CN217009241U

CN217009241U - 燃料电池单元

Info

Publication number: CN217009241U
Application number: CN202220270057.3U
Authority: CN
Inventors: 岛仓泰博
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: JP2022125748A

Abstract

本实用新型涉及燃料电池单元。燃料电池单元(11)具有：支承框(14)，其在形成于中央部的开口部(12)支承膜电极接合体(13)；一对气体扩散层(15)，其夹着膜电极接合体；以及一对分隔件(16)，其从一对气体扩散层的外侧夹着支承框(14)。在支承框的隔着开口部的两端部形成氧化剂气体孔(22)。在支承框和第1分隔件(19)之间形成有使从形成于上述两端部的氧化剂气体孔(22)中的一者供给的氧化剂气体通过开口部向氧化剂气体孔中的另一者流动的氧化剂气体流路(25)。在支承框的开口部的周缘部形成与气体扩散层的端部相对且沿氧化剂气体的流动方向延伸的台阶面(21)。在台阶面形成有减小台阶面和第1分隔件之间的间隙的凸部(33)。

Description

燃料电池单元

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池单元。

背景技术

以往，作为燃料电池单元，已知有例如日本特开2015-167075号公报中所示的燃料电池堆所具有的发电单元。即，燃料电池堆是通过将多个发电单元在其厚度方向上层叠而形成的。各发电单元具有支承电解质膜·电极结构体的树脂框构件和夹持树脂框构件的一对金属分隔件。电解质膜·电极结构体具有固体高分子电解质膜以及夹持固体高分子电解质膜的阳极电极和阴极电极。

在各发电单元的一端缘部设有在层叠方向上相互连通的、用于供给例如作为含有氧的气体的氧化剂气体的氧化剂气体入口连通孔和用于排出例如作为含有氢的气体的燃料气体的燃料气体出口连通孔。在各发电单元的另一端缘部设有在层叠方向上相互连通的用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔和用于供给燃料气体的燃料气体入口连通孔。

在一对金属分隔件之中的一者的靠电解质膜·电极结构体侧的表面上设有氧化剂气体流路。氧化剂气体流路连通氧化剂气体入口连通孔和氧化剂气体出口连通孔。在一对金属分隔件之中的另一者的靠电解质膜·电极结构体侧的表面上设有燃料气体流路。燃料气体流路连通燃料气体入口连通孔和燃料气体出口连通孔。

而且，在利用各发电单元进行发电时，首先从氧化剂气体入口连通孔供给氧化剂气体，并且从燃料气体入口连通孔供给燃料气体。氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔向金属分隔件的氧化剂气体流路导入，向电解质膜·电极结构体的阴极电极供给，向氧化剂气体出口连通孔流动。燃料气体从燃料气体入口连通孔向金属分隔件的燃料气体流路导入，向电解质膜·电极结构体的阳极电极供给，向燃料气体出口连通孔流动。而且，基于这些燃料气体和氧化剂气体在电解质膜·电极结构体的电化学反应进行发电。

实用新型内容

实用新型要解决的问题

但在如上述那样的发电单元中，例如在氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔经由电解质膜·电极结构体的阴极电极向氧化剂气体出口连通孔流动时，一部分的氧化剂气体流经电解质膜·电极结构体的两侧部的不进行发电的区域，即，发生所谓的气体旁流。因此，该一部分的气体旁流的发生妨碍了高效的发电。因此，对于上述的发电单元，在提高发电效率方面还有改善的余地。此外，这样的问题即气体旁流的发生不限于氧化剂气体，对于燃料气体也会同样产生。

用于解决问题的方案

以下，对用于解决上述问题的手段和其作用效果进行记载。

解决上述问题的燃料电池单元是具有在形成于中央部的开口部支承膜电极接合体的支承框、夹着所述膜电极接合体的一对气体扩散层以及从一对所述气体扩散层的外侧夹着所述支承框的一对分隔件的燃料电池单元，其中，在所述支承框的隔着所述开口部的两端部分别形成有气体孔，在所述支承框和所述分隔件之间形成有使从分别形成于所述两端部的所述气体孔之中的一者供给的气体通过所述开口部向所述气体孔之中的另一者流动的气体流路，在所述支承框的所述开口部的周缘部形成有台阶面，该台阶面形成为薄壁并与所述气体扩散层的端部相对且沿所述气体的流动方向延伸，在所述支承框的所述台阶面和所述分隔件的与所述台阶面对应的位置之中的至少一者形成有减小所述台阶面和所述分隔件之间的间隙的凸部。

