA两侧设置的一对金属隔板。沿隔板厚度方向(多个发电单电池的层叠方向)对各个发电单电池施加压缩载荷。
带树脂框的MEA包括：膜电极组件(MEA)，其是在第一电极与第二电极之间夹持电解质膜而形成的；以及树脂框构件，其设置在MEA的发电区域的外周侧。带树脂框的MEA包括重叠部，在该重叠部中，树脂框构件的内周部被夹在第一电极的外周部与第二电极的外周部之间或者与第一电极的外周部和第二电极的外周部重叠。各个金属隔板具有金属板状的隔板主体。隔板主体包括：流路形成突起件，其接触发电区域以形成反应气体流路来作为反应气体的通路；以及支承部，其接触重叠部以支承重叠部(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第9,017,895号的说明书
发明内容
在这点上，在如上所述的发电单电池中，隔板主体可设置有密封部，该密封部与树脂框构件接触以防止作为流体的反应气体或冷却介质泄漏。密封部包括与隔板主体一体形成并从隔板主体突起的金属凸起。在向发电单电池施加压缩的状态下，从密封部向树脂框构件施加第一表面压力，从支承部向重叠部施加第二表面压力，并且从流路形成突起件向发电区域施加第三表面压力。
在发电单电池中，需要调整第一表面压力、第二表面压力、第三表面压力之间的平衡，由此将树脂框构件固定于MEA并抑制流体从密封部泄漏。
本发明是鉴于这样的问题而做出的，其目的在于提供能够用支承部将树脂框构件固定于膜电极组件并且有效抑制流体从密封部泄漏的发电单电池和燃料电池堆。
根据本发明的第一方面，提供发电单电池。所述发电单电池包括：带树脂框的膜电极组件；以及在所述带树脂框的膜电极组件的两侧设置的一对金属隔板，沿隔板厚度方向对所述发电单电池施加压缩载荷，所述带树脂框的膜电极组件包括：膜电极组件，其是在第一电极与第二电极之间夹持电解质膜而形成的；以及树脂框构件，其在所述膜电极组件的发电区域的外周侧，被固定于所述膜电极组件，其中，所述带树脂框的膜电极组件包括重叠部，在所述重叠部中，所述树脂框构件的内周部被夹持在所述第一电极的外周部与所述第二电极的外周部之间，所述一对金属隔板各自包括板状的隔板主体，所述隔板主体设置有：流路形成突起件，其构成为接触所述发电区域并形成反应气体流路来作为反应气体的通路；支承部，其构成为接触所述重叠部以支承所述重叠部；以及密封部，其构成为接触所述树脂框构件并防止作为流体的反应气体或冷却介质泄漏，所述密封部包括金属凸起，以所述流路形成突起件、所述支承部以及所述金属凸起会因被施加压缩载荷而弹性变形的方式，使所述流路形成突起件、所述支承部以及所述金属凸起分别与所述隔板主体一体形成并从所述隔板主体突起，并且，满足P1>P2>P3关系，其中P1表示所述密封部施加于所述树脂框构件的第一表面压力，P2表示所述支承部施加于所述重叠部的第二表面压力，并且P3表示所述流路形成突起件施加于所述发电区域的第三表面压力。
根据本发明的第二方面，提供燃料电池堆。所述燃料电池堆包括多个发电单电池，沿隔板厚度方向对所述燃料电池堆施加压缩载荷，所述多个发电单电池各自包括：带树脂框的膜电极组件；以及在所述带树脂框的膜电极组件的两侧设置的一对金属隔板，所述带树脂框的膜电极组件包括：膜电极组件，其是在第一电极与第二电极之间夹持电解质膜而形成的；以及树脂框构件，其在所述膜电极组件的发电区域的外周侧被固定于所述膜电极组件，其中，所述带树脂框的膜电极组件包括重叠部，在所述重叠部中，所述树脂框构件的内周部被夹持在所述第一电极的外周部与所述第二电极的外周部之间，所述一对金属隔板各自包括板状的隔板主体，所述隔板主体设置有：流路形成突起件，其构成为接触所述发电区域并形成反应气体流路来作为反应气体的通路；支承部，其构成为接触所述重叠部以支承所述重叠部；以及密封部，其构成为接触所述树脂框构件并防止作为流体的反应气体或冷却介质的泄漏，所述密封部包括金属凸起，以所述流路形成突起件、所述支承部以及所述金属凸起会因被施加压缩载荷而弹性变形的方式，使所述流路形成突起件、所述支承部以及所述金属凸起分别与所述隔板主体一体成形并从所述隔板主体突起，并且，满足P1>P2>P3关系，其中P1表示所述密封部施加于所述树脂框构件的第一表面压力，P2表示所述支承部施加于所述重叠部的第二表面压力，P3表示所述流路形成突起件施加于所述发电区域的第三表面压力。
在本发明中，由于第二表面压力P2大于第三表面压力P3，所以能够用支承部将树脂框构件可靠地固定于膜电极组件。此外，由于第一表面压力P1大于第二表面压力P2，所以能够有效地抑制流体从密封部泄漏。
参照附图对以下的实施方式进行说明，容易理解所述目的、特征以及优点，在附图中，通过说明性示例示出了本发明的优选实施例。
附图说明
图1是本发明的实施例涉及的形成燃料电池堆的发电单电池的分解立体图。
图2是沿图1中的线II-II剖切的局部垂直剖面图。
图3是示出从MEA侧观察图1中的第一金属隔板的平面图。
图4是示出从MEA侧观察图1中的第二金属隔板的平面图。
图5是示出在施加压缩载荷之前带树脂框的MEA和接合隔板的局部省略的局部垂直剖面图。
