CN103348521B - 燃料电池单元 - Google Patents

Abstract

在现有的燃料电池单元中，由于阳极侧和阴极侧的压差而在膜电极构造体的端部集中弯曲应力，难以提高膜电极构造体的耐久性。燃料电池单元（C）具备具有框架（1）的膜电极构造体（2）和将其夹持的两个隔板（3A、3B），在形成于框架1与各隔板（3A、3B）之间的扩散器部（D1、D2）的周缘部设置有气封部件（11、12），其中，通过将阴极侧的扩散器部（D1）中的气封部件（11）的扩散器部（D1）侧的端部位置和阳极侧的扩散器部（D2）中的气封部件（12）的扩散器部（D2）侧的端部位置设为向扩散器部（D1、D2）的内外方向相互偏置，由此，使应力发生部相对于阴极侧和阳极侧的气体的压差而分散，提高框架及膜电极构造体的耐久性。

Description

燃料电池单元

技术领域

本发明涉及作为燃料电池的发电元件使用的燃料电池单元，特别是涉及层叠多个而构成燃料电池堆栈的燃料电池单元。

背景技术

作为这种燃料电池单元，例如在专利文献1中已有记载。记载于专利文献1的燃料电池单元具备膜电极构造体（MEA：MembraneElectrodeAssembly）和夹持膜电极构造体的两个隔板。膜电极构造体将电解质膜用燃料极和空气极夹持，在其两面分别具备第一及第二气体扩散层。

而且，上述的燃料电池单元中，使膜电极构造体的端部向气体扩散层的外侧延伸，并且，在气体扩散层的外侧由设于两隔板上的弹性垫圈夹持膜电极构造体的端部，由此，防止膜电极构造体的变形及额缘扩散层的错位。在该专利文献1的燃料电池单元中，以膜电极构造体为中心，各气体扩散层、各垫圈及隔板分别对称地层叠配置。

专利文献1:（日本）特开2010－108852号公报

但是，在如上所述的燃料电池单元中，由于需要对膜电极构造体的各气体扩散层分别供给反应用气体即阴极气体及阳极气体，因此，在各气体扩散层和垫圈之间，反应用气体的流通区域（扩散器部）是必不可少的。

另一方面，在这种燃料电池单元中，根据燃料电池的运转情况，在阴极侧和阳极侧有时会产生气体的压差，反应用气体的流通区域易于受到压差的影响。与之相对，如现有的燃料电池单元那样，存在如下问题点：在将膜电极构造体的端部由对称地层叠配置的垫圈夹持的部分，由于其压差而膜电极构造体的端部向厚度方向发生变形，此时，由于弯曲应力集中于被垫圈夹持部分的边缘，因此，难以提高膜电极构造体的耐久性（疲劳寿命）。

发明内容

本发明是鉴于所述的目前的状况而创立的，其目的在于，提供一种燃料电池单元，其具备周围具有框架的膜电极构造体和夹持框架及膜电极构造体的两个隔板，相对于阴极侧和阳极侧气体的压差，能够提高框架及膜电极构造体的耐久性。

本发明的燃料电池单元具有如下构造：具备周围具有框架的膜电极构造体和夹持框架及膜电极构造体的两个隔板，并在框架与各隔板之间形成有使反应用气体流通的扩散器部，而且，在各扩散器部的周缘部设有气封部件。

而且，燃料电池单元构成为，阴极侧的扩散器部中的气封部件的扩散器部侧的端部位置和阳极侧的扩散器部中的气封部件的扩散器部侧的端部位置相互向扩散器部的内外方向偏置。通过上述构成作为用于解决目前课题的方法。

根据本发明的燃料电池单元，在具备周围具有框架的膜电极构造体和夹持框架及膜电极构造体的两个隔板的燃料电池单元中，相对于阴极侧和阳极侧的气体的压差，能够提高框架及膜电极构造体的耐久性（疲劳寿命）。

