燃料电池单电池
阅读说明:本技术 燃料电池单电池 (Fuel cell unit cell ) 是由 野野山顺朗 长谷川辉 于 2020-09-10 设计创作,主要内容包括:本发明提供燃料电池单电池,具有第1气体扩散层,该第1气体扩散层以外周缘部分从膜电极接合体的第1面突出的方式层叠于膜电极接合体的第1面,并且在第1部分具有粘接层,由此,在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,并且在支承框架与第1气体扩散层的外周缘部分之间、支承框架与第1隔板之间、以及/或者支承框架与第2隔板之间,粘接层将它们相互粘接。(The invention provides a fuel cell unit, comprising a 1 st gas diffusion layer, wherein the 1 st gas diffusion layer is laminated on the 1 st surface of a membrane electrode assembly in a manner that the outer peripheral edge part protrudes from the 1 st surface of the membrane electrode assembly, and an adhesive layer is arranged on the 1 st portion, so that the adhesive layer adheres the 1 st gas diffusion layer and the membrane electrode assembly at the portion which is more inner than the outer peripheral edge part, and the adhesive layer adheres the 1 st gas diffusion layer and the membrane electrode assembly at the portion which is between a support frame and the outer peripheral edge part of the 1 st gas diffusion layer, between the support frame and a 1 st separator, and/.)
技术领域
本公开涉及燃料电池单电池。
背景技术
近些年,公知有通过使阳极气体例如氢与阴极气体例如氧发生化学反应来进行发电的燃料电池。
作为这样的燃料电池的构成要素亦即燃料电池单电池,公知有具有膜电极接合体和在膜电极接合体的两面配置了气体扩散层以及隔板的结构的燃料电池单电池,该膜电极接合体具有电解质膜以及配置于电解质膜的两面的电极催化剂层。
日本专利第5681792关于燃料电池单电池,公开了在膜电极接合体的外周设置有树脂制框部件且树脂制框部件的一部分含浸于气体扩散层、将膜电极接合体与树脂制框部件固定的构造。
另外,日本特开2016-162649关于燃料电池单电池,公开了一种利用粘接层固定膜电极接合体与支承框架的构造。
本发明人在制造日本专利第5681792以及日本特开2016-162649中公开的燃料电池单电池时、在相互层叠来制造燃料电池层叠体时、以及使用燃料电池层叠体时即进行发电时等,获得如下见识:存在因燃料电池单电池的内部构造例如膜电极接合体以及气体扩散层等产生断裂以及/或者破损而导致燃料电池单电池恶化的情况。
更具体地说,能够举出以下那样的问题。
日本专利第5681792以及日本特开2016-162649公开了具有支承框架与膜电极接合体利用粘接层粘接的构造的燃料电池单电池。
在燃料电池单电池具有这样的构造的情况下,在制造燃料电池单电池时、以及层叠燃料电池单电池来制造燃料电池层叠体时,在燃料电池单电池的面内方向,有时对膜电极接合体与支承框架施加相互分离的方向或者接近的方向的应力。
另外,若使用燃料电池单电池,则因发热而导致燃料电池单电池内的部件的温度发生变化。而且,在支承框架与气体扩散层的热膨胀率不同的情况下,例如在支承框架使用树脂片材并且气体扩散层使用碳纤维无纺布等的情况下,若使用燃料电池单电池,则有时因发热而导致支承框架的气体扩散层侧的端部与固定于气体扩散层的膜电极接合体的相对位置关系发生变化。由此,在燃料电池单电池的面内方向,有时对膜电极接合体与支承框架施加相互分离的方向或者接近的方向的应力。
由此,存在如下担忧:强度比较弱的膜电极接合体因被向燃料电池单电池的面内方向中的端部方向即燃料电池单电池的端部方向拉长而破裂,或者因被向燃料电池单电池的面内方向中的中心方向即燃料电池单电池的中心方向按压而产生褶皱,等等。
另外,在采用日本特开2016-162649中公开的那样的、在支承框架与气体扩散层之间存在间隙的结构的情况下,存在如下担忧:在使用了燃料电池单电池时,在该间隙的部分即膜电极接合体露出的部分,因阴极侧以及阳极侧的气体的压力差而导致燃料电池单电池的该部分在厚度方向上变形并破裂。