图6是图2的局部放大垂直剖面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图说明本发明涉及的发电单电池和燃料电池堆的优选实施例。
如图1所示，本发明实施例涉及的燃料电池堆12是将多个发电单电池10沿箭头A指示的方向层叠而形成的。例如，燃料电池堆12安装于燃料电池汽车(未图示)。在这种情况下，燃料电池堆12以发电单电池10的层叠方向沿水平方向(车辆宽度方向或车辆长度方向)定向的方式被安装于燃料电池汽车。然而，应当注意，燃料电池堆12也可以是以多个发电单电池10的层叠方向沿燃料电池汽车的垂直方向(车辆高度方向)定向的方式被安装于燃料电池汽车。此外，可以作为固定安置型来使用燃料电池堆12。
在图1中，发电单电池10具有横向延伸的矩形形状。然而，发电单电池10也可以具有垂直延伸的形状。如图1和图2所示，发电单电池10包括带树脂框的膜电极组件(以下称为“带树脂框的MEA 14”)、以及在带树脂框的MEA 14的两侧设置的一对金属隔板(第一金属隔板16和第二金属隔板18)。
第一金属隔板16和第二金属隔板18分别是对金属薄板进行冲压成型来将截面形成为凹凸形状而形成的。金属板例如是钢板、不锈钢板、铝板、镀处理钢板或者在其金属表面上施加了用于防腐蚀的表面处理的金属板。彼此相邻的发电单电池10中的一方的第一金属隔板16与发电单电池10中的另一方的第二金属隔板18通过焊接、钎焊、嵌塞等将外周部接合为一体，来形成接合隔板20。即，燃料电池堆12是带树脂框的MEA 14与接合隔板20交替层叠而形成的。
在图1中，在各个发电单电池10的沿长边方向的一端(箭头B1指示的方向的端部)，沿箭头C指示的方向(垂直方向)排列有含氧气体供给通路22a、冷却介质供给通路24a以及燃料气体排出通路26b。含氧气体供给通路22a沿箭头A指示的方向延伸并且贯穿各个发电单电池10，以供给含氧气体(O2气体)。冷却介质供给通路24a沿箭头A指示的方向延伸并且贯穿各个发电单电池10，以供给例如水的冷却介质。燃料气体排出通路26b沿箭头A指示的方向延伸并且贯穿各个发电单电池10，以排出含氢气体(H2气体)。
在发电单电池10的另一端(箭头B2指示的方向的端部)，沿箭头C指示的方向排列有燃料气体供给通路26a、冷却介质排出通路24b以及含氧气体排出通路22b。燃料气体供给通路26a沿箭头A指示的方向延伸并且贯穿各个发电单电池10，以供给燃料气体。冷却介质排出通路24b沿箭头A指示的方向延伸并且贯穿各个发电单电池10，以排出冷却介质。含氧气体排出通路22b沿箭头A指示的方向延伸并且贯穿各个发电单电池10，以排出含氧气体。含氧气体供给通路22a、含氧气体排出通路22b、冷却介质供给通路24a、冷却介质排出通路24b、燃料气体供给通路26a和燃料气体排出通路26b的个数、位置、形状和尺寸不限于本实施例，可以在必要时根据需要的规格来确定。
如图1和图2所示，带树脂框的MEA 14包括膜电极组件(以下称为“MEA 28”)以及在MEA 28的外周部设置的树脂框构件30。
在图2中，MEA 28包括电解质膜32、以及夹着电解质膜32的第一电极34和第二电极36。例如，电解质膜32是固体聚合物电解质膜(阳离子交换膜)。例如，固体聚合物电解质膜是含水的全氟磺酸的薄膜。可以使用氟类电解质作为电解质膜32。也可以使用HC(烃)类电解质作为电解质膜32。
第一电极34是阴极电极。第一电极34包括：第一电极催化剂层38，其接合于电解质膜32的一方表面32a；以及第一气体扩散层40，其层叠于第一电极催化剂层38。第二电极36是阳极电极。第二电极36包括：第二电极催化剂层42，其接合于电解质膜32的另一方表面32b；以及第二气体扩散层44，其层叠于第二电极催化剂层42。
第一电极催化剂层38例如是将表面上承载了白金合金的多孔质碳粒子和离子导电聚合物粘合剂均匀地涂布在第一气体扩散层40的表面而形成的。第二电极催化剂层42例如是将表面上承载了白金合金的多孔质碳粒子和离子导电聚合物粘合剂均匀地涂布在第二气体扩散层44的表面而形成的。第一气体扩散层40和第二气体扩散层44分别包括碳纸、碳布等。
第二电极36的表面尺寸(外形尺寸)大于第一电极34的表面尺寸。换句话说，第二气体扩散层44的表面尺寸大于第一气体扩散层40的表面尺寸。第二电极36的外周端36e位于第一电极34的外周端34e的外侧。电解质膜32的表面尺寸与第一电极34的表面尺寸相同。在电解质膜32的表面方向(图2中的箭头C所指示)，电解质膜32的外周端32e处于与第一电极34的外周端34e相同的位置。
如图1所示，树脂框构件30形成为围绕MEA 28的外周部的四边环形状。在树脂框构件30的沿长边方向的一端(箭头B1指示的方向的端部)，设置有含氧气体供给通路22a、冷却介质供给通路24a以及燃料气体排出通路26b。在树脂框构件30沿长度方向的另一端(箭头B2指示的方向的端部)，设置有燃料气体供给通路26a、冷却介质排出通路24b以及含氧气体排出通路22b。
如图2所示，树脂框构件30设置在MEA 28的发电区域46的外周侧。在这点上，这里发电区域46是指MEA 28的如下部分，在该部分中，第一电极催化剂层38与电解质膜32的一方表面32a接触，并且第二电极催化剂层42与电解质膜32的另一方表面32b接触。