附图说明

图1是说明本发明的燃料电池单元的一实施方式的分解状态的平面图；

图2是图1所示的燃料电池单元组装后的平面图；

图3是说明将图1所示的燃料电池单元层叠而构成的燃料电池堆栈的分解立体图（A）及组装后的立体图（B）；

图4是说明设于阳极侧扩散器部的周缘部的气封部件的平面图；

图5是图4所示的燃料电池单元的扩散器部的剖面图；

图6是表示燃料电池单元的其它实施方式的扩散器部的剖面图；

图7是表示燃料电池单元的再其它实施方式的扩散器部的剖面图；

图8是表示具备燃料电池堆栈的燃料电池***之一例的说明图；

图9是表示图8所示的燃料电池***中的阴极侧及阳极侧的气体压力变化的曲线图。

符号说明

C燃料电池单元

D1阴极侧的扩散器部

D2阳极侧的扩散器部

FS燃料电池堆栈

SL气封

1框架

2膜电极构造体

3A阴极侧隔板

3B阳极侧隔板

11阴极侧的气封部件

12阳极侧的气封部件

具体实施方式

图1及图2是说明本发明的燃料电池单元的一实施方式的图。

图1所示的燃料电池单元C具备在周围具有框架1的膜电极构造体2和夹持框架1及膜电极构造体2的阴极侧及阳极侧的隔板3A、3B。框架1形成大致一定厚度的薄板状，除其边缘外的大部分比膜电极构造体2的厚度薄。而且，在框架1和两隔板3A、3B之间具有使反应用气体流通的各自的流通区域（后述的扩散器部）。此外，为了容易制造，优选框架1为树脂、隔板3A、3B为金属。

膜电极构造体2通常称作MEA（MembraneElectrodeAssembly），具有利用空气极层（阴极）和燃料极层（阳极）夹持例如由固体高分子构成的电解质层的构造。该膜电极构造体2通过向空气极层供给另一方的反应用气体即阴极气体（空气），同时向燃料极层供给一方的反应用气体即阳极气体（氢），发生电化学反应来进行发电。此外，作为膜电极构造体2，也包含在空气极层和燃料极层的表面具备由碳纸或多孔质体等构成的气体扩散层的结构。

框架1通过树脂成形（例如注塑成形），与膜电极构造体2一体化，在该实施方式中，以膜电极构造体2为中央而形成长方形状。另外，框架1在两端部各排列有三个歧管孔H1～H6，从各歧管孔组到膜电极构造体2的区域成为反应用气体的流通区域。该框架1及两隔板3A、3B均为具有大致相同的长宽尺寸的长方形状。

另外，框架1在上述反应用气体的流通区域纵横地排列有圆形状的多个突部10。这些突部10在因膜电极构造体2的时效变化等而燃料电池单元C发生厚度方向的位移时，与隔板3A、3B接触，维持反应用气体的流通空间。

各隔板3A、3B为分别将不锈钢等金属板冲压成形的结构。各隔板3A、3B的对应膜电极构造体2的中央部分在短边方向的截面上形成为波形状。该波形状如图所示在长边方向上连续。由此，各隔板3A、3B在对应波形状的膜电极构造体2的中央部分，各凸部分与膜电极构造体2接触，并且波形状中的各凹部分成为反应用气体的流路。

另外，各隔板3A、3B在两端部具有与框架1的各歧管孔H1～H6相同的歧管孔H1～H6，从各歧管孔组到截面波形状的部分的区域成为反应用气体的流通区域。

上述框架1及膜电极构造体2和两隔板3A、3B相叠合而构成燃料电池单元。此时，特别是如图2所示，燃料电池单元C在中央具备膜电极构造体2的区域即发电部G。而且，在发电部G的两侧具备进行反应用气体的供给及排出的歧管部M和从各歧管部M到发电部G的反应用气体的流通区域即扩散器部D2（或D1）。扩散器部D2（或D1）分别形成于框架1和两侧的隔板3A、3B之间即阳极侧及阴极侧。

在图2的左侧所示的一方的歧管部M，各歧管孔H1～H3为阴极气体供给用（H1）、冷却流体供给用（H2）及阳极气体供给用（H3），在层叠方向相互连通而形成各自的流路。另外，在图2的右侧所示的另一方的歧管部M，各歧管孔H4～H6为阳极气体排出用（H4）、冷却流体排出用（H5）及阴极气体排出用（H6），在层叠方向相互连通而形成各自的流路。另外，供给用和排出用的一部分或全部也可以是相反的位置关系。

