专利名称：燃料电池单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用作燃料电池的发电元件的燃料电池单元(单个单元电池)，特别是涉及一种通过层叠多张而构成燃料电池组(日文電池z > 'y ^)的燃料电池单元。
背景技术：
作为这种燃料电池单元，例如，具有专利文献I所述的燃料电池单元。专利文献I所述的燃料电池单元具有由燃料极和空气极夹持电解质膜而成的膜电极结构体(MEA Membrane Electrode Assembly)、保持膜电极结构体的周围的树脂框体以及夹着膜电极结构体和树脂框体的两张隔板。燃料极和空气极在各自的外侧具有气体扩散层。并且，燃料电池单元在树脂框体与两隔板之间分别设有反应用气体的供给排出部和整流部，并且在树脂框体的两面设有与各隔板相接触而维持气流路高度的突起。由此，在燃料电池单元中，反应用气体(燃料气体和氧化剂气体)能够流通至膜电极结构体。隔板除了具有密封反应用气体的气体密封功能以外，也可以用作集电体、外部端子。上述的燃料电池单元通过层叠多张而构成燃料电池组。为了良好地维持组装精度、气体密封性以及导电性等，在构成该燃料电池组时处于在层叠方向上加压了的状态。专利文献I :日本特开2003 - 077499号公报但是，由于如上所述的以往的燃料电池单元为各隔板与膜电极结构体及树脂框体这两者都接触的结构，因此，当层叠该燃料电池单元并进行加压时，树脂框体的突起与各隔板之间的接触部分也受到加压力，因此，产生有所谓的表面压力流失，从而存在有因无法充分地确保膜电极结构体与各隔板之间的接触表面压力、接触电阻增大而导致电池性能降低这样的问题。其原因在于，在燃料电池单元中，构成电极的气体扩散层的厚度、接触表面压力导致被压扁的压扁的特性在制造上存在偏差。因此，在作为这样的燃料电池单元的层叠体的燃料电池组中，在使树脂框体的突起与两侧的隔板相接触的情况下，难以使所有的燃料电池单元的膜电极结构体与各隔板间的接触表面压力适当(日文適正化)。
发明内容
本发明就是着眼于上述以往课题而完成的，其目的在于提供一种燃料电池单元，该燃料电池单元具有在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体以及膜电极结构体的两张隔板，在层叠多张该燃料电池单元而构成燃料电池组时，能够良好地维持膜电极结构体与隔板之间的接触表面压力、能够防止接触电阻增大。本发明的燃料电池单元具有在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体以及膜·电极结构体的两张隔板，并且在框体的缘部与各隔板的缘部彼此之间设有气体密封件，该燃料电池单元具有供反应用气体在框体与各隔板之间流通的各扩散部。并且，在燃料电池单元中，在阴极侧和阳极侧中的任一侧的扩散部中，在框体和隔板的彼此相对的相对面中的至少一面上设有与对方相接触的突起。而且，在燃料电池单元中，在阴极侧和阳极侧中的另一侧的扩散部中，以分离开的方式设置框体与隔板，本发明的燃料电池单元以上述结构作为用于解决以往课题的手段。另外，作为更优选的实施方式，燃料电池单元的特征在于，在阴极侧的扩散部中，上述突起设于框体或隔板。采用本发明的燃料电池单元，由于框体未被完全拘束，能够向一侧的扩散部侧移位，因此当通过层叠多张燃料电池单元而构成燃料电池组时，层叠方向的加压力能够有效地作用于膜电极结构体与隔板之间，从而能够良好地维持膜电极结构体与隔板之间的接触表面压力，并且能够防止接触电阻增大，获得良好的电池性能。
图I是本发明的燃料电池单元的一实施方式中的、使燃料电池单元处于分解状态而进行说明的俯视图。 图2是燃料电池单元的俯视图。图3是说明层叠图I所示的燃料电池单元而成的燃料电池组的图，其中，图3的(A)是分解立体图，图3的(B)是组装后的立体图。图4是表示燃料电池单元的一实施方式的图，是图2的A — A剖视图。图5是表示燃料电池单元的另一实施方式的图，是图2A — A剖视图。图6是表示燃料电池单元的又一实施方式的图，是图2A — A剖视图。图7是表示燃料电池单元的再一实施方式的图，是图2A — A剖视图。图8是表示燃料电池系统的一例的说明图。图9是表示燃料电池系统的运转方法的一实施方式中的气压与负荷之间的关系的曲线图。图10是表示燃料电池系统另一例的说明图。图11是表示燃料电池系统的运转方法的另一实施方式的曲线图，其中，图11的
