燃料電池單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種即使表面壓力作用于周圍由框體保持的膜電極接合體、也能夠防止膜電極接合體和框體的接合部位發(fā)生破損的燃料電池單元。燃料電池單元(1)具有：膜電極接合體(10)、框體(20)、一對隔板(30)以及支承構(gòu)件(40)。膜電極接合體是將陽極(12)和陰極(13)以與電解質(zhì)膜(11)相對的方式與電解質(zhì)膜(11)接合在一起而形成的?？蝮w用于保持膜電極接合體的周圍。一對隔板用于夾持保持著膜電極接合體的框體。支承構(gòu)件以沿著框體的緣部且超出緣部的方式突出，用于支承膜電極接合體。
【專利說明】燃料電池單元

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種燃料電池單元。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，燃料電池作為環(huán)境負荷較輕的電源受到關(guān)注。燃料電池例如使所供給的氫氣和氧氣發(fā)生化學反應，并將產(chǎn)生的化學能轉(zhuǎn)換成電能。因為燃料電池通過化學反應產(chǎn)生的物質(zhì)從理論上講是水，所以幾乎沒有給地球環(huán)境帶來惡劣影響。
[0003]燃料電池是以多個燃料電池單元層疊起來的狀態(tài)連結(jié)固定而成，能夠供給氫氣和氧氣。因此，燃料電池單元沿著其層疊方向被賦予固定的表面壓力。另一方面，設置在了燃料電池單元的膜電極接合體(MEA:membrane electrode assembly)的強度比較弱。
[0004]因此，當表面壓力作用于膜電極接合體時，膜電極接合體存在損壞的可能性。于是，燃料電池單元存在通過在燃料電池單元的擴散層設置加強材而使該燃料電池單元的針對彎曲應力的剛性提高的結(jié)構(gòu)(例如，參照專利文獻I。) O
[0005]專利文獻1:日本特開2006-310104號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

_6] 發(fā)明要解決的問題
[0007]但是，在上述專利文獻I的結(jié)構(gòu)中，由于在燃料電池單元的擴散層設置加強材，因此制造工序變得復雜且也增加了制造成本。另外，存在如下要求:通過利用框體保持膜電極接合體的周圍來提高操作性，并且使燃料電池單元的針對彎曲應力的剛性提高來防止膜電極接合體的損傷。
[0008]本發(fā)明是為了解決上述課題而做成的，其目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、即使表面壓力作用于膜電極接合體也能夠防止膜電極接合體和框體的接合部位發(fā)生破損的燃料電池單元。
[0009]用于解決問題的方案
[0010]實現(xiàn)上述目的的本發(fā)明的燃料電池單元具有:膜電極接合體、框體、一對隔板以及支承構(gòu)件。膜電極接合體是將陽極和陰極以與電解質(zhì)膜相對的方式與電解質(zhì)膜接合在一起而形成的?？蝮w用于保持膜電極接合體的周圍。一對隔板用于夾持保持著膜電極接合體的框體。本發(fā)明的燃料電池單元具有以下特征:支承構(gòu)件以沿著框體的緣部且超出緣部的方式突出，用于支承膜電極接合體。
[0011]發(fā)明的效果
[0012]在如上述那樣構(gòu)成的本發(fā)明的燃料電池單元中，支承構(gòu)件以沿著框體的緣部且超出緣部的方式突出，用于支承膜電極接合體。因此，采用本發(fā)明的燃料電池單元，即使表面壓力作用于膜電極接合體，該表面壓力也能經(jīng)由支承構(gòu)件被分散到框體，從而使膜電極接合體和框體的接合部位未受到超額的負荷。S卩，即使表面壓力作用于周圍由框體保持的膜電極接合體，也不容易使膜電極接合體和框體的接合部位破損。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是表示本實施方式的燃料電池單元的立體圖。