进而，如图1所示，燃料电池单元C在框架1和各隔板3A、3B的缘部彼此之间及歧管孔H1～H6的周围设有气封SL。另外，在将多个燃料电池单元C层叠的状态下，在单元彼此即邻接的隔板3彼此之间也设有气封SL。在该实施方式中，为在邻接的隔板3、3之间流通冷却流体的构造。

上述的气封SL在各层间将阴极气体、阳极气体及冷却流体的各自的流通区域气密地分离，并且，在歧管孔H1～H6的周缘部的适当的部位设有开口，以使规定的流体流过该层间。

具备上述结构的燃料电池单元C层叠多个，构成如图3所示的燃料电池堆栈FS。

如图3（A）所示，燃料电池堆栈FS，相对于燃料电池单元C的层叠体A，在单元层叠方向的一端部（图3中右侧端部），经由集电板4A及间隔板5设有端板6A，同时，在另一端部，经由集电板4B设有端板6B。另外，燃料电池堆栈FS，相对于层叠体A，在成为燃料电池单元C的长边侧的两面（在图3中为上下面）设有联接板7A、7B，并且在成为短边侧的两面设有增强板8A、8B。

而且，燃料电池堆栈FS利用螺栓B将各联接板7A、7B及增强板8A、8B连结于两端板6A、6B。这样，燃料电池堆栈FS成为如图3（B）所示的外壳一体型构造，将层叠体A向单元层叠方向限制、加压，对每个燃料电池单元C都施加规定的接触面压，良好地维持其气封性及导电性等。

在此，在如上所述的燃料电池单元C中，根据燃料电池的运转情况，在阴极侧和阳极侧会产生气体的压差，反应用气体的流通区域即扩散器部D1、D2受到该压差的影响。更具体而言，隔离阴极侧及阳极侧的两扩散器部D1、D2的框架1由于该压差而在厚度方向发生变形，弯曲应力集中于被气封SL所夹持的部分的边缘。

与之相对，燃料电池单元C，如图4所示的阳极侧隔板3B那样，为在扩散器部D2的周缘部设有用粗线表示的气封部件12（11）的构造。而且，燃料电池单元C如图5所示，阴极侧（图5中为上侧）的扩散器部D1中的气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置和阳极侧的扩散器部D2中的气封部件12的扩散器部D2侧的端部位置，向扩散器部D1、D2的内外方向（图5中为左右方向）相互偏置。即，两气封部件11、12相互错开扩散器部D1、D2侧的端部位置而配置，且以框架1为中心非对称地设置。

在该实施方式中，阴极侧的扩散器D1中的气封部件11的宽度尺寸L1和阳极侧的扩散器部D2中的气封部件12的宽度尺寸L2不同。由此，燃料电池单元C将两气封部件11、12的扩散器部D1、D2侧的端部位置相互偏置。

即，在图示例中，与阴极侧的气封部件11的宽度尺寸L1相比，阳极侧的气封部件12的宽度尺寸L2小。而且，为如下构造：阴极侧的扩散器部D1中的气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置比阳极侧的扩散器部D2中的气封部件12的扩散器部D2侧的端部位置，更向扩散器部D1的内侧（图5中左侧）偏置。

上述的气封部件11、12既可以利用上述的气封SL的一部分，也可以作为与气封SL不同的部件来配置。另外，气封部件11、12更优选由具备粘接性及密封性这两者的材料构成。由此，能够将框架1和各隔板3A、3B粘接，能够维持双方之间的气密性。

这样的气封部件11、12可通过与气封SL的涂布相同的工序形成。另外，在设置气封部件11、12之前，在框架1的密封配置位置实施喷丸处理等正面磨削加工，将该配置位置的表面制成微细的凹凸状，由此，也有效地提高气封部件11、12的粘接性。此外，气封部件11、12例如在图4所示的阳极侧，在对应阳极气体排出用的歧管孔H4的部分（虚线部分）设置确保气体流通的开口。

具备上述结构的燃料电池单元C通过将阴极侧的气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置和阳极侧的气封部件12的扩散器部D2侧的端部位置偏置，由此，成为因气体的压差而框架1向阳极侧（图5中为下侧）位移时的应力发生部S1和框架1向阴极侧位移时的应力发生部S2的位置向扩散器部D1、D2的内外方向错位的状态。