(A)是表示气压与时间之间的关系的曲线图，图11的(B)是表示气压与负荷之间的关系的曲线图。图12是说明本发明的燃料电池单元的又一实施方式的剖视图。图13是说明本发明的燃料电池单元的又一实施方式的剖视图。图14是表示燃料电池单元的又一实施方式的图，是主要部分的剖视图。图15是表示燃料电池单元的又一实施方式的图，是主要部分的剖视图。图16是表示燃料电池单元的又一实施方式的图，图16的(A)是主要部分的剖视图，图16的(B)是说明突起的形成的图，是主要部分的分解状态的剖视图。图17是表示燃料电池单元的又一实施方式的图，图17的(A)是主要部分的剖视图，图17的(B)是表示将弹性体设置于隔板的例子的图，是主要部分的分解状态的剖视图，图17的(C)是表示将弹性体设置于框体的例子的图，是主要部分的分解状态的剖视图。图18是表示燃料电池单元的又一实施方式的图，图18的(A)是主要部分的剖视图，图18的(B)是阳极侧隔板的俯视图。
具体实施方式
图I 图4是说明本发明的燃料电池单元的一实施方式的图。图I 图3所示的燃料电池单元FC具有在周围具有框体I的膜电极结构体2和夹持框体I以及膜电极结构体2的两张隔板3、3。框体I呈大致恒定厚度的薄板状，其除去边缘部以外的大部分的厚度比膜电极结构体2的厚度薄。并且，在框体I与两隔板3、3之间具有供反应用气体流通的流通区域(后述的扩散部)。另外，为了易于制造，优选框体I为树脂制，隔板3为金属制。膜电极结构体2通常被称作MEA(Membrane Electrode Assembly),如图4中的放大图所示，例如具有利用燃料极层(阳极)22和空气极层(阴极)23夹持由固体高分子构成 的电解质层21的结构。另外，图示的膜电极结构体2在燃料极层22和空气极层23的表面分别层叠有由碳纸、多孔质体等构成的气体扩散层24、25。并且，在膜电极结构体2中，向燃料极层22供给作为一反应用气体的燃料气体(氢气)，并且向空气极层23供给作为另一反应用气体的氧化剂气体(空气)，利用电气化学反应进行发电。另外，作为膜电极结构体2，也包括省略了气体扩散层而由电解质层21、燃料极层22以及空气极层23构成的膜电极结构体。框体I利用树脂成形(例如注塑成形)与膜电极结构体2 —体化，在该实施方式中，膜电极结构体2位于中央并呈长方形状。另外，框体I在两端部以每一端部各排列有三个的方式排列有供给排出孔Hl H6，从各供给排出孔组至膜电极结构体2的区域为反应用气体的流通区域。该框体I和两隔板3、3皆为具有大致相同的纵横尺寸的长方形状。各隔板3都是以对不锈钢等金属板进行冲压成形而成的。各隔板3的与膜电极结构体2相对应的中央部分形成为在短边方向的剖视中呈波形状。该波形状沿着如图I所示的长边方向连续。由此，对于各隔板3，在波形状的与膜电极结构体2相对应的中央部分，各凸部分与膜电极结构体2相接触，并且波形状的各凹部分为反应用气体的流路。另外，由于图4是隔板3的波形状的凹部分(气体流路)处的截面，因此显示为膜电极结构体2与两隔板3、3分离开，但是如上所述，膜电极结构体2与各隔板3相互接触。另外，各隔板3在两端部具有与框体I的各供给排出孔Hl H6相同的供给排出孔Hl H6，从各供给排出孔组至截面波形状的部分的区域为反应用气体的流通区域。上述的框体I、膜电极结构体2以及两隔板3、3重叠而构成燃料电池单元FC。此时，特别如图2所示，燃料电池单元FC在中央具有发电部G，该发电部G为膜电极结构体2的区域。并且，在发电部G的两侧具有用于进行反应用气体的供给以及排出的供给排出部M、M和从各供给排出部M至发电部G的反应用气体的流通区域、即扩散部D、D0在此，作为反应用气体的流通区域的扩散部D不仅形成在图2中的电池两端侧，还分别形成在框体I与两侧的隔板3、3之间、即阳极侧(Da)和阴极侧(Dc)。在图2的左侧所示的一供给排出部M中，各供给排出孔Hl H3为氧化剂气体供给用供给排出孔(H1)、冷却流体供给用供给排出孔(H2)以及燃料气体供给用供给排出孔(H3)，各供给排出孔Hl H3在层叠方向上形成各流路。另外，在图2的右侧所示的另一供给排出部M中，各供给排出孔H4 H6为燃料气体排出用供给排出孔(H4)、冷却流体排出用供给排出孔(H5)以及氧化剂气体排出用供给排出孔(H6)，各供给排出孔H4 H6在层叠方向上形成各流路。另外，供给用与排出用的各供给排出孔的一部分或全部也可以为与上述位置关系相反的位置关系。