树脂框构件30具有第一框状片48和第二框状片50。第一框状片48的内周部48i与MEA 28的外周部接合。第一框状片48的内周部48i被夹在电解质膜32的外周部32o与第二电极36的外周部36o之间。具体地，第一框状片48的内周部48i位于电解质膜32与第二电极催化剂层42之间。换言之，带树脂框的MEA 14包括重叠部52，其中第一框状片48的内周部48i(树脂框构件30的内周部30i)被夹持在第一电极34的外周部34o与第二电极36的外周部36o之间。即，这里重叠部52是指第一框状片48的内周部48i、第一电极34的外周部34o、第二电极36的外周部36o以及电解质膜32的外周部32o沿箭头A指示的方向重叠的部分。
由粘合剂制成的粘合层54设置于第一框状片48的一方表面48a(第一电极34所在的表面)。电解质膜32的外周部32o经由粘合层54来与第一框状片48的内周部48i接合。第二框状片50经由粘合层54来与第一框状片48的外周部48o接合。
粘合层54设置于第一框状片48的一方表面48a。应当注意，也可以是粘合层54局部地设置于第一框状片48的一方表面48a。应当注意，形成粘合层54的粘合剂仅涂覆于第一框状片48的一方表面48a，粘合剂不涂覆于第一框状片48的另一方表面48b(第二电极36所在的表面)。也可以是，形成粘合层54的粘合剂涂覆于电解质膜32的外周部32o和第二框状片50。粘合剂包括反应气体(燃料气体和含氧的气体)无法透过的材料。粘合剂不限于液态、固态、或者热塑性材料、热固性材料等。
第二电极36包括倾斜部56，倾斜部56与第一电极34对置并从发电区域46朝向重叠部52(第二电极36的外周部)倾斜。应当注意，第一电极34和电解质膜32分别从发电区域46延伸到重叠部52，没有台阶。与第一电极34相邻的重叠部52的外表面52a同与第一电极34相邻的发电区域46的外表面46a位于同一平面。相比于与第二电极36相邻的重叠部52的外表面52b，与第二电极36相邻的发电区域46的外表面46b更靠近电解质膜32。
第一框状片48的内周端48ie在箭头A指示的方向呈扁平形状。在发电区域46与重叠部52之间形成内部空间S1。在图2中，内部空间S1呈三角形。内部空间S1是由第一框状片48的内周端48ie、粘合层54的内周端54ie、电解质膜32的另一方表面32b以及第二电极36的倾斜部56围成的空间。
第二框状片50的内周端50ie以沿整周具有间隙S2(空间)的方式面向第一电极34的外周端34e。即，第二框状片50没有被夹持在第一电极34的外周部34o与第二电极36的外周部36o之间。第二框状片50的内周端50ie位于第二电极36的外周端36e内侧。即，以第二电极36的外周部36o在隔板厚度方向(箭头A所指示)上与第二框状片50的内周部50i重叠的方式，形成第二电极36的外周部36o(第二气体扩散层44的外周部44o)。
第一框状片48的厚度与第二框状片50的厚度彼此不同。第二框状片50的厚度大于第一框状片48的厚度。然而，第二框状片50的厚度也可以与第一框状片48的厚度相同，或者小于第一框状片48的厚度。
第一框状片48和第二框状片50各自均由反应气体无法透过的树脂材料制成。第一框状片48和第二框状片50的材料示例包括PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、LCP(液晶聚合物)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、有机硅树脂、氟树脂、m-PPE(改性聚苯醚)树脂、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)或改性聚烯烃。
树脂框构件30不限于第一框状片48和第二框状片50被粘合层54接合而成的结构。树脂框构件30可以是一体形成的单体构件的形式。此外，树脂框构件30不限于具有薄的内周部30i和厚的外周部30o的阶梯形状。树脂框构件30可以具有从内周部30i到外周部30o没有台阶的形状(大致扁平形状)。也可以是，树脂框构件30的内周部30i(第一框状片48的内周部48i)被夹持在电解质膜32的外周部32o与第一电极34的外周部34o之间。也可以是，第二电极36的外周端36e位于第二框状片50的内周端50ie的内侧。换句话说，也可以是，以第二电极36的外周部36o在隔板厚度方向上与第二框状片50不重叠方式形成第二电极36的外周部36o(第二气体扩散层44的外周部44o)。
如图3所示，第一金属隔板16包括金属板状的第一隔板主体60。第一隔板主体60在其面向带树脂框的MEA 14的表面(以下称为“表面60a”)上具有直线状的含氧气体流路62。例如，含氧气体流路62沿第一隔板主体60的长度方向(箭头B所指示)延伸。