由此，燃料电池单元C中，即使在因阳极侧及阴极侧的压差而在框架1上反复产生厚度方向的位移的情况下，由于不会如目前那样弯曲应力集中于一部位，而是分散在应力发生部S1、S2这两部位，因此，也能够提高框架1及膜电极构造体2相对于气体压差的耐久性（疲劳寿命）。

另外，在上述的燃料电池单元C中，阳极侧的气封部件12的宽度尺寸L2一方小，并且阴极侧气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置向扩散器部D1的内侧偏置，因此，在阴极侧，从气封部件11到突部10的梁长度L3缩短。由此，燃料电池单元C中，特别是在框架1向阴极侧发生位移时，能够将产生于框架1的弯曲应力抑制得更小，能够实现耐久性的进一步提高。

图6及图7是说明本发明的燃料电池单元的其它实施方式的图。此外，在以下的实施方式中，与之前的实施方式（参照图1～图5）相同的构成部位标注同样的符号，省略详细的说明。

图6所示的燃料电池单元C中，阴极侧（图6中为上侧）的扩散器部中的气封部件11的数量和阳极侧的扩散器部中的气封部件12的数量不同。由此，燃料电池单元C使阴极侧及阳极侧的气封部件11、12的扩散器部D1、D2侧的端部位置相互向扩散器部的内外方向（图6的左右方向）偏置。

即，在图示例中，阴极侧的气封部件11为两个，并且阳极侧的气封部件12的数量为一个，各气封部件11、12的大小大致相同。而且，为如下结构，即，阴极侧的扩散器部D1中的气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置比阳极侧的扩散器部D2中的气封部件12的扩散器部D2侧的端部位置更向扩散器部D1的内侧（图6中左侧）偏置。

在具有上述结构的燃料电池单元C中，也成为因气体的压差而框架1向阳极侧（图6中为下侧）位移时的应力发生部S1和框架1向阴极侧位移时的应力发生部S2的位置发生了错位的状态。另外，在阴极侧，从气封部件11到突部10的梁长度L3缩短。

由此，上述的燃料电池单元C与先前的实施方式相同，能够使在框架1产生的弯曲应力分散，能够提高框架1及膜电极构造体2的耐久性（疲劳寿命），并且将在框架1上产生的弯曲应力抑制得较小，实现耐久性的进一步提高。

图7所示的燃料电池单元C在阴极侧及阳极侧的两扩散器部D1、D2分别配置有多个气封部件11、12。而且，阴极侧（图7中为上侧）的扩散器部D1中的气封部件11彼此的间隔尺寸和阳极侧的扩散器部D2中的气封部件12彼此的间隔尺寸不同。由此，燃料电池单元C使阴极侧及阳极侧的气封部件11、12的扩散器部D1、D2侧的端部位置相互向扩散器部的内外方向（图7的左右方向）偏置。

即，在图示例中，阴极侧及阳极侧的气封部件11、12各自为两个，相比阴极侧（图7中为上侧）的气封部件11彼此的间隔尺寸，阳极侧的气封部件12彼此的间隔尺寸减小。而且，为如下构造，即，阴极侧的扩散器部D1中的气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置比阳极侧的扩散器部D2中的气封部件12的扩散器部D2侧的端部位置更向扩散器部D1的内侧（图7中为左侧）偏置。

在具有上述结构的燃料电池单元C中，也成为因气体的压差而框架1向阳极侧（图7中为下侧）位移时的应力发生部S1和框架1向阴极侧位移时的应力发生部S2的位置错位的状态。另外，在阴极侧，从气封部件11到突部10的梁长度L3缩短。

由此，上述的燃料电池单元C与先前的实施方式相同，能够使在框架1产生的弯曲应力分散，能够提高框架1及膜电极构造体2的耐久性（疲劳寿命），并且将在框架1产生的弯曲应力抑制得较小，实现耐久性的进一步提高。

在此，图8是表示具备图3所示的燃料电池堆栈FS，即具备将本发明的燃料电池单元C层叠多个而构成的燃料电池堆栈FS的燃料电池***的一例的图。

图示的燃料电池***相对于燃料电池堆栈FS，具备阴极气体的供给路31及排出路32、阳极气体的供给路33及排出路34和冷却流体的循环路35。

在阴极气体的供给路31设有压缩机等空气供给装置36和将来自空气供给装置36的供气加湿的加湿器37。另外，阴极气体的排出路32将包含于排出空气中的水蒸气向加湿器37供给，在其下游，通过背压调节阀38向大气排放。