[0014]圖2是表示將燃料電池單元分解成各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的立體圖。
[0015]圖3是利用圖1的3-3線的位置的截面表示燃料電池單元的框體和多個支承構(gòu)件以及膜電極接合體的局部的立體圖。
[0016]圖4是從圖3所示的燃料電池單元除去了膜電極接合體的立體圖。
[0017]圖5是利用圖1的5-5線的位置的截面表示燃料電池單元的立體圖。
[0018]圖6是表示在燃料電池單元中設置有多個支承構(gòu)件所起到的作用的圖。

【具體實施方式】
[0019]以下，參照添附的附圖，說明本發(fā)明的實施方式。在附圖的說明中，將相同的要素標記為相同的附圖標記，而省略重復說明。附圖中的各構(gòu)件的大小、比例為了便于說明而被夸大，有時與實際的大小、比例不同。
[0020]圖1是表示燃料電池單元I的立體圖。圖2是表示將燃料電池單元I分解成各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的立體圖。圖3是利用圖1的3-3線的位置的截面表示燃料電池單元I的框體20和多個支承構(gòu)件40以及膜電極接合體10的局部的立體圖。圖4是從圖3所示的燃料電池單元I除去了膜電極接合體10的立體圖。圖5是利用圖1的5-5線的位置的截面表示燃料電池單元I的局部的立體圖。
[0021]概括地講，燃料電池單元I具有:膜電極接合體10，其是將陽極12和陰極13以與電解質(zhì)膜11相對的方式與電解質(zhì)膜11接合在一起而形成的；框體20，其用于保持膜電極接合體10的周圍；一對隔板30，其用于夾持保持著膜電極接合體10的框體20。而且，燃料電池單元I還具有多個支承構(gòu)件40，該支承構(gòu)件40以沿著框體20的緣部且超出緣部的方式突出，用于支承膜電極接合體10。以下，參照圖1?圖5，按順序地對燃料電池單元I的膜電極接合體10、框體20、一對隔板30以及多個支承構(gòu)件40的結(jié)構(gòu)進行詳細說明。
[0022]如圖2和圖5所示，膜電極接合體10是將陽極12和陰極13以與電解質(zhì)膜11相對的方式與電解質(zhì)膜11接合在一起而形成的。電解質(zhì)膜11例如由固體高分子材料構(gòu)成并形成為薄板狀。固體高分子材料例如使用的是能傳導氫離子并且在濕潤狀態(tài)下具有良好的導電性的氟素樹脂。陽極12是由電極催化劑層、防水層以及氣體擴散層層疊起來而構(gòu)成的，并且形成為比電解質(zhì)膜11稍小的薄板狀。陰極13是由電極催化劑層、防水層以及氣體擴散層層疊起來而構(gòu)成的，并且形成為與陽極12同樣大小的薄板狀。陰極13和陽極12的電極催化劑層包含:電極催化劑和高分子電解質(zhì)，該電極催化劑是在導電性的載體上吸附保持催化劑成分而成的。陰極13和陽極12的氣體擴散層例如由碳布、碳紙、或者碳氈形成，這些碳布、碳紙、或者碳氈是由具有充分的氣體擴散性和導電性的碳纖維所形成的線編織成的。上述膜電極接合體10—般被稱為MEA (membrane electrode assembly)。
[0023]如圖2和圖3所示，框體20用于保持膜電極接合體10的外周?？蝮w20例如由具有電絕緣性的樹脂構(gòu)成，在利用內(nèi)部開口的保持部20g保持著膜電極接合體10的外周的狀態(tài)下，一體成形為長方形的板狀。內(nèi)部開口的保持部20g的緣相當于框體20的緣部?？蝮w20的支承部20h用于支承后述的一對隔板30中的第2隔板32的端子部32c。陰極氣體供給口 20a、冷卻流體供給口 20b以及陽極氣體供給口 20c分別以通孔的方式形成于框體20的長度方向的一端。陽極氣體排出口 20d、冷卻流體排出口 20e以及陰極氣體排出口 20f分別以通孔的方式形成于框體20的長度方向的另一端。