另外,由于隔板与气体扩散层未固定,因而例如在因从燃料电池单电池的外部施加应力而导致燃料电池单电池向面内方向挠曲的情况下,存在如下担忧:在隔板与气体扩散层之间产生偏移,气体扩散层相对于隔板相对地向面内方向中的端部方向或者中心方向即燃料电池单电池的端部方向或者中心方向运动,从而强度相对低的膜电极接合体破裂。
并且,总的来说,存在燃料电池单电池中使用的气体扩散层例如使用碳纤维无纺布那样的具有导电性的多孔质的材料的情况。在由这样的材料形成的气体扩散层的端部中,例如存在碳纤维起毛等粗糙的情况。
在采用使用这样的气体扩散层在专利第5681792以及日本特开2016-162649公开的那样的、在膜电极接合体的第1面残留膜电极接合体的外周缘部分而直接层叠气体扩散层的结构的情况下,存在如下担忧:在气体扩散层的端部与膜电极接合体接触的部分,气体扩散层的粗糙的端部例如碳纤维起毛的部分刺入至膜电极接合体,损伤膜电极接合体,并且使其断裂以及/或者破损。
在膜电极接合体损伤的情况下,该部分变脆弱,存在导致膜电极接合体的断裂以及/或者破损的担忧。另外,在膜电极接合体断裂以及/或者破损的情况下,还存在燃料电池单电池的内部产生短路的担忧。
因此,追求燃料电池单电池的进一步的耐久性的提高。
发明内容
本公开提供机械耐久性较高的燃料电池单电池。
本发明人发现能够通过以下的机构实现上述课题:
《形态1》
一种燃料电池单电池,具备:
(I)电极层叠体,具有下述(a)、(b)以及(c),
(a)膜电极接合体,在电解质层的两侧面上分别层叠有电极催化剂层,
(b)第1气体扩散层,以外周缘部分从上述膜电极接合体的上述第1面突出的方式层叠于上述膜电极接合体的第1面,以及
(c)第2气体扩散层,层叠于上述膜电极接合体的第2面;
(II)支承框架,以从上述膜电极接合体分离的方式配置于上述膜电极接合体的外周;
(III)第1隔板,层叠于上述电极层叠体的上述第1气体扩散层侧,固定于上述支承框架,且与上述第1气体扩散层抵接;以及
(IV)第2隔板,层叠于上述电极层叠体的上述第2气体扩散层侧,固定于上述支承框架,且与上述第2气体扩散层抵接,
在上述燃料电池单电池的第1部分中具有粘接层,由此,
在上述第1气体扩散层的比上述外周缘部分靠内侧的部分与上述膜电极接合体之间,上述粘接层将它们相互粘接,并且,
在上述支承框架与上述第1气体扩散层的上述外周缘部分之间、上述支承框架与上述第1隔板之间、以及/或者上述支承框架与上述第2隔板之间,上述粘接层将它们相互粘接。
《形态2》
在形态1所记载的燃料电池单电池中,可以构成为上述支承框架在上述燃料电池单电池的厚度方向上配置于上述第1气体扩散层的上述外周缘部分与上述第2隔板之间。
《形态3》
在形态1所记载的燃料电池单电池中,可以构成为上述支承框架以从上述第1气体扩散层分离的方式配置于上述第1气体扩散层的外周。
《形态4》
在形态2或者3所记载的燃料电池单电池中,
可以构成为在上述燃料电池单电池的第2部分中,
上述第2隔板具有反应气体流路,
遍及上述第2隔板与上述第2气体扩散层之间、上述第2隔板与上述第1气体扩散层的上述外周缘部分之间、以及上述第2隔板与上述支承框架之间配置有第2盖板,在上述第1气体扩散层的比上述外周缘部分靠内侧的部分与上述膜电极接合体之间,上述粘接层将它们相互粘接,
在上述第1气体扩散层的上述外周缘部分与上述第2盖板之间,上述粘接层粘接于上述第2盖板,并且,
在上述支承框架与上述第1气体扩散层的上述外周缘部分之间、上述支承框架与上述第1隔板之间、以及/或者上述支承框架与上述第2隔板之间,上述粘接层将它们相互粘接,由此,
上述粘接层被相对于上述第2隔板的上述反应气体流路隔离。
《形态5》
在形态4所记载的燃料电池单电池中,
可以构成为在上述燃料电池单电池的上述第2部分中,
还有上述第1隔板具有反应气体流路,
遍及上述第1隔板与上述第1气体扩散层之间、以及上述第1隔板与上述支承框架之间配置有第1盖板,
在上述支承框架与上述第1盖板之间,上述粘接层将它们相互粘接,由此,
上述粘接层被相对于上述第1隔板的上述反应气体流路隔离。
根据本公开,能够提供机械耐久性较高的燃料电池单电池。
以下,参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明,在附图中相同的附图标记表示相同的构成要素。
附图说明
图1是从第1隔板30侧观察燃料电池单电池100的示意图。
图2是依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
图3是依照本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
图4是依照本公开的第3实施方式的燃料电池单电池100c的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
图5是依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