含氧气体流路62连接于含氧气体供给通路22a和含氧气体排出通路22b(可流通流体地连通)。含氧气体流路62包括在沿箭头B指示的方向延伸的多个直线状的第一流路形成突起件64之间形成的多个直线状的第一流槽66。因此，在含氧气体流路62中，多个第一流路形成突起件64与多个第一流槽66在流路宽度方向(箭头C所指示)上交替排列。
在图2中，以第一流路形成突起件64从第一隔板主体60朝向带树脂框的MEA 14突起的方式，各个第一流路形成突起件64与第一隔板主体60一体成形。各个流路形成突起件64具有朝向第一流路形成突起件64的突起方向逐渐变细的梯形形状。应当注意，各个第一流路形成突起件64的横截面可以具有矩形形状。各个第一流路形成突起件64的突起端面与第一气体扩散层40的外表面接触。应当注意，含氧气体流路62(第一流路形成突起件64和第一流槽66)可以在箭头B指示的方向呈波状图案延伸。
如图3所示，在含氧气体供给通路22a与含氧气体流路62之间，在第一隔板主体60的表面60a设置有第一入口缓冲部66a。第一入口缓冲部66a包括多个圆凸阵列，各圆凸阵列包括沿箭头C指示的方向排列的多个圆凸64a。此外，在含氧气体排出通路22b与含氧气体流路62之间，在第一隔板主体60的表面60a设置有第一出口缓冲部66b。第一出口缓冲部66b包括多个圆凸阵列，各圆凸阵列包括多个圆凸64b。
第一密封部68形成于第一隔板主体60的表面60a，用于防止流体(反应气体和冷却介质)泄漏。从隔板厚度方向(箭头A所指示)观察，第一密封部68呈直线状地延伸。或者也可以是，从隔板厚度方向观察，第一密封部68呈波状图案延伸。
第一密封部68包括多个第一通路密封件70和第一外周密封部72。多个第一通路密封件70分别围绕含氧气体供给通路22a、含氧气体排出通路22b、冷却介质供给通路24a、冷却介质排出通路24b、燃料气体供给通路26a、燃料气体排出通路26b。
在下文中，在多个第一通路密封件70中，将围绕含氧气体供给通路22a的第一通路密封件70称为“第一通路密封件70a”，将围绕含氧气体排出通路22b的第一通路密封件70称为“第一通路密封件70b”，将围绕燃料气体供给通路26a的第一通路密封件70称为“第一通路密封件70c”，将围绕燃料气体排出通路26b的第一通路密封件70称为“第一通路密封件70d”。
第一外周密封部72呈环状地设置于第一隔板主体60的外周部。第一外周密封部72防止含氧气体的泄漏。第一外周密封部72围绕含氧气体流路62、第一入口缓冲部66a、第一出口缓冲部66b以及多个第一通路密封件70a至70d。
如图2所示，第一密封部68包括：第一金属凸起74，其以第一密封部68朝向带树脂框的MEA 14突起的方式与第一隔板主体60一体成形；以及第一树脂构件76，其设置于第一金属凸起74。第一金属凸起74的横截面形状为朝向第一金属凸起74的突起方向逐渐变细的梯形形状。
第一金属凸起74包括：彼此相向地配置的一对第一凸起侧部78；以及与所述一对第一凸起侧部78的突起端连接的第一凸起顶部80。所述一对第一凸起侧部78之间的空间朝向第一凸起顶部80而逐渐缩窄。应当注意，也可以是，第一凸起侧部78平行于隔板厚度方向(箭头A所指示)。即，第一金属凸起74的横截面可以具有矩形形状。
第一树脂构件76是通过印刷或涂覆被固定于第一金属凸起74的突起端面(第一凸起顶部80的外表面)的弹性构件。例如，第一树脂构件76由聚酯纤维、EPDM(乙烯丙烯二烯单体)橡胶、氟或硅树脂制成。第一树脂构件76不是多孔构件。此外，在第一树脂构件76包括封闭泡沫的情况下，第一树脂构件76可以是多孔的。此外，可以省去第一树脂构件76。
在图3中，第一隔板主体60设置有将第一通路密封件70a的内部(靠近含氧气体供给通路22a)与外部(靠近含氧气体流路62)连通的第一入口桥82a。第一隔板主体60设置有将第一通路密封件70b的内部(靠近含氧气体排出通路22b)与外部(靠近含氧气体流路62)连通的第一出口桥82b。
如图2所示，第一隔板主体60设置有用于支承重叠部52的第一支承部84。以第一支承部84朝向带树脂框的MEA 14突起的方式，使第一支承部84与第一隔板主体60一体成形。第一支承部84的突起端面84a接触第一气体扩散层40的外周部40o。第一支承部84位于第一外周密封部72与含氧气体流路62之间。
如图4所示，第二金属隔板18包括金属板状的第二隔板主体86。在第二隔板主体86的面向带树脂框的MEA 14的表面(以下称为“表面86a”)，具有直线状的燃料气体流路88。例如，燃料气体流路88在第二隔板主体86的长度方向(箭头B所指示)直线状延伸。
燃料气体流路88与燃料气体供给通路26a和燃料气体排出通路26b连接(可流通流体地连通)。燃料气体流路88包括在沿箭头B指示的方向延伸的多个直线状的第二流路形成突起件90之间形成的多个直线状的第二流槽92。因此，在燃料气体流路88中，多个第二流路形成突起件90与多个第二流槽92沿流路宽度方向(箭头C所指示)交替排列。