[0024]在框體20上，在從陰極氣體供給口 20a或者陰極氣體排出口 20f朝向膜電極接合體10的方向上，矩陣狀地設置有肋20m，該肋20m由形成為圓柱形狀的凸部構(gòu)成。
[0025]框體20的肋20m用于在層疊配設燃料電池單元I時在其周圍確保陰極氣體的流路。即、從框體20的陰極氣體供給口 20a供給來的陰極氣體沿著肋20m流到膜電極接合體10。肋20m與框體20 —體形成。在框體20上，在從框體20的陰極氣體排出口 20f朝向膜電極接合體10的方向上也形成有肋20m。
[0026]如圖2和圖5所示，一對隔板30用于夾持保持著膜電極接合體10的框體20。一對隔板30由第I隔板31和第2隔板32構(gòu)成，該第I隔板31與保持著膜電極接合體10的框體20的一面?zhèn)冉雍?，該?隔板32接合于框體20的與一面相對的另一面?zhèn)炔⑶揖哂卸俗硬?2c。
[0027]第I隔板31與保持著膜電極接合體10的框體20的一面?zhèn)冉雍?。第I隔板31由具有導電性材料的金屬構(gòu)成，并且形成為比陽極12大的薄板狀。在從與燃料電池單元I接合的側(cè)面觀察的情況下，第I隔板31為了構(gòu)成后述的流路而形成為設置有多個高度不同的凹狀和凸狀。即、第I隔板31以多個凹凸狀的形狀隔開固定間隔地排列的方式通過加壓成形而形成。第I隔板31雖然設置在膜電極接合體10的陽極12側(cè)，但也可以設置在陰極13偵U。從側(cè)面觀察第I隔板31時，多個凹凸狀的形狀中的與陽極12接觸一側(cè)的區(qū)域相當于用于向該陽極12供給陽極氣體的陽極氣體流路31a。第I隔板31的多個凹凸狀的形狀中的不與陽極12接觸一側(cè)的區(qū)域相當于供用于冷卻燃料電池單元I的冷卻水流動的冷卻水流路31b。
[0028]第2隔板32接合于框體20的與一面相對的另一面?zhèn)炔⑶揖哂卸俗硬?2c。第2隔板32與第I隔板31 —樣，由具有導電性材料的金屬構(gòu)成，并且形成為比陰極13大的薄板狀。在端子部32c卡定有未圖示的電壓測定連接器，用于測定由膜電極接合體10產(chǎn)生的電力的電壓。端子部32c以與框體20的支承部20h的至少一部分相面對的方式向朝向膜電極接合體10的外側(cè)的方向突出。從與燃料電池單元I接合的側(cè)面觀察，第2隔板32與第I隔板31 —樣，為了構(gòu)成后述的流路而形成為設置有多個高度不同的凹狀和凸狀。即、第2隔板32以多個凹凸狀的形狀隔開固定間隔地排列的方式通過加壓成形而形成。第2隔板32雖然設置在膜電極接合體10的陰極13側(cè)，但也可以設置在陽極12側(cè)。
[0029]另外，第2隔板32的多個凹凸狀的形狀中的與陰極13接觸一側(cè)的區(qū)域相當于用于向該陰極13供給陰極氣體的陰極氣體流路32a。第2隔板32的多個凹凸狀的形狀中的不與陰極13接觸的一側(cè)的區(qū)域相當于供用于冷卻燃料電池單元I的冷卻水流動的冷卻水流路32b。即、在相鄰的燃料電池單元I中，其中I個燃料電池單元I的第I隔板31的冷卻水流路31b與設置于另一個燃料電池單元I的第2隔板32的冷卻水流路32b彼此相對。因此，在相鄰的燃料電池單元I中，第I隔板31的冷卻水流路31b與設置于第2隔板32的冷卻水流路32b形成I條冷卻水流路。
[0030]如圖3和圖4所示，多個支承構(gòu)件40以沿著框體20的緣部且超出緣部的方式突出，用于支承膜電極接合體10。支承構(gòu)件40作為加強膜電極接合體10的爪而發(fā)揮作用?？蝮w20的緣部相當于在內(nèi)部開口的保持部20g的緣。支承構(gòu)件40例如由使用具有電絕緣性的樹脂且形成為矩形形狀的凸部構(gòu)成。支承構(gòu)件40沿著框體20的緣部隔開規(guī)定的間隔地設置有多個，用以支承膜電極接合體10。通過在框體20上設置支承構(gòu)件40，即使表面壓力作用于膜電極接合體10，該表面壓力也會經(jīng)由支承構(gòu)件40被分散到框體20，從而不對膜電極接合體10和框體20的接合部位施加超額的負荷。