在上述燃料电池单元中，优选为，所述凸部在所述台阶面的延伸方向上隔开间隔地形成有多个。

在上述燃料电池单元中，优选为，多个所述凸部在所述台阶面的延伸方向上等间隔地配置。

在上述燃料电池单元中，优选为，所述凸部形成于所述台阶面，在所述台阶面的整个宽度方向上延伸。

根据该结构，能够利用凸部抑制流经支承框的开口部的气体向支承框的台阶面和分隔件之间的不进行发电的间隙流入。因此，气体容易向进行发电的膜电极接合体流动，因此能够提高发电效率。

附图说明

图1是一实施方式的燃料电池单元的分解立体图。

图2是燃料电池单元的俯视示意图。

图3是图2的3－3线剖视图。

图4是表示燃料电池单元的发电时的氧化剂气体的流动的俯视示意图。

图5是表示变更例的燃料电池单元的要部的剖视示意图。

附图标记说明

11、燃料电池单元；12、开口部；13、膜电极接合体；14、支承框；15、气体扩散层；16、分隔件；17、第1气体扩散层；18、第2气体扩散层；19、第1分隔件；20、第2分隔件；21、台阶面；22、作为气体孔的一例的氧化剂气体孔；23、氧化剂气体供给孔；24、氧化剂气体排出孔；25、作为气体流路的一例的氧化剂气体流路；26、燃料气体孔；27、冷却介质孔；28、燃料气体供给孔；29、冷却介质供给孔；30、燃料气体排出孔；31、冷却介质排出孔；32、燃料气体流路；33、凸部；X、长边方向；Y、短边方向；Z、厚度方向。

具体实施方式

以下，参照附图对燃料电池单元的一个实施方式进行说明。

如图1和图2所示，燃料电池单元11呈矩形板状，通过层叠多个燃料电池单元11来构成燃料电池单元堆。燃料电池单元11具有在形成于中央部的矩形形状的开口部12支承呈矩形片状的膜电极接合体13(MEA：Membrane Electrode Assembly)的呈矩形板状的合成树脂制的支承框14、夹着膜电极接合体13的呈矩形片状的一对气体扩散层15以及呈矩形板状的一对金属制的分隔件16。

即，燃料电池单元11是将在开口部12支承膜电极接合体13的支承框14、一对气体扩散层15以及一对分隔件16层叠起来的结构。一对气体扩散层15之中的一者(阴极侧)是第1气体扩散层17，另一者(阳极侧)是第2气体扩散层18。一对分隔件16之中的一者(阴极侧)是第1分隔件19，另一者(阳极侧)是第2分隔件20。

如图1～图3所示，一对气体扩散层15配置为长边方向X与开口部12一致，长边方向X的长度较开口部12稍长。在支承框14的两面的位于开口部12的周缘部的长边方向X的两侧的位置分别形成有台阶面21，该台阶面21形成为薄壁并与一对气体扩散层15的长边方向X的两端部相对且沿支承框14的短边方向Y延伸。一对分隔件16自一对气体扩散层15的外侧在厚度方向Z上夹着支承框14。

当向膜电极接合体13的厚度方向Z的一侧(阴极侧)的部分供给含有氧的氧化剂气体且向膜电极接合体13的厚度方向Z的另一侧(阳极侧)的部分供给含有氢的燃料气体时，燃料电池单元11基于这些氧化剂气体和燃料气体在膜电极接合体13的电化学反应进行发电。

在燃料电池单元11的短边方向Y的两端部，即在支承框14和一对分隔件16的在短边方向Y上隔着开口部12的两端部分别贯通地形成有两个在长边方向X上排列的作为气体孔的一例的氧化剂气体孔22。形成于燃料电池单元11的短边方向Y的两端部之中的一个端部的氧化剂气体孔22是氧化剂气体供给孔23，形成于另一个端部的氧化剂气体孔22是氧化剂气体排出孔24。

在支承框14和第1分隔件19之间形成有作为使从氧化剂气体供给孔23供给的氧化剂气体通过开口部12向氧化剂气体排出孔24流动的气体流路的一例的氧化剂气体流路25。即，氧化剂气体流路25沿支承框14的短边方向Y延伸。即，支承框14的台阶面21沿氧化剂气体的流动方向延伸。