在图2中，以第二流路形成突起件90从第二隔板主体86朝向带树脂框的MEA14突起的方式，使各个第二流路形成突起件90与第二隔板主体86一体成形。各个第二流路形成突起件90具有朝向第二流路形成突起件90的突起方向逐渐变细的梯形形状。应当注意，也可以是，各个第二流路形成突起件90的横截面具有矩形形状。第二流路形成突起件90的各个突起端面接触第二气体扩散层44的外表面。应当注意，也可以是，燃料气体流路88(第二流路形成突起件90和第二流槽92)在箭头B指示的方向呈波状图案延伸。
如图4所示，在燃料气体供给通路26a与燃料气体流路88之间，在第二隔板主体86的表面86a设置第二入口缓冲部96a。第二入口缓冲部96a包括多个圆凸阵列，各圆凸阵列包括沿箭头C指示的方向排列的多个圆凸94a。此外，在燃料气体排出通路26b与燃料气体流路88之间，在第二隔板主体86的表面86a设置第二出口缓冲部96b。第二出口缓冲部96b包括多个圆凸阵列，各圆凸阵列包括多个圆凸94b。
用于防止流体(反应气体和冷却介质)泄漏的第二密封部98设置于第二隔板主体86的表面86a。从隔板厚度方向(箭头A所指示)观察，第二密封部98直线状地延伸。或者也可以是，从隔板厚度方向观察，第二密封部98呈波状图案延伸。
第二密封部98包括多个第二通路密封件100以及第二外周密封部102。多个第二通路密封件100分别围绕含氧气体供给通路22a、含氧气体排出通路22b、燃料气体供给通路26a、燃料气体排出通路26b、冷却介质供给通路24a以及冷却介质排出通路24b。
在下文中，在多个第二通路密封件100中，将围绕燃料气体供给通路26a的第二通路密封件100称为“第二通路密封件100a”，将围绕燃料气体排出通路26b的第二通路密封件100称为“第二通路密封件100b”，将围绕含氧气体供给通路22a的第二通路密封件100称为“第二通路密封件100c”，将围绕含氧气体排出通路22b的第二通路密封件100称为“第二通路密封件100d”。
第二外周密封部102呈环状地设置在第二隔板主体86的外周部。第二外周密封部102防止燃料气体泄漏。第二外周密封部102围绕燃料气体流路88、第二入口缓冲部96a、第二出口缓冲部96b以及多个第二通路密封件100a-100d。
如图2所示，第二密封部98包括：第二金属凸起104，其以朝向带树脂框的MEA14突起的方式与第二隔板主体86一体成形；以及第二树脂构件106，其设置于第二金属凸起104。第二金属凸起104的横截面形状为朝向第二金属凸起104的突起方向逐渐变细的梯形形状。
第二金属凸起104包括：彼此相向地设置的一对第二凸起侧部108；以及与所述一对第二凸起侧部108的突起端连接的第二凸起顶部110。所述一对第二凸起侧部108之间的空间朝向第二凸起顶部110而逐渐缩窄。应当注意，也可以是，第二凸起侧部108平行于隔板厚度方向(箭头A所指示)。即，第二金属凸起104的横截面可以具有矩形形状。
第二树脂构件106是通过印刷或涂覆被固定于第二金属凸起104的突起端面(第二凸起顶部110的外表面)的弹性构件。例如，第二树脂构件106由聚酯纤维、EPDM(乙烯丙烯二烯单体)橡胶、氟或硅树脂制成。第二树脂构件106不是多孔构件。此外，在第二树脂构件106包括封闭泡沫的情况下，第二树脂构件106可以是多孔的。此外，可以省去第二树脂构件106。
在图4中，第二隔板主体86设置有将第二通路密封件100a的内部(靠近燃料气体供给通路26a)与外部(靠近燃料气体流路88)连通的第二入口桥112a。第二隔板主体86设置有将第二通路密封件100b的内部(靠近燃料气体排出通路26b)与外部(靠近燃料气体流路88)连通的第二出口桥112b。
如图2所示，第二隔板主体86设置有用于支承重叠部52的第二支承部114。以第二支承部114朝向带树脂框的MEA 14突起的方式，使第二支承部114与第二隔板主体86一体成形。第二支承部114的突起端面114a接触第二气体扩散层44的外周部44o。第二支承部114位于第二外周密封部102与燃料气体流路88之间。
在第二支承部114与燃气流路88之间设置有台阶116。台阶116与第二电极36对置并从燃气流路88朝向第二支承部114倾斜。台阶116以平行于倾斜部56的方式延伸。应当注意，也可以是，台阶116与倾斜部56彼此不平行。台阶116可以沿箭头A指示的方向延伸。
在图1和图2中，冷却介质流路118设置在第一隔板主体60的背面60b与第二隔板主体86的背面86b之间。冷却介质流路118连接于冷却介质供给通路24a和冷却介质排出通路24b。冷却介质流路118由含氧气体流路62后表面和燃料气体流路88后表面形成。
沿隔板厚度方向(箭头A所指示)对具有上述结构的燃料电池堆12(发电单电池10)施加压缩载荷。以第一流路形成突起件64、第一支承部84以及第一金属凸起74会因被施加压缩载荷而弹性变形的方式，使第一流路形成突起件64、第一支承部84以及第一金属凸起74分别与第一隔板主体60一体成形。以第二流路形成突起件90、第二支承部114以及第二金属凸起104会因被施加压缩载荷而弹性变形的方式，使第二流路形成突起件90、第二支承部114以第二金属凸起104分别与第二隔板主体86一体成形。