而且，如图4所示，在燃料电池单元FC中，在框体I与隔板3之间，将气体密封件Gs设置于隔板3的周缘部、供给排出孔Hl的周缘部。另外，在层叠了多张燃料电池单元FC的状态下，相邻的隔板3彼此之间也设有气体密封件Gs。在该实施方式中，是使冷却流体在相邻的隔板3、3之间流通的结构。另外，在隔板3具有集电体、外部端子的功能的情况下，在隔板3彼此之间设置有绝缘体。上述的气体密封件Gs用于在各个层间气密地分离燃料气体、氧化剂气体以及冷却流体的各流通域，并且在供给排出孔Hl H6的周缘部的适当的部位设置有开口，以使预定的流体能流入该各个层间。即，图4表示氧化剂气体供给用的供给排出孔H1，因此在阴极侧(上侧)设有气体密封件Gs的开口，并以气体密封件Gs封闭阳极侧(下侧)。将具有上述结构的燃料电池单元FC层叠多张而构成如图3所示的燃料电池组FS。如图3的(A)所示，在燃料电池组FS中，在燃料电池单元FC的层叠方向的一端部(在图3中为右侧端部)隔着集电板60A和隔尚件61设有端板62A,在另一端部隔着集电板60B设有端板62B。另外，在燃料电池组FS中，在位于燃料电池单元FC的长边侧的两面(在·图3中为上下表面)上设有组装板(日文締結板)63A、63B，并且在位于燃料电池单元FC的短边侧的两面上设有加强板64A、64B。并且，在燃料电池组FS中，利用螺栓65将各组装板63A、63B和加强板64A、64B连结于两端板62A、62B。这样,燃料电池组FS形成为如图3的(B)所不的外壳一体型结构(日文> 一 7 —体型構造)，通过在层叠方向上对各燃料电池单元FC进行拘束、加压而对各个燃料电池单元FC施加预定的接触表面压力，从而良好地维持气体密封性、导电性等。在此，在燃料电池单元FC中，在阴极侧和阳极侧的任一侧的扩散部中，在框体I和隔板3的彼此相对的相对面中的至少一面上设有与对方(日文相手側)相接触的突起5。并且，在阴极侧和阳极侧的另一侧的扩散部中，以分离开的方式配置框体I与隔板3。如图4所示，在该实施方式的燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，在该框体I设有突起5，该突起5与作为框体I的对方(日文相手側)的隔板3相接触。并且，在阳极侧的扩散部Da中，以分离开的方式配置框体I和与该框体I相对的隔板3。上述突起5为圆台形状，并一体成形于树脂制的框体1，如图I和图2所示，上述突起5以预定的间隔配置。对于该突起5的形状等并没有特殊限定，只要不妨碍反应用气体的流通即可。另外，在该实施方式中，在框体I的阳极侧的表面(在图4中为下侧的表面)上设有与突起5形状类似的凸部6。该凸部6的突出量比上述突起5的突出量小，在凸部6与隔板3之间形成间隙，当框体I与隔板3向相互靠近的方向移位时，凸部6与隔板3相抵接而阻止过大的移位。当通过层叠多张具有上述结构的燃料电池单元FC而构成燃料电池组FS时，层叠方向的加压力有效地作用于膜电极结构体2与各隔板3、3之间。即，在燃料电池单元FC中，在阳极侧的扩散部Da中，框体I与隔板3分离开。由此，层叠方向的加压力仅作用于膜电极结构体2与隔板3之间，能够充分地确保膜电极结构体与隔板3间的接触表面压力。另外，在燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，框体I的突起5与隔板3相接触，但是在阳极侧并没有对框体I进行拘束。由此，即使在层叠方向上进行加压，框体I也能够向阳极侧移位，因此膜电极结构体与隔板3之间的接触表面压力不会大幅减少，能够将该接触表面压力保持在适当的范围内。这样，在燃料电池单元FC中，并没有从两面侧完全地拘束框体1，而是能够使框体I向一侧的扩散部(Da)侧移位，因此，当通过层叠多张燃料电池单元FC而构成燃料电池组FS时，能够良好地维持膜电极结构体2与各隔板3、3之间的接触表面压力。由此，能够防止接触电阻增大，能够获得良好的电池性能。因而，对于作为燃料电池单元FC的层叠体的燃料电池组FS，能够长期获得效率良好的发电功能。而且，若如上述实施方式的燃料电池单元FC那样形成为在阴极侧的扩散部Dc中将突起5设置于框体I的结构，则在应对反应用气体的流量不均匀方面是非常有效的。其原因在于，由于在燃料电池单元FC中，阴极侧的氧化剂气体含有较多的、氧以外的杂质，因此发电所需的体积流量较大，当使膜电极结构体2的电气化学反应(电极反应)稳定时，阴极侧的氧化剂气体的流量容易出现不均匀。 于是，如图4所示，在燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，将与隔板3相接触的突起5设置于框体1，相反地，在较难以引发燃料气体的流量不均匀的阳极侧的扩散部Da中，以分离开的方式配置框体I和隔板3。