在燃料电池单元11的长边方向X的两端部，即在支承框14和一对分隔件16的在长边方向X上隔着开口部12的两端部贯通地形成有在短边方向Y上排列的燃料气体孔26和冷却介质孔27。即，在燃料电池单元11的在长边方向X上隔着开口部12的两端部之中的一个端部形成有在短边方向Y上排列的1个燃料气体孔26和1个冷却介质孔27，在另一个端部形成有在短边方向Y上排列的1个燃料气体孔26和1个冷却介质孔27。在燃料电池单元11的在长边方向X上隔着开口部12的两端部，燃料气体孔26和冷却介质孔27在短边方向Y上的排列顺序相反。

形成于燃料电池单元11的长边方向X的两端部之中的一个端部的燃料气体孔26和冷却介质孔27分别为燃料气体供给孔28和冷却介质供给孔29，形成于另一个端部的燃料气体孔26和冷却介质孔27分别为燃料气体排出孔30和冷却介质排出孔31。

在支承框14和第2分隔件20之间形成有使从燃料气体供给孔28供给的燃料气体通过开口部12向燃料气体排出孔30流动的燃料气体流路32。在层叠了多个燃料电池单元11的情况下的第1分隔件19和第2分隔件20之间形成有使从冷却介质供给孔29供给的冷却介质向冷却介质排出孔31流动的冷却介质流路(省略图示)。

在支承框14的第1分隔件19侧的台阶面21形成有减小台阶面21和第1分隔件19之间的间隙的大致长方体状的凸部33。凸部33在台阶面21的延伸方向上隔开间隔地形成有多个。多个凸部33在台阶面21的整个延伸方向上等间隔地配置。

各凸部33在台阶面21的整个宽度方向上延伸。换言之，各凸部33在台阶面21的整个支承框14的长边方向X上延伸。第1气体扩散层17的长边方向X的端部介于各凸部33和第1分隔件19之间。

接下来，对燃料电池单元11的作用进行说明。

如图3和图4所示，在利用燃料电池单元11进行发电时，从氧化剂气体供给孔23供给氧化剂气体，并且从燃料气体供给孔28供给燃料气体。

在燃料电池单元11中，当从氧化剂气体供给孔23供给氧化剂气体时，该氧化剂气体在通过氧化剂气体流路25向氧化剂气体排出孔24流动的过程中被第1气体扩散层17扩散，并且向膜电极接合体13的阴极侧的表面供给。此时，从氧化剂气体供给孔23供给的氧化剂气体的大半如图4的直线的箭头所示的那样流经存在膜电极接合体13的进行发电的区域。

另一方面，从氧化剂气体供给孔23供给的氧化剂气体的一部分欲流入不存在膜电极接合体13的不进行发电的区域，即支承框14的台阶面21和第1分隔件19之间的间隙。但是，在支承框14的台阶面21设有减小台阶面21和第1分隔件19之间的间隙的多个凸部33。

因此，氧化剂气体向台阶面21和第1分隔件19之间的间隙的流入被多个凸部33抑制。因此，要流入台阶面21和第1分隔件19之间的间隙的氧化剂气体如图4的弯曲的箭头所示的那样，在返回存在膜电极接合体13的进行发电的区域后，朝向氧化剂气体排出孔24流动。

另一方面，在燃料电池单元11中，当从燃料气体供给孔28供给燃料气体时，该燃料气体在通过燃料气体流路32向燃料气体排出孔30流动的过程中被第2气体扩散层18扩散，并且向膜电极接合体13的阳极侧的表面供给。

而且，在燃料电池单元11中，基于向膜电极接合体13的阴极侧的表面供给的氧化剂气体和向膜电极接合体13的阳极侧的表面供给的燃料气体在膜电极接合体13的电化学反应来进行发电。

这种情况下，如上所述，特别是流经支承框14的开口部12(膜电极接合体13)的氧化剂气体向支承框14的台阶面21和第1分隔件19之间的不进行发电的间隙的流入被多个凸部33抑制。因此，在本实施方式的燃料电池单元11中，氧化剂气体易于向进行发电的膜电极接合体13流动，因此能够提高发电效率。

根据以上详述的实施方式，能够发挥如下效果。

(1)燃料电池单元11具有：支承框14，其在形成于中央部的开口部12支承膜电极接合体13；一对气体扩散层15，其夹着膜电极接合体13；以及一对分隔件16，其从一对气体扩散层15的外侧夹着支承框14。在支承框14的隔着开口部12的两端部分别形成有氧化剂气体孔22。在支承框14和第1分隔件19之间形成有使从分别形成于支承框14的隔着开口部12的两端部的氧化剂气体孔22中的一者供给的氧化剂气体通过开口部12向氧化剂气体孔22中的另一者流动的氧化剂气体流路25。在支承框14的开口部12的周缘部形成有台阶面21，该台阶面21形成为薄壁并与第1气体扩散层17的端部相对且沿氧化剂气体的流动方向(支承框14的短边方向Y)延伸。在支承框14的台阶面21形成有减小台阶面21和第1分隔件之间的间隙的凸部33。