[0031]支承構(gòu)件40沿著呈矩形形狀的框體20的緣部中的相對的緣部而形成有多個。例如，支承構(gòu)件30形成于在框體20上開有長方形形狀的開口的保持部20g的長度方向的兩端。在供含氫氣體或者含氧氣體流通的流路上并列排列地形成有多個支承構(gòu)件40。S卩、支承構(gòu)件40不妨礙含氫氣體或者含氧氣體的流通地對含氫氣體或者含氧氣體進行整流。
[0032]在陽極12或者陰極13中的任一個電極的面上設置有多個支承構(gòu)件40。例如，如圖4所示，在陰極13的面上設置有多個支承構(gòu)件40。其適用于在從陽極12側(cè)朝向陰極13側(cè)的方向上單向地作用表面壓力的結(jié)構(gòu)的情況。通過在陰極13側(cè)的面設置多個支承構(gòu)件40，即使在從陽極12側(cè)朝向陰極13側(cè)的方向上作用表面壓力時，利用支承構(gòu)件40從與該表面壓力所作用的面相反的一側(cè)支承膜電極接合體10。
[0033]支承構(gòu)件40與框體20 —體形成。因此，被按壓于膜電極接合體10的支承構(gòu)件40不容易從框體20剝離或者不容易斷裂。
[0034]在需要利用支承構(gòu)件40對膜電極接合體10進行牢固地支承的情況下，可以通過粘接、焊接等將支承構(gòu)件40接合在膜電極接合體10上。采用這樣的結(jié)構(gòu)，尤其是，即使燃料電池單元I構(gòu)成為在從陽極12側(cè)朝向陰極13側(cè)的方向以及從陰極13側(cè)朝向陽極12側(cè)的方向中的任一個方向上都作用表面壓力的結(jié)構(gòu)，也將支承構(gòu)件40僅設置在陽極12側(cè)的面以及陰極13側(cè)的面中的任一個面上即可。
[0035]對于在燃料電池單元I上設置有多個支承構(gòu)件40所起到的作用，參照圖6進行說明。
[0036]圖6是表示在燃料電池單元I上設置多個支承構(gòu)件40所起到的作用的圖。
[0037]在框體20和膜電極接合體10的接合部上，在從常溫到高溫的3個溫度下測定出在該接合部即將裂開時的最大荷重(N/mm)。由菱形表示的現(xiàn)有例的測定結(jié)果為:在框體20和膜電極接合體10的接合部中不具有本實施方式的支承構(gòu)件40的結(jié)構(gòu)的最大荷重。由圓形表示的本實施方式(TD)的測定結(jié)果為:在框體20和膜電極接合體10的接合部上，在從框體20的緣部朝向膜電極接合體10的方向上僅突出規(guī)定的距離地設置有支承構(gòu)件40的結(jié)構(gòu)的最大荷重。圖中注釋的TD表示Transverse Direct1n(橫向)。由四邊形表示的本實施方式(MD)是一種如下狀態(tài):在框體20和膜電極接合體10的接合部上，支承構(gòu)件40在從框體20的緣部朝向膜電極接合體10的方向上僅突出規(guī)定的距離的狀態(tài)。該狀態(tài)下的測定結(jié)果為:支承構(gòu)件40以沿著框體20的緣部只延伸規(guī)定的距離的方式設置的結(jié)構(gòu)中的最大荷重。圖中注釋的MD表示Machine Direct1n (縱向)。
[0038]從菱形所示的現(xiàn)有例、圓形所示的本實施方式(TD)以及四邊形所示的本實施方式(MD)中均可以發(fā)現(xiàn)，框體20和膜電極接合體10的接合部的即將裂開的最大荷重(N/mm)對于溫度沒有顯著的依賴性。另一方面，圓形所示的本實施方式(TD)和四邊形所示的本實施方式(MD)與菱形所示的現(xiàn)有例相比，框體20和膜電極接合體10的接合部的最大荷重(N/mm)提高。尤其是，四邊形所示的本實施方式(MD)與菱形所示的現(xiàn)有例相比，框體20和膜電極接合體10的接合部的最大荷重(N/mm)顯著提高。
[0039]采用上述本實施方式的燃料電池單元1，起到如下效果。
[0040]在燃料電池單元I中，使多個支承構(gòu)件40以沿著框體20的緣部且超出緣部的方式突出，并且利用多個支承構(gòu)件40支承膜電極接合體10。