如图6所示，在压缩载荷施加于发电单电池10的状态下，以满足关系P1>P2>P3的方式形成发电单电池10的构成部件，其中P1表示第一密封部68和第二密封部98施加于树脂框构件30的第一表面压力，P2表示第一支承部84和第二支承部114施加于重叠部52的第二表面压力，P3表示第一流路形成突起件64和第二流路形成突起件90施加于发电区域46的第三表面压力。
具体地，在对第二金属隔板18施加压缩载荷之前，第二金属隔板18具有如图5所示的形状。在图5中，第一距离L1是在箭头A所指示的方向从第二隔板主体86的表面86a(基准面86s)至第二密封部98中的与第一框状片48接触的表面(第二树脂构件106的外表面)为止的直线距离。第二距离L2是在箭头A所指示的方向从第二隔板主体86的基准面86s至第二支承部114中的与第二气体扩散层接触的表面(第二支承部114的突起端面)为止的直线距离。第三距离L3是在箭头A所指示的方向从第二隔板主体86的基准面86s至第二流路形成突起件90中的与第二气体扩散层44接触的表面(第二流路形成突起件90的突起端面)为止的直线距离。
第一距离L1与第二距离L2之差La大于第二电极36(第二电极催化剂层42和第二气体扩散层44)的厚度T1(La＞T1)。因此，在压缩载荷被施加于发电单电池10的状态下，即在第二树脂构件106接触第一框状片48的另一方表面48b并且第二支承部114的突起端面114a接触重叠部52的外表面52b的状态下，第一表面压力P1大于第二表面压力P2。
第三距离L3与第二距离L2之差Lb(台阶116的高度)小于包括粘合层54和第一框状片48的部分的厚度T2(Lb＜T2)。因此，在对发电单电池10施加压缩载荷的状态下，即，在第二支承部114的突起端面114a接触重叠部52的外表面52b并且第二流路形成突起件90接触与第二电极36相邻的发电区域46的外表面46b的状态下，第二表面压力P2大于第三表面压力P3。应当注意，厚度T2是从第二框状片50所在的粘合层54的表面至第一框状片48的另一方表面48b为止的距离。
发电单电池10不限于上述结构。即，在压缩载荷施加于发电单电池10的状态下，只要满足关系P1>P2>P3，发电单电池10的结构可以根据需要改变。例如，发电单电池10可以设置有密封构件，用于调节第一框状片48的另一方表面的表面压力，使得第一表面压力P1大于第二表面压力P2。此外，发电单电池10可以在重叠部52中的第二气体扩散层44的外表面设置用于调节表面压力的片材构件，使得第二表面压力P2大于第三表面压力P3。
在发电单电池10中，如图6所示，燃料气体流路88中的燃料气体通过第二电极36(第二气体扩散层44和第二电极催化剂层42)，然后，燃料气体被导入内部空间S1。此外，燃料气体流路88中的燃料气体从第二电极36的外周侧通过第二电极催化剂层42与第一框状片48之间的位置流入内部空间S1。此外，在发电单电池10中，在第二表面压力P2低的情况下，存在如下担心：内部空间S1中的燃料气体可能通过粘合层54与电解质膜32之间的位置泄漏到第一电极34的外周侧。即，可能发生燃料气体从燃料气体流路88向含氧气体流路62的交叉泄漏。
然而，在本发明的实施例中，由于第二表面压力P2大(P2＞P3)，因此可以将粘合层54固定于电解质膜32。因此，可以有效地抑制内部空间S1中的燃料气体通过粘合层54与电解质膜32之间的位置泄漏到含氧气体流路62这样的交叉泄漏。因此，能够抑制由于这种交叉泄漏导致的发电效率降低。此外，可以用第二表面压力P2的摩擦力抑制树脂框构件30和电解质膜32在箭头C所指示的方向上的膨胀、收缩(可以防止电解质膜32的破裂)。
此外，如图6所示，由于第二表面压力P2大于第三表面压力P3，因此，第二电极36的形成重叠部52的部分(第二电极36的外周部36o)中的压缩余裕大于第二电极36的形成发电区域46的部分中的压缩余裕。即，第二电极36的形成重叠部52的部分(第二电极36的外周部36o)的厚度T1a小于第二电极36的形成发电区域46的部分的厚度T1b。
接下来，将描述具有上述结构的燃料电池堆12的操作。
首先，如图1所示，含氧气体被供给至含氧气体供给通路22a。燃料气体被供给至燃料气体供给通路26a。冷却介质被供给至冷却介质供给通路24a。
含氧气体从含氧气体供给通路22a供给至第一金属隔板16的含氧气体流路62。含氧气体在箭头B所指示的方向沿含氧气体流路62移动，并且含氧气体被供给至MEA 28的第一电极34(见图1和图3)。
同时，燃料气体从燃料气体供给通路26a供给至第二金属隔板18的燃料气体流路88。燃料气体在箭头B所指示的方向沿燃料气体流路88移动，并且燃料气体被供给至MEA 28的第二电极36(见图1和图4)。
因此，在各MEA 28的发电区域46(见图2)中，被供给至第一电极34的含氧气体与被供给至第二电极36的燃料气体通过电化学反应被部分消耗来进行发电。
然后，被供给至第一电极34并且部分被消耗了的含氧气体在箭头A所指示的方向沿含氧气体排出通路22b被排出。同样，被供给至第二电极36并且部分被消耗了的燃料气体在箭头A所指示的方向沿燃料气体排出通路26b被排出。
此外，被供给至冷却介质供给通路24a的冷却介质流入在第一金属隔板16与第二金属隔板18之间形成的冷却介质流路118，然后沿箭头B所指示的方向流动。冷却介质在将MEA 28冷却之后，从冷却介质排出通路24b被排出。