由此，在燃料电池单元FC中，即使在阴极侧的扩散部Dc中的氧化剂气体的流量出现不均匀，也能够利用突起5始终恒定地维持阴极侧的扩散部Dc的高度，从而能够抑制压力损失。这样，在上述实施方式的燃料电池单元FC中，能够同时实现下述两功能，即良好地维持膜电极结构体2与两隔板3、3间的接触表面压力、防止接触电阻增大的功能和应对反应用气体的流量不均匀的功能。另外，如在后述的燃料电池系统的运转方法中所说明的那样，应对反应用气体的流量不均匀的功能通过提高框体I与隔板3分离开配置的扩散部中的气压而能进一步提闻效果。图5 图7是说明本发明的燃料电池单元的其他3个实施方式的图。与上述实施方式相同的构成部位标注相同的附图标记，省略详细的说明。在图5所示的燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，将与框体I相接触的突起15设置于隔板3，在阳极侧的扩散部Da中，以分离开的方式配置框体I与隔板3。另夕卜，图不的阳极侧的隔板3具有突出量比突起15的突出量小的凸部16。该凸部16与上述实施方式中所说明的凸部相同，在其与框体I之间形成间隙，当框体I与隔板3向相互靠近的方向移位时，凸部16与框体I相抵接来阻止过大的移位。图6所示的燃料电池单元FC具有与图4所示的实施方式的燃料电池单元FC相同的基本结构，在阳极侧的扩散部Da中，框体I具有无凸部(6)的平坦面。另外，图7所示的燃料电池单元FC具有与图5所示的实施方式的燃料电池单元FC相同的基本结构，在阳极侧的扩散部Da中，隔板3具有无凸部(16)的平坦面。上述的各燃料电池单元FC均能够获得与前面的实施方式相同的作用和效果，并且均通过层叠多张而构成燃料电池组FS。另外，若如图6和图7所示的燃料电池单元FC那样将框体I、隔板3设为平坦面，则能够减轻阳极侧的扩散部Da上的压力损失，并且也能够对降低框体I、隔板3的加工成本做出贡献。图8是说明具有燃料电池组FS的燃料电池系统的图。燃料电池组FS是通过层叠多层如图4 图7所示的燃料电池单元FC并进行加压，并以维持该状态的方式组装而成的。图示的燃料电池系统具有相对于燃料电池组FS进行供给、排出的、氧化剂气体的供给路径31和排出路径32、燃料气体的供给路径33和排出路径34、冷却流体的循环路径35。在氧化剂气体的供给路径31上设有压缩机等空气供给单元36和对来自空气供给单元36的供给气体进行加湿的加湿器37。另外，氧化剂气体的排出路径32将包含在排出空气中的水蒸气向加湿器37供给，在加湿器37的下游，通过背压调整阀38向大气开放。燃料气体的供给路径33从氢气罐体39至燃料电池组FS为止，并在中途设有氢气调整阀40。另外，燃料气体的排出路径34至水分离槽41为止。水分离槽41具有水量检测用的液位传感器42，并且具有用于将水向外部排出的排水阀43和将氮气向大气开放的氮气排气阀44。而且，图示的燃料电池系统具有将燃料气体的供给路径33和水分离槽41连结起来的燃料气体循环配管50。燃料气体循环配管50在其中途具有循环泵51，并且借助喷射器(日文工七'夕夕)52连接于燃料气体的供给路径33的中途。即，该燃料电池系统是将自燃料电池组FS排出的排出燃料气体(废气)中所包含的氢气进行再利用的燃料循环方式的系统，其利用燃料气体循环配管50、循环泵51以及喷射器52强制地使在燃料电池组FS中未用于发电而被排出的剩余的氢气返回燃料气体的供给路径33。在这样的燃料循环方式的燃料电池系统中，通过并用如图示例那样的循环泵51和喷射器52，例如，能够在喷射器52发挥不了作用的压力区域通过使循环泵51运转来维持上述循环。另外，也能够采用不设置循环泵51而仅设置喷射器52的结构，利用该喷射器 52的作用强制地使从燃料电池组FS排出的剩余的氢气返回燃料气体供给路径33。冷却流体的循环路径35使利用冷却器45冷却后的冷却流体(冷却水)循环，该冷却流体的循环路径35具有冷却水循环泵46、绕过冷却器45的旁路通道47以及将循环路径35和旁路通道47连接起来的三通阀48。当使上述燃料电池系统运转时，在本发明的运转方法中，以使框体与隔板分离开配置的扩散部的气压比框体与隔板利用突起相接触的扩散部的气压高的方式调整反应用气体的供给压力，使燃料电池系统运转。在图4 图7所示的燃料电池单元FC中，以分离开的方式配置框体I与隔板3的是阳极侧的扩散部Da。另外，利用突起5 (15)使框体I与隔板3相接触的是阴极侧的扩散部Dc。由此，如图9所示，在本发明的燃料电池系统的运转方法中，以阳极侧的扩散部Da的气压比阴极侧的扩散部Dc的气压高的方式调整反应用气体的供给压力，使本发明的燃料电池系统运转。采用上述的运转方法，在燃料电池组FS的各燃料电池单元FC中，框体I被阴极侧的突起5、15和阳极侧的气压保持，从而防止了框体I的挠曲(隆起)。因而，即使如上述那样反应用气体(特别是氧化剂气体)的流量出现不均匀，也能够防止框体I产生挠曲、或者低压侧的气流路的压力损失增大的情况，防患于未然。