根据该结构，能够利用凸部33抑制流经支承框14的开口部12(膜电极接合体13)的氧化剂气体向支承框14的台阶面21和第1分隔件19之间的不进行发电的间隙流入。因此，氧化剂气体容易向进行发电的开口部12流动，因此能够提高发电效率。

(2)在燃料电池单元11中，凸部33在台阶面21的延伸方向(支承框14的短边方向Y)上隔开间隔地形成有多个。

根据该结构，能够利用多个凸部33在更广范围抑制流经支承框14的开口部12的氧化剂气体向支承框14的台阶面21和第1分隔件19之间的间隙流入。

(3)在燃料电池单元11中，多个凸部33在台阶面21的延伸方向上等间隔地配置。

根据该结构，当燃料电池单元11在厚度方向Z上被压缩而导致第1气体扩散层17的端部被多个凸部33和第1分隔件19夹着时，能够均匀地分散第1气体扩散层17的端部所受的压力。因此，能够抑制第1气体扩散层17的端部在被多个凸部33和第1分隔件19夹着时的压力的作用下发生破损，进而能够延长第1气体扩散层17的寿命。

(4)在燃料电池单元11中，凸部33在台阶面21的整个宽度方向上延伸。

根据该结构，凸部33和膜电极接合体13的周缘接触，因此能够利用凸部33来提高膜电极接合体13的周缘的密封性。

(变更例)

上述实施方式能够通过如下方式变更来实施。另外，上述实施方式和以下的变更例能够在技术上不矛盾的范围内相互组合来实施。

·如图5所示，在燃料电池单元11中，凸部33也可以不形成于台阶面21，而是形成于第1分隔件19的与台阶面21对应的位置。该情况下，优选为，凸部33通过缩短宽度方向(支承框14的长边方向X)的长度而与膜电极接合体13分开，从而缓和第1气体扩散层17的端部的弯曲程度。这样，能够减小施加于第1气体扩散层17的端部的负荷，因此能够延长第1气体扩散层17的寿命。

·各凸部33并非必须在台阶面21的整个宽度方向(支承框14的长边方向X)上延伸。

·多个凸部33并非必须在台阶面21的延伸方向(支承框14的短边方向Y)上等间隔地配置。

·凸部33并非必须在台阶面21的延伸方向上隔开间隔地形成多个。即，也可以是例如在台阶面21上仅形成一个沿台阶面21延伸的凸部。

·支承框14的氧化剂气体孔22的数量也可以适当变更。

·在上述实施方式的燃料电池单元11中，在阴极侧的氧化剂气体流路25中，利用凸部33抑制氧化剂气体流向不进行发电的区域，但也可以是根据气体流路的选择，在阳极侧的燃料气体流路中，也利用凸部抑制燃料气体流向不进行发电的区域。即，也可以在阳极侧的燃料气体流路与上述氧化剂气体流路25为同样的结构的燃料电池单元中设置凸部，来抑制流经燃料气体流路的燃料气体流向不进行发电的、该燃料气体流路的两个横向侧的区域。

Claims

1.一种燃料电池单元，其特征在于，具有：

支承框，其在形成于中央部的开口部支承膜电极接合体；

一对气体扩散层，其夹着所述膜电极接合体；以及

一对分隔件，其从一对所述气体扩散层的外侧夹着所述支承框，

在所述支承框的隔着所述开口部的两端部分别形成有气体孔，

在所述支承框和所述分隔件之间形成有使从分别形成于所述两端部的所述气体孔之中的一者供给的气体通过所述开口部向所述气体孔之中的另一者流动的气体流路，

在所述支承框的所述开口部的周缘部形成有台阶面，该台阶面形成为薄壁并与所述气体扩散层的端部相对且沿所述气体的流动方向延伸，

在所述支承框的所述台阶面和所述分隔件的与所述台阶面对应的位置之中的至少一者形成有减小所述台阶面和所述分隔件之间的间隙的凸部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，

所述凸部在所述台阶面的延伸方向上隔开间隔地形成有多个。

3.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其特征在于，

多个所述凸部在所述台阶面的延伸方向上等间隔地配置。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，

所述凸部形成于所述台阶面，在所述台阶面的整个宽度方向上延伸。