[0041]采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，多個支承構(gòu)件40以沿著框體20的緣部且超出緣部的方式突出，用于支承膜電極接合體10。因此，采用燃料電池單元1，即使表面壓力作用于膜電極接合體10，該表面壓力也經(jīng)由支承構(gòu)件40被分散到框體20，從而不對膜電極接合體10和框體20的接合部位施加超額的負荷。即、即使表面壓力作用于周圍由框體20保持著的膜電極接合體10，膜電極接合體10和框體20的接合部也不容易破損。
[0042]而且，在燃料電池單元I中，可以構(gòu)成為如下結(jié)構(gòu):沿著呈矩形形狀的框體20的緣部中的相對的緣部形成有多個支承構(gòu)件30。
[0043]采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，例如，在框體20上開有長方形形狀的開口的保持部20g的長度方向兩端形成有支承構(gòu)件30。因此，在保持部20g的長度方向的兩端能夠牢固地支承膜電極接合體10。
[0044]而且，在燃料電池單元I中，可以構(gòu)成為如下結(jié)構(gòu):在供含氫氣體或者含氧氣體流通的流路上并列排列地形成有多個支承構(gòu)件40。
[0045]采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，支承構(gòu)件40不妨礙含氫氣體或者含氧氣體的流通。而且，采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，能夠?qū)瑲錃怏w或者含氧氣體進行整流。
[0046]而且，在燃料電池單元I中，可以構(gòu)成為如下結(jié)構(gòu):在陽極12或者陰極13中的任一個電極的面上設置有多個支承構(gòu)件40。
[0047]采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，例如，在從陽極12側(cè)朝向陰極13側(cè)的方向上單向地作用表面壓力的結(jié)構(gòu)中，通過在與表面壓力所作用的面相反的一側(cè)的面相當?shù)年帢O13側(cè)設置多個支承構(gòu)件40，不會對膜電極接合體10和框體20的接合部位施加超額的負荷。另一方面，例如，在從陰極13側(cè)朝向陽極12側(cè)的方向上單向地作用表面壓力的結(jié)構(gòu)中，通過在與表面壓力所作用的面相反的一側(cè)的面相當?shù)年枠O12側(cè)設置多個支承構(gòu)件40，從而不會對膜電極接合體10和框體20的接合部位施加超額的負荷。而且，在從陽極12側(cè)朝向陰極13側(cè)的方向以及從陰極13側(cè)朝向陽極12側(cè)的方向中的任一個方向上都作用表面壓力的結(jié)構(gòu)中，在陽極12側(cè)的面以及陰極13側(cè)的面上設置有多個支承構(gòu)件40。
[0048]而且，在燃料電池單元I中，可以構(gòu)成為支承構(gòu)件40與框體20 —體形成的結(jié)構(gòu)。
[0049]采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，因為將支承構(gòu)件40與框體20 —體形成，所以被按壓于膜電極接合體10的支承構(gòu)件40不容易從框體20剝離或者不容易斷裂。而且，采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，以使框體20保持膜電極接合體10的外周的方式通過注塑成型來制造框體20時，因為支承構(gòu)件40也同時與框體20 —體形成，所以在量產(chǎn)性方面出色。
[0050]而且，在燃料電池單元I中，可以構(gòu)成為將支承構(gòu)件40接合于膜電極接合體10的結(jié)構(gòu)。