并且，采用上述的燃料电池系统的运转方法，由于在各个燃料电池单元FC中，良好地维持了膜电极结构体2与两隔板3、3间的接触表面压力，因此能够同时实现下述功能，即通过维持接触表面压力来防止接触电阻增大的功能和应对反应用气体的流量不均匀的功能。另外，若如上述实施方式那样采用提高阳极侧的扩散部Da的气压的方法，则由于燃料气体(氢气)原本被加压储存于氢气罐体39内，因此也具有压力控制较为容易这样的优点。在此，作为燃料电池系统的其他例子，列举有图10所示的燃料电池系统。图示的燃料电池系统是不具有上述的图8所示的系统中的燃料气体循环配管(50)、循环泵(51)以及喷射器(52)的结构。该燃料电池系统并未对包含氢气的排出燃料气体进行循环使用，而是使燃料气体的流通形成为从供给侧向排出侧这一个方向。这样的系统被称作封闭式阳极系统(日文7 ^ — K r , K > K V ^ r Λ)0该燃料电池系统也能够获得与上述的燃料循环方式的燃料电池系统相同的作用和效果。在上述的封闭式阳极系统中，在发电开始后，利用氢气调压阀40暂时停止燃料气体(氢气)的供给，由于发电继续进行而使燃料气体的供给路径33的压力降低。然后，在供·给路径33成为预定的压力之后利用氢气调压阀40再次开始燃料气体的供给，利用燃料气体开始供给时的气流将燃料电池单元FC内的生成水向水分离槽41排出。即，如图11的(A)所示，阳极侧的气压在运转过程中产生脉动。在此，在本发明的燃料电池系统的运转方法中，在阳极侧的气压产生脉动的情况下，如图11的(B)所示，以阳极侧的扩散部Da的上限压力和下限压力均比阴极侧的扩散部Dc的气压高的方式调整反应用气体的供给压力，使本发明的燃料电池系统运转。由此，能够获得与上述实施方式相同的作用和效果。图12和图13是说明本发明的燃料电池单元的另外两个实施方式的图。另外，与上述实施方式相同的构成部位标注相同的附图标记，省略详细说明。另外，图13是燃料气体供给用的供给排出孔Hl的位置处的剖视图。在图12所示的燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，将突起5、15设置于彼此相对的框体I与隔板3这两者，并且使框体I与隔板3这两者的突起5、15相抵接。在阳极侧的扩散部Da中，以分离开的方式配置彼此相对的框体I与隔板3。像这样，能够在框体I和隔板3上均设置突起(5、15)。在该情况下，除了如图示例那样的使突起5、15彼此相抵接的结构之外，也可以是交替配置框体I的突起5与隔板3的突起15、使框体I的突起5与隔板3相抵接、使隔板3的突起15与框体I相抵接的结构。在该实施方式的燃料电池单元FC中，也能够获得与上述的实施方式相同的作用和效果。在前面的各实施方式中将突起5、15设置于阴极侧的扩散部Dc中，相对于此，在图13所示的燃料电池单元FC中，在阳极侧的扩散部Da中，将与隔板3相接触的突起5设置于框体I。并且，在阴极侧的扩散部Dc中，以分离开的方式配置框体I与隔板3。在该情况下，与上述各实施方式相同，能够将突起设置于框体I和隔板3中的至少一者。在上述的燃料电池单元FC中，也能够获得与前面的各实施方式相同的作用和效果。另外，在具有这样的燃料电池单元FC的层叠体、即燃料电池组FS的燃料电池系统中，能够以阴极侧的扩散部Dc的气压比阳极侧的扩散部Da的气压高的方式调整反应用气体的供给压力，使该燃料电池系统运转。