图6是依照本公开的第5实施方式的燃料电池单电池100e的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
图7是依照本公开的第6实施方式的燃料电池单电池100f的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
图8是与本公开的实施方式不同的燃料电池单电池100’的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
图9是从第1隔板30侧观察依照本公开的第7实施方式的燃料电池单电池100g的示意图。
图10是依照本公开的第7实施方式的燃料电池单电池100g的、沿着图9的II-II’剖面的剖视图。
图11是依照本公开的第8实施方式的燃料电池单电池100h的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
图12是依照本公开的第9实施方式的燃料电池单电池100i的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
图13是依照本公开的第10实施方式的燃料电池单电池100j的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
图14是依照本公开的第11实施方式的燃料电池单电池100k的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
图15是依照本公开的第12的实施方式的燃料电池单电池100l的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
具体实施方式
以下,对本公开的实施方式进行详述。此外,本公开并不限定于以下的实施方式,能够在公开的本主旨的范围内进行各种变形来实施。
本公开的燃料电池单电池具有以下的结构:
(I)电极层叠体,具有下述(a)、(b)以及(c),
(a)膜电极接合体,在电解质层的两侧面上分别层叠有电极催化剂层,
(b)第1气体扩散层,外周缘部分以从膜电极接合体的第1面突出的方式层叠于膜电极接合体的第1面,以及
(c)第2气体扩散层,层叠于膜电极接合体的第2面,
(II)支承框架,以从膜电极接合体分离的方式配置于膜电极接合体的外周;
(III)第1隔板,层叠于电极层叠体的第1气体扩散层侧,固定于支承框架,且与第1气体扩散层抵接;以及
(IV)第2隔板,层叠于电极层叠体的第2气体扩散层侧,固定于支承框架,且与第2气体扩散层抵接。
本公开的燃料电池单电池在燃料电池单电池的第1部分还具有粘接层,由此,在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,并且在支承框架与第1气体扩散层的外周缘部分之间、支承框架与第1隔板之间、以及/或者支承框架与第2隔板之间,粘接层将它们相互粘接。
此外,在本公开中,只要未特别说明,“第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间”、“支承框架与第1气体扩散层的外周缘部分之间”、“支承框架与第1隔板之间”、以及“支承框架与第2隔板之间”等2个部件之间是指燃料电池单电池的厚度方向上的、这些部件之间。
另外,支承框架“以从膜电极接合体分离的方式配置于膜电极接合体的外周”是指在燃料电池单电池的面内方向上、支承框架配置于膜电极接合体的外周且未与膜电极接合体接触的状态。
作为更具体的结构,例如可以是支承框架以从膜电极接合体分离的方式配置于膜电极接合体的外周且支承框架在燃料电池单电池的厚度方向上配置于第1气体扩散层的外周缘部分与第2隔板之间的构造。
另外,例如可以是支承框架在燃料电池单电池的面内方向上以从第1气体扩散层分离的方式配置于第1气体扩散层的外周的构造。
《第1部分》
在本公开的燃料电池单电池中,第1部分的位置并不特别限定,但例如可以是燃料电池单电池的外周缘部分。更具体而言,可以是与图1所示的燃料电池单电池的I-I’剖面的部分相当的部分。
本公开的燃料电池单电池在第1部分中具有粘接层,由此,在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,并且,在支承框架与第1气体扩散层的外周缘部分之间、支承框架与第1隔板之间、以及/或者支承框架与第2隔板之间,粘接层将它们相互粘接。
在本公开的燃料电池单电池中,在支承框架在燃料电池单电池的厚度方向上配置于第1气体扩散层的外周缘部分与第2隔板之间的情况下,本公开的燃料电池单电池在第1部分中可以具有如下构造,即在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,并且在支承框架与第1气体扩散层的外周缘部分之间、以及/或者支承框架与第2隔板之间,粘接层将它们相互粘接。
在这样的结构中,本公开的燃料电池单电池可以具有如下构造,即在第1部分中,在支承框架与第1隔板之间,粘接层还将它们相互粘接。