本发明的实施例提供以下优点。
在发电单电池10中，满足P1＞P2＞P3关系，其中P1表示第一密封部68和第二密封部98施加于树脂框构件30的第一表面压力，P2表示第一支承部84和第二支承部114施加于重叠部52的第二表面压力，P3表示第一流路形成突起件64和第二流路形成突起件90施加于发电区域46的第三表面压力。
在该结构中，由于第二表面压力P2大于第三表面压力P3，因此可以用第一支承部84和第二支承部114将树脂框构件30可靠地固定于MEA 28。此外，由于第一表面压力P1大于第二表面压力P2，因此可以有效地抑制流体(反应气体和冷却介质)从第一密封部68和第二密封部98泄漏。
在第二电极36的外周部36o与电解质膜32的外周部32o之间夹持树脂框构件30的内周部30i。
在该结构中，可以用第二电极36的外周部36o和电解质膜32的外周部32o来固定树脂框构件30的内周部30i。
在重叠部52中，在树脂框构件30的内周部30i与电解质膜32的外周部32o之间设置由粘合剂形成的粘合层54。在树脂框构件30的内周部30i与发电区域46之间形成有内部空间S1。第一电极34是阴极电极，而第二电极36是阳极电极。
在该结构中，在重叠部52中，可以利用第二表面压力P2将树脂框构件30的内周部30i与电解质膜32的外周部32o经由粘合层54牢固地接合。此外也可以是，将粘合层54与电解质膜32的外周部32o以气密方式紧密地粘合。应当注意，也可以是，在电解质膜32的外周部32o涂覆形成粘合层54的粘合剂的情况下，将粘合层54与树脂框构件30的内周部30i以气密方式相互粘合。因此，能够抑制燃料气体从内部空间S1通过粘合层54与电解质膜32之间(或粘合层54与树脂框构件30之间)的位置泄漏到含氧气体流路62的交叉泄漏。因此，能够抑制由于交叉泄漏导致的发电效率降低。
树脂框构件30包括：第一框状片48；以及与第一框状片48的外周部48o接合的第二框状片50，并且在第二电极36的外周部36o与电解质膜32的外周部32o之间仅夹持第一框状片48的内周部48i。
在该结构中，与在第二电极36的外周部36o与电解质膜32的外周部32o之间夹持第一框状片48的内周部48i和第二框状片50的内周部50i的情况相比，能够减小重叠部52的厚度。
第二电极36包括倾斜部56，该倾斜部56与第一电极34对置，从发电区域46朝向重叠部52倾斜。第二隔板主体86在燃料气体流路88与第二支承部114之间设置有台阶116，使得第二支承部114的突起端面114a朝向电解质膜32的相对侧，位于第二流路形成突起件90的突起端面之外。
在该结构中，通过调整台阶116的高度，可以使第二表面压力P2大于第三表面压力P3。
本发明不限于上述实施例。在不脱离本发明的主旨的情况下可以进行各种变型。
上述实施例总结如下：
在本发明的实施例中，提供了一种发电单电池10。该发电单电池10包括：带树脂框的膜电极组件14；以及在带树脂框的膜电极组件的两侧设置的一对金属隔板16、18，沿隔板厚度方向对发电单电池10施加压缩载荷，带树脂框的膜电极组件包括：膜电极组件28，其是在第一电极34与第二电极36之间夹持电解质膜32而形成的；以及树脂框构件30，其在膜电极组件的发电区域46的外周侧，被固定于膜电极组件，其中，带树脂框的膜电极组件包括重叠部52，在第一电极的外周部34o与第二电极的外周部36o之间夹持树脂框构件的内周部30i，所述一对金属隔板各自包括板状的隔板主体60、86，隔板主体设置有：流路形成突起件64、90，其构成为接触发电区域并形成反应气体流路来作为反应气体的通路；支承部84、114，其构成为接触重叠部以支承重叠部；以及密封部68、98，其构成为接触树脂框构件并防止作为流体的反应气体或冷却介质泄漏，密封部包括金属凸起74、104，以流路形成突起件、支承部以及金属凸起会因被施加压缩载荷而弹性变形的方式，使流路形成突起件、支承部以及金属凸起分别与隔板主体一体成形并从隔板主体突起，并且，满足P1>P2>P3关系，其中P1表示密封部施加于树脂框构件的第一表面压力，P2表示支承部施加于重叠部的第二表面压力，P3表示流路形成突起件施加于发电区域的第三表面压力。
此外，上述实施例提供了一种燃料电池堆12。该燃料电池堆包括多个发电单电池，沿隔板厚度方向对燃料电池堆施加压缩载荷，发电单电池各自包括：带树脂框的膜电极组件；以及在带树脂框的膜电极组件的两侧设置的一对金属隔板，带树脂框的膜电极组件包括：膜电极组件，其是在第一电极与第二电极之间夹持电解质膜而形成的；以及树脂框构件，其在膜电极组件的发电区域的外周侧，被固定于膜电极组件，其中，带树脂框的膜电极组件包括重叠部，在第一电极的外周部与第二电极的外周部之间夹持树脂框构件的内周部，所述一对金属隔板各自包括板状的隔板主体，隔板主体设置有：流路形成突起件，其构成为接触发电区域并形成反应气体流路来作为反应气体的通路；支承部，其构成为接触重叠部以支承重叠部；以及密封部，其构成为接触树脂框构件并防止作为流体的反应气体或冷却介质的泄漏，密封部包括金属凸起，以流路形成突起件、支承部以及金属凸起会因被施加压缩载荷而弹性变形的方式，使流路形成突起件、支承部以及金属凸起分别与隔板主体一体成形并从隔板主体突起，并且，满足P1>P2>P3关系，其中P1表示密封部施加于树脂框构件的第一表面压力，P2表示支承部施加于重叠部的第二表面压力，P3表示流路形成突起件施加于发电区域的第三表面压力。