在此，在上述的燃料电池单元FC中，如上所述，各构成零件存在有尺寸公差、制造上的误差，并且膜电极结构体2在厚度方向上的经年移位等也存在有微小的差异。另外，在如上述图10和图11所示的封闭式阳极系统那样阳极侧的气压产生脉动的情况下，在阴极侧与阳极侧产生气压差，该气压差易于导致弯曲应力集中于框体I与膜电极结构体2间的接合部。于是，如图14所示，在燃料电池单元FC中，在阴极侧和阳极侧中的任一侧的扩散部D中，在框体I和隔板3的彼此相对的相对面中的至少一面上设置与对方相接触的突起5，并且将对方与突起5的顶端粘接起来(附图标记Q)。并且，在另一侧的扩散部D中，以分离开的方式配置框体I与隔板3。在图示例的燃料电池单元FC中，在阴极侧(在图中为上侧)的扩散部Dc中，将与隔板3相接触的突起5设置于框体1，并且将隔板3与突起5的顶端粘接起来(附图标记Q)，在阳极侧(在图中为下侧)的扩散部Da中，以分离开的方式配置框体I与隔板3。另外，阴极和阳极的位置也可以上下颠倒。·对于隔板3与突起5之间的粘接，能够在考虑双方的材料(金属与树脂)的基础上，使用对隔板3与突起5之间的粘接有效的众所周知的粘接剂，除此以外，也可以采用超声波熔接等适当的粘接手段。该实施方式的突起5呈圆台形状，并一体成形于树脂制的框体1，如图I所示，该突起5以预定间隔配置。对于该突起5的形状等并无特殊限定，只要不妨碍反应用气体的流通即可。另外，在该实施方式中，将与突起5形状类似的凸部6设置于框体I的阳极侧的面(在图14中为下侧的面)上。该凸部6的突出量比阴极侧的突起5的突出量小，并在该凸部6与隔板3之间形成间隙，当框体I与隔板3向相互靠近的方向移位时，凸部6与隔板3相抵接而阻止过大的移位。在具有上述结构的燃料电池单元FC中，框体I与隔板3在阳极侧的扩散部Da中分离开，因此在构成燃料电池组FS时，层叠方向的加压力主要作用于膜电极结构体2与隔板3之间，从而能够充分地确保膜电极结构体2与隔板3之间的接触表面压力。另外，在燃料电池单元FC中，能够利用阳极侧的扩散部Da中的框体I与隔板3之间的间隙吸收厚度方向的移位。即，在燃料电池单元FC中，即使存在各构成零件的尺寸公差、制造上的偏差、膜电极结构体2在厚度方向上的经年移位，也能够利用上述间隙将其吸收。由此，在将燃料电池单元FC构成燃料电池组FS时，能够抑制各个燃料电池单元中的接触表面压力、气体流量等性能的偏差。而且，在燃料电池单元FC中，通过在阴极侧的扩散部Dc中将框体I的突起5的顶端与隔板3粘接起来，提高了具有框体I的膜电极结构体2的耐久性。即，在燃料电池单元FC中，例如，在封闭式阳极系统中，即使阳极侧的气压产生脉动且在阴极侧与阳极侧之间产生有气体的压力差，框体I也会因粘接于隔板3的上述突起5而被保持于该隔板3，因此无论是阴极侧和阳极侧的哪一侧的压力高的情况都能够抑制框体I移位。由此，在燃料电池单元FC中，能够阻止弯曲应力集中于框体I与膜电极结构体2之间的接合部。这样，在燃料电池单元FC中，能够利用设在框体I与隔板3之间的间隙吸收厚度方向的移位，并且通过使突起5粘接于隔板3来保持框体1，因此能够使构成燃料电池组FS时的各燃料电池单元的性能适当，同时能提高框体I与膜电极结构体2之间的接合部的耐久性。图15是说明本发明的燃料电池单元的又一实施方式的图。在图示的燃料电池单元FC中，在阴极侧(上侧)的扩散部Dc中，将与作为对方的框体I相接触的突起15设置于隔板3，并且将框体I与突起15的顶端粘接起来(Q)。突起15与上述实施方式的突起相同，以不妨碍反应用气体的流通的方式配置为隔开预定间隔。并且，在阳极侧的扩散部Da中，以分离开的方式配置框体I与隔板3。上述的燃料电池单元FC也与前面的实施方式相同，能够利用设在框体I与隔板3之间的间隙吸收厚度方向的移位，并且利用设置于隔板3的突起15来保持框体1，因此能够使构成燃料电池组FS时的各燃料电池单元的性能适当，同时能提高框体I与膜电极结构体2之间的接合部的耐久性。图16是说明本发明的燃料电池单元的又一实施方式的图。在图16的(A)所示的 燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，在框体I和隔板3的彼此相对的相对面中的至少一面上设有与对方相接触的突起5A，该突起5A是由设置于框体I与隔板3之间的粘接材料形成的。该突起5A也以不妨碍反应用气体的流通的方式配置为隔开预定间隔。另外，在阳极侧的扩散部Da中，以分离开的方式配置框体I与隔板3。形成突起5A的粘接材料能够从粘接力被特殊化的材料中选择,例如能够使用环氧类的材料。突起(粘接材料)5A也可以预先形成为预定形状，但是更加优选的是，如图16的(B)所示，从粘接材料供给装置的喷嘴N喷出粘接材料并涂敷于框体I。于是，突起(粘接材料)5A通过框体I与隔板3接合而与框体I和隔板3这两者粘接，因此与将作为对方的隔板3与突起5A的顶端粘接起来的情况相同。另外，当然也可以与图示例相反，将突起5A设置(涂敷)于隔板3。上述的燃料电池单元FC也能够获得与前面的实施方式相同的效果，并且由于以粘接材料形成突起5A，因此能够不设置框体I的突起、隔板3的突起，从而简化形状，另外，由于能够在设置气体密封件Gs (参照图I)的工序中一并形成突起5A，因此能够对提高生产效率、降低制造成本等做出贡献。