[0051]采用如此構(gòu)成的燃料電池單元1，能夠通過粘接、焊接等利用支承構(gòu)件40牢固地支承膜電極接合體10。采用該結(jié)構(gòu)，尤其是，即使燃料電池單元I構(gòu)成為在從陽極12側(cè)朝向陰極13側(cè)的方向以及從陰極13側(cè)朝向陽極12側(cè)的方向中的任一個方向都作用表面壓力的結(jié)構(gòu)，將支承構(gòu)件40僅設置在陽極12側(cè)的面和陰極13側(cè)的面中的任一個面上即可。
[0052]除此之外，本發(fā)明基于權(quán)利要求書所記載的結(jié)構(gòu)能夠進行各種改變，而且即使是這些改變也都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，在本實施方式中，雖然設置有多個支承構(gòu)件40，但也能夠只設置I個該支承構(gòu)件40。本申請基于2012年6月18日申請的日本專利出愿號2012-137198號，將其公開的內(nèi)容作為參照而全部編入本說明書中。
[0053]附圖標記說明
[0054]I 燃料電池單元、
[0055]10膜電極接合體、
[0056]11電解質(zhì)膜、
[0057]12 陽極、
[0058]13 陰極、
[0059]20 框體、
[0060]20a陰極氣體供給口、
[0061]20b冷卻流體供給口、
[0062]20c陽極氣體供給口、
[0063]20d陽極氣體排出口、
[0064]20e冷卻流體排出口、
[0065]20f陰極氣體排出口、
[0066]20g 保持部、
[0067]20h 支承部、
[0068]20m 肋、
[0069]30 隔板、
[0070]31 第 I 隔板、
[0071]31a陽極氣體流路、
[0072]31b冷卻水流路、
[0073]32 第 2 隔板、
[0074]32a陰極氣體流路、
[0075]32b冷卻水流路、
[0076]32c 端子部、
[0077]40支承構(gòu)件。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池單元，其特征在于，該燃料電池單元具有: 膜電極接合體，其是將陽極和陰極以與電解質(zhì)膜相對的方式與所述電解質(zhì)膜接合在一起而形成的； 框體，其用于保持上述膜電極接合體的周圍； 一對隔板，其用于夾持保持著上述膜電極接合體的上述框體； 支承構(gòu)件，其以沿著上述框體的緣部且超出緣部的方式突出，用于支承上述膜電極接合體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單元，其特征在于， 上述支承構(gòu)件沿著呈矩形形狀的上述框體的上述緣部中的相對的上述緣部而形成有多個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池單元，其特征在于， 上述支承構(gòu)件沿著供含氫氣體或者含氧氣體流通的流路并列排列并形成有多個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項所述的燃料電池單元，其特征在于， 上述支承構(gòu)件在陽極和陰極的任一個電極的面上設置有多個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4中任一項所述的燃料電池單元，其特征在于， 上述支承構(gòu)件與上述框體一體形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的燃料電池單元，其特征在于， 上述支承構(gòu)件與上述膜電極接合體接合在一起。
【文檔編號】H01M8/02GK104412435SQ201380032043
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】屋隆了, 阿部光高, 野村智哉, 高根朋幸 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社, 日本戈爾有限公司