阳极气体的供给路33从氢罐39至燃料电池堆栈FS的路径，在中途设有氢调节阀40。另外，阳极气体的排出路34为至水分离器罐41的路径。水分离器罐41具备水量检测用的液位传感器42，并且具备用于将水向外部排出的排水阀43和将氮气向大气排放的氮气排放阀44。

冷却流体的循环路35使通过散热器45冷却的冷却流体（冷却水）循环，具备冷却水循环泵46、旁通散热器45的旁通路47和连接循环路35与旁路47的三通阀48。

图示的燃料电池***被称作“阳极封闭***”，阳极气体的流通从供给侧向排出侧成为单向。在该“阳极封闭***”中，发电开始后，通过氢调节阀40暂时停止阳极气体的供给，且继续发电，由此，使阳极气体的供给路33的压力下降。而且，当供给路33达到规定的压力时，通过氢调节阀40重新开始阳极气体的供给，通过开始阳极气体的供给时的气流，将燃料电池单元FC内的生成水向水分离器罐41排出。

即，在上述的燃料电池***中，阳极气体的压力如图9所示的运转中发生脉动。此时，阴极气体的压力为大致一定，并且阳极气体的上限压力比阴极气体的压力大。

与之相对，燃料电池单元C，如在上述的各实施方式中所说明的那样，特别是使阴极侧的气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置比阳极侧的气封部件12的扩散器部D2侧的端部位置更向扩散器部D1的内侧偏置，因此，能够进一步提高框架1及膜电极构造体2的耐久性（疲劳寿命）。

即，在上述的燃料电池***中，与阴极侧的压力相比，阳极侧的上限压力高，因此，在因该压差而框架1在厚度方向发生位移时，向阴极侧（图5～7中上侧）的位移量增大。于是，在燃料电池单元C中，通过使阴极侧的气封部件11的扩散器部D1侧的端部位置向扩散器部D1的内侧偏置，由此，将框架1向阴极侧位移时的弯曲应力抑制得较小，由此可进一步提高耐久性。

如在上述各实施方式中所说明的那样，本发明的燃料电池单元C能够提高框架1及膜电极构造体2的耐久性。因此，作为将上述的燃料电池单元C层叠多个而成的燃料电池堆栈FS，耐久性也提高，能够进行长期稳定的发电。

本发明的燃料电池单元，其构成不限定于上述各实施方式，在不超出本发明的宗旨的范围内，可以适当变更构成的细节部分。例如，可以将气封部件的材料、大小、数量及间隔等作适当变更，或将阴极侧及阳极侧的气封部件的方式及配置设为与上述各实施方式相反，或将上述各实施方式的构成彼此进行组合。

Claims (6)

1.一种燃料电池单元，具有如下构造，具备周围具有框架的膜电极构造体和夹持框架及膜电极构造体的两个隔板，并在框架与各隔板之间形成有使反应用气体流通的扩散器部，而且，在各扩散器部的周缘部设有气封部件，其特征在于，

在所述膜电极构造体的区域即发电部的两侧具备进行反应用气体的供给及排出的歧管部，所述扩散器部是从各所述歧管部到所述发电部的反应用气体的流通区域，阴极侧的扩散器部中的气封部件的扩散器部侧的端部位置和阳极侧的扩散器部中的气封部件的扩散器部侧的端部位置相互向扩散器部的内外方向偏置。

2.如权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，

阴极侧的扩散器部中的气封部件的宽度尺寸和阳极侧的扩散器部中的气封部件的宽度尺寸不同。

3.如权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，

阴极侧的扩散器部中的气封部件的数量和阳极侧的扩散器部中的气封部件的数量不同。

4.如权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，

在阴极侧及阳极侧的两扩散器部分别配置有多个气封部件，并且，阴极侧的扩散器部中的气封部件彼此的间隔尺寸和阳极侧的扩散器部中的气封部件彼此的间隔尺寸不同。

5.如权利要求1～4中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，

阴极侧的扩散器部中的气封部件的扩散器部侧的端部位置比阳极侧的扩散器部中的气封部件的扩散器部侧的端部位置更向扩散器部的内侧偏置。

6.一种燃料电池堆栈，其特征在于，将权利要求1所述的燃料电池单元层叠多个而构成。