另外，在同一工序中形成气体密封件Gs和突起5A的情况下，优选使用适用于双方的用途的材料，例如硅橡胶、氟橡胶以及聚烯烃橡胶等粘接剂。图17是说明本发明的燃料电池单元的又一实施方式的图。在图17的(A)所示的燃料电池单元FC中，在阴极侧和阳极侧中的任一侧的扩散部D中，在框体I和隔板3的彼此相对的相对面中的至少一面上设有与对方相接触的突起5，并且在另一侧的扩散部D中，将与框体I和隔板3相接触的弹性体7设置于框体I与隔板3之间。该弹性体7与上述实施方式的突起相同，以不妨碍反应用气体的流通的方式配置为隔开预定间隔。具体地说，在燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，将与隔板3相接触的突起5设置于框体1，并且在阳极侧的扩散部Da中，将与框体I和隔板3相接触的弹性体7设置于框体I与隔板3之间。弹性体7能够如图17的(B)所示那样设置于隔板3，或如图17的(C)所示那样设置于框体I。另外，弹性体7也可以预先形成为预定形状，但是更加优选的是，弹性体7由在溶融状态下进行涂敷并在固化后具有弹性的粘接材料形成。形成弹性体7的粘接材料，例如，能够使用硅橡胶、氟橡胶、或聚烯烃橡胶等材料。该弹性体(粘接材料)7与前面的由粘接材料形成的突起(图16中的附图标记5A)相同，也在涂敷于框体I或隔板3并固化后，通过框体I与隔板3接合,从而与对方相接触。在图14 图16所示的实施方式中，利用阳极侧的隔板3与框体I之间的间隙吸收厚度方向的移位，而在上述的燃料电池单元FC中，利用阳极侧的弹性体7吸收厚度方向的移位。并且,在燃料电池单元FC中，利用框体I的突起5和弹性体7来保持框体I。由此，与前面的实施方式相同，能够使构成燃料电池组FS时的各燃料电池单元的性能适当，同时能提高框体I与膜电极结构体2之间的接合部的耐久性。
另外，在上述的燃料电池单元FC中，由于以固化后具有弹性的粘接材料形成弹性体7，因此能够在设置气体密封件Gs (参照图I)的工序一并形成弹性体7，也能够对提高生产效率、降低制造成本等做出贡献。而且，在上述的燃料电池单元FC中，仅使突起5、弹性体7与对方相接触就能够获得移位吸收功能、框体I的保持功能，因此粘接材料也可以是粘接强度较低的材料。因此，能够简化粘接面的表面处理或不进行粘接面的表面处理，并且能够采用廉价的粘接材料，能够谋求进一步降低制造成本。图18是说明本发明的燃料电池单元的又一实施方式的图。在图18的(A)所示的燃料电池单元FC中，在阴极侧的扩散部Dc中，将与隔板3相接触的突起5设置于框体I，并且在阳极侧的扩散部Da中，将与框体I和隔板3这两者相接触的弹性体7设置于框体I与隔板3之间。并且，如在图18的(B)中也有所表示，在该实施方式中，与图14 图16所示的实施方式相同，阳极侧的框体I具有突出量比突起5的突出量小的多个凸部6，在图示例的情况下，设有覆盖两个凸部6的弹性体7。如上所述，上述的弹性体7也可以预先形成为预定形状，但是上述的弹性体7也可以由在溶融状态下进行涂敷并在固化后具有弹性的粘接材料形成。特别是在由粘接材料形成该弹性体7的情况下，以覆盖多个凸部6的方式涂敷粘接剂并使该粘接剂固化而形成该弹性体7。由此，能够确保粘接面积较大，并且弹性体7的对凸部6的粘连性良好，能够获得充分的粘接强度。另外，上述的弹性体7能够针对I个凸部6形成或针对两个以上的凸部6形成，但是优选以不妨碍反应用气体的流通的方式选择其大小、形状。与前面的各实施方式一样，上述的图14 图18所示的燃料电池单元FC能够同时实现下述功能，即良好地维持膜电极结构体2与两隔板3、3之间的接触表面压力而防止接触电阻增大的功能、应对反应用气体的流量不均匀的功能。并且，能够使构成燃料电池组FS时的各燃料电池单元的性能适当，同时还能提高框体I与膜电极结构体2之间的接合部的耐久性。因而，在通过层叠多张上述的燃料电池单元FC而形成的燃料电池组FS中，能够使各个燃料电池单元FC的发电性能、耐久性能均一化，能够长期地进行稳定的发电。本发明的燃料电池单元的结构并不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够适当变更各构成部位的形状、个数、材料等构成细节。例如，在图14 图18所示的各实施方式中，图示了在阴极侧和阳极侧中突起与弹性体的位置相互一致的例子，但是上述突起与弹性体的位置也可以在平面方向上错开。另外，也能够将上述各实施方式的结构彼此组合。