在发电单电池和燃料电池堆中，也可以是，在第二电极的外周部与电解质膜的外周部32o之间夹持树脂框构件的内周部。
在发电单电池和燃料电池堆中，也可以是，在重叠部中，在树脂框构件的内周部与电解质膜的外周部之间设置由粘合剂形成的粘合层54，在树脂框构件的内周部与发电区域之间形成内部空间S1，第一电极是阴极电极，第二电极是阳极电极。
在发电单电池和燃料电池堆中，也可以是，树脂框构件包括：第一框状片48；以及接合于第一框状片的外周部48o的第二框状片50，在第二电极的外周部与电解质膜的外周部之间仅夹持第一框状片的内周部48i。
在发电单电池和燃料电池堆中，也可以是第一电极包括第一气体扩散层40，该第一气体扩散层构成为使反应气体扩散到发电区域，第二电极可以包括第二气体扩散层44，该第二气体扩散层构成为使反应气体扩散到发电区域，第二气体扩散层的表面尺寸大于第一气体扩散层的表面尺寸。
在发电单电池和燃料电池堆中，也可以是，第二气体扩散层的外周部44o形成为在隔板厚度方向上与第二框状片的内周部50i重叠。
在发电单电池和燃料电池堆中，也可以是，第二电极包括倾斜部56，该倾斜部与第一电极对置并从发电区域朝向重叠部倾斜，所述一对金属隔板中，形成与第二电极相邻的金属隔板的隔板主体在反应气体流路与支承部之间设置有台阶116，该台阶构成为使支承部的突起端面朝向电解质膜的相对侧，位于流路形成突起件的突起端面之外。

Claims (8)

1.一种发电单电池，包括：带树脂框的膜电极组件；以及在所述带树脂框的膜电极组件的两侧设置的一对金属隔板，
沿隔板厚度方向对所述发电单电池施加压缩载荷，
所述带树脂框的膜电极组件包括：膜电极组件，其是在第一电极与第二电极之间夹持电解质膜而形成的；以及树脂框构件，其在所述膜电极组件的发电区域的外周侧，被固定于所述膜电极组件，其中，
所述带树脂框的膜电极组件包括重叠部，在所述重叠部，在所述第一电极的外周部与所述第二电极的外周部之间夹持所述树脂框构件的内周部，
所述一对金属隔板各自包括板状的隔板主体，
所述隔板主体设置有：流路形成突起件，其构成为接触所述发电区域并形成反应气体流路来作为反应气体的通路；支承部，其构成为接触所述重叠部以支承所述重叠部；以及密封部，其构成为接触所述树脂框构件并防止作为流体的反应气体或冷却介质泄漏，
所述密封部包括金属凸起，
以所述流路形成突起件、所述支承部以及所述金属凸起会因被施加压缩载荷而弹性变形的方式，使所述流路形成突起件、所述支承部以及所述金属凸起分别与所述隔板主体一体成形并从所述隔板主体突起，
并且，满足P1>P2>P3关系，其中P1表示所述密封部施加于所述树脂框构件的第一表面压力，P2表示所述支承部施加于所述重叠部的第二表面压力，P3表示所述流路形成突起件施加于所述发电区域的第三表面压力。
2.根据权利要求1所述的发电单电池，其中，
在所述第二电极的外周部与所述电解质膜的外周部之间夹持所述树脂框构件的内周部。
3.根据权利要求2所述的发电单电池，其中，
在所述重叠部，在所述树脂框构件的内周部与所述电解质膜的外周部之间设置由粘合剂形成的粘合层，
在所述树脂框构件的内周部与所述发电区域之间形成内部空间，
所述第一电极是阴极电极，
所述第二电极是阳极电极。
4.根据权利要求2所述的发电单电池，其中，
所述树脂框构件包括：第一框状片；以及第二框状片，其接合于所述第一框状片的外周部，
在所述第二电极的外周部与所述电解质膜的外周部之间仅夹持所述第一框状片的内周部。
5.根据权利要求4所述的发电单电池，其中，
所述第一电极包括第一气体扩散层，该第一气体扩散层构成为使反应气体扩散到所述发电区域，
所述第二电极包括第二气体扩散层，该第二气体扩散层构成为使反应气体扩散到所述发电区域，
所述第二气体扩散层的表面尺寸大于所述第一气体扩散层的表面尺寸。
6.根据权利要求5所述的发电单电池，其中，
所述第二气体扩散层的外周部形成为在所述隔板厚度方向上与所述第二框状片的内周部重叠。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发电单电池，其中，
所述第二电极包括倾斜部，该倾斜部与所述第一电极对置并从所述发电区域朝向所述重叠部倾斜，
所述一对金属隔板中，形成与所述第二电极相邻的金属隔板的隔板主体在所述反应气体流路与所述支承部之间设置有台阶，所述台阶构成为使所述支承部的突起端面朝向所述电解质膜的相对侧，位于所述流路形成突起件的突起端面之外。
8.一种燃料电池堆，包括根据权利要求1至7中任一项所述的发电单电池，并且沿隔板厚度方向对所述燃料电池堆施加压缩载荷。
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