附图标记说明I、框体；2、膜电极结构体；3、隔板；5、15、突起；5A、突起(由粘接材料构成的突起)；
7、弹性体；Da、阳极侧的扩散部；Dc、阴 极侧的扩散部；FC、燃料电池单元；FS、燃料电池组。
权利要求
1.一种燃料电池单元，其具有在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体以及膜电极结构体的两张隔板，并且在框体的缘部与各隔板的缘部彼此之间设有气体密封件，该燃料电池单元具有供反应用气体在框体与各隔板之间流通的各扩散部，其特征在于， 在阴极侧和阳极侧中的任一侧的扩散部中，在框体和隔板的彼此相对的相对面中的至少一面上设有与对方相接触的突起， 在阴极侧和阳极侧中的另一侧的扩散部中，以分离开的方式设置框体与隔板。
2.根据权利要求I所述的燃料电池单元，其特征在于， 在阴极侧和阳极侧中的任一侧的扩散部中，在框体和隔板的彼此相对的相对面中的至少一面上设有与对方相接触的突起，并且将突起的顶端与对方粘接起来。
3.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其特征在于， 突起由设置于框体与隔板之间的粘接材料形成。
4.一种燃料电池单元，其具有在周围具有框体的膜电极结构体和夹持框体以及膜电极结构体的两张隔板，并且在框体的缘部与各隔板的缘部彼此之间设有气体密封件，该燃料电池单元具有供反应用气体在框体与各隔板之间流通的各扩散部，其特征在于， 在阴极侧和阳极侧中的任一侧的扩散部中，在框体和隔板的彼此相对的相对面中的至少一面上设有与对方相接触的突起， 在阴极侧和阳极侧中的另一侧的扩散部中，在框体与隔板之间设有与该框体和隔板相接触的弹性体。
5.根据权利要求6所述的燃料电池单元，其特征在于， 弹性体由在固化后具有弹性的粘接材料形成。
6.根据权利要求I 5中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于， 在阴极侧的扩散部中，上述突起设于框体。
7.根据权利要求I 5中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于， 在阴极侧的扩散部中，上述突起设于隔板。
8.一种燃料电池组，其特征在于， 该燃料电池组通过层叠多张权利要求I 3中任一项所述的燃料电池单元而成。
9.一种燃料电池组，其特征在于， 该燃料电池组通过层叠多张权利要求6或7所述的燃料电池单元而成。
10.一种燃料电池系统，其特征在于， 该燃料电池系统具有权利要求8所述的燃料电池组。
11.一种燃料电池系统，其特征在于， 该燃料电池系统具有权利要求9所述的燃料电池组。
12.一种燃料电池系统的运转方法，其特征在于， 当使权利要求10所述的燃料电池系统运转时，以框体与隔板分离开配置的扩散部的气压比框体与隔板因突起而相接触的扩散部的气压高的方式调整反应用气体的供给压力，使上述燃料电池系统运转。
13.一种燃料电池系统的运转方法，其特征在于， 当使权利要求11所述的燃料电池系统运转时，以阳极侧的扩散部的气压比阴极侧的扩散部的气压高的方式调整反应用气体的供给压力，使上述燃料电池系统运转。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池单元。在具有在周围具有框体的膜电极结构体和夹持膜电极结构体的两张隔板的燃料电池单元中，当使隔板与膜电极结构体及框体这两者相接触时，使膜电极结构体与隔板之间的接触表面压力减小而接触电阻增大。本发明的燃料电池单元(FC)包括具有框体(1)的膜电极结构体(2)和夹持膜电极结构体(2)的两张隔板(3、3)，并且在框体(1)的缘部与各隔板(3)的缘部彼此之间设有气体密封件(Gs)，具有供反应用气体在框体(1)与各隔板(3)之间流通的扩散部(Da、Dc)，在阴极侧的扩散部(Dc)中，在框体(1)上设有与隔板(3)相接触的突起(5)，并且，在阳极侧的扩散部(Da)中，以分离开的方式设置框体(1)与隔板(3)，从而良好地维持了膜电极结构体(2)与隔板(3)之间的接触表面压力，防止了接触电阻的增大。
文档编号H01M8/24GK102939678SQ201180029588
公开日2013年2月20日 申请日期2011年4月19日 优先权日2010年6月15日
发明者池添圭吾, 阿部光高, 屋隆了, 沼尾康弘 申请人:日产自动车株式会社