另外,在本公开的燃料电池单电池中,在支承框架以从第1气体扩散层分离的方式配置于第1气体扩散层的外周的情况下,本公开的燃料电池单电池在第1部分中可以具有如下构造,即在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,并且在支承框架与第1隔板之间、以及/或者支承框架与第2隔板之间,粘接层将它们相互粘接。
本公开的燃料电池单电池具有较高的机械耐久性的原理如下,但并不受原理限定。
本公开的燃料电池单电池在第1部分具有上述那样的结构,因而支承框架特别是其膜电极接合体侧的前端部分被粘接层粘接于第1气体扩散层、第1隔板以及/或者第2隔板,并且第1气体扩散层与膜电极接合体被粘接层粘接。
因此,在制造燃料电池单电池时、在层叠燃料电池单电池来制造燃料电池层叠体时,在燃料电池单电池的面内方向上对膜电极接合体与支承框架施加相互分离的方向或者接近的方向的应力的情况下,也能够抑制支承框架与膜电极接合体的相对位置关系的变化。另外,在使用燃料电池时即发电时,在支承框架因温度变化而膨胀收缩了的情况下,也同样能够抑制支承框架与膜电极接合体的相对位置关系的变化。
另外,本公开的燃料电池单电池在第1部分中具有上述那样的结构,由此膜电极接合体的两面被第1以及第2气体扩散层覆盖,在燃料电池单电池的厚度方向上未露出。
因此,能够抑制阴极侧以及阳极侧的气体的压力差引起的膜电极接合体的变形。
另外,本公开的燃料电池单电池在第1部分中具有上述那样的结构,由此支承框架特别是其膜电极接合体侧的前端部分被粘接层粘接于第1气体扩散层、第1隔板以及/或者第2隔板,并且第1气体扩散层与膜电极接合体被粘接层粘接。
因此,例如在因从燃料电池单电池的外部施加应力而导致燃料电池单电池向面内方向中的端部方向或者中心方向即燃料电池单电池的端部方向或者中心方向挠曲的情况下,也能够抑制支承框架特别是其膜电极接合体侧的前端部分与膜电极接合体的、在燃料电池单电池的面内方向上的相对位置关系的变化。由此,减少施加于膜电极接合体的面内方向的应力,抑制膜电极接合体的破裂。
并且,本公开的燃料电池单电池在第1部分中具有上述那样的结构,由此第1气体扩散层的外周缘部分从膜电极接合体的第1面突出,因而第1气体扩散层的前端部分未与膜电极接合体的面接触。
因此,在气体扩散层的端部粗糙的情况下,例如在使用碳纤维无纺布那样的具有导电性的多孔质的材料的气体扩散层的端部发生碳纤维起毛之类的情况下,也能够抑制第1气体扩散层的粗糙的端部例如碳纤维起毛的部分刺入至膜电极接合体、或者损伤膜电极接合体、以及开孔等导致膜电极接合体断裂以及/或者破损。
因此,本公开的燃料电池单电池具有较高的机械耐久性。
以依照本公开的实施方式的燃料电池单电池以及与本公开的实施方式不同的燃料电池单电池为例对原理进一步具体地进行说明。
首先,使用图1~图4对在本公开的燃料电池单电池中支承框架在燃料电池单电池的厚度方向上配置于第1气体扩散层的外周缘部分与第2隔板之间的情况的具体例进行说明。
图1是从第1隔板30侧观察燃料电池单电池100的示意图。此外,在图1中,L是指燃料电池单电池的长度方向,W是指燃料电池单电池的宽度方向。
如图1所示,燃料电池单电池100在第1隔板30侧具有第1气体连通口10a、10f、冷却水连通口10b、10e、以及第2气体连通口10c、10d。
图2是依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。此外,在图2中,左侧是燃料电池单电池的面内方向中的端部方向侧,右侧是燃料电池单电池的面内方向中的中心方向侧。以下,关于图3~7以及图10~15也同样。
如图2所示,依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a具有电极层叠体20。该电极层叠体20具有:膜电极接合体21,在电解质层21p的两侧面上分别层叠有电极催化剂层21q、21r;第1气体扩散层22,以外周缘部分22a从膜电极接合体21的第1面突出的方式层叠于膜电极接合体21的第1面;以及第2气体扩散层23,层叠于膜电极接合体21的第2面。
另外,依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a具有:支承框架50,以从膜电极接合体21分离的方式配置于膜电极接合体21的外周;第1隔板30,层叠于电极层叠体20的第1气体扩散层22侧,固定于支承框架50,且与第1气体扩散层22抵接;以及第2隔板40,层叠于电极层叠体20的第2气体扩散层23侧,固定于支承框架50,且与第2气体扩散层23抵接。
这里,支承框架50在燃料电池单电池100a的厚度方向上配置于第1气体扩散层22的外周缘部分22a与第2隔板40之间。
而且,依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a在第1部分中具有粘接层60,由此,将第1气体扩散层22的比外周缘部分靠内侧的部分22b与膜电极接合体21之间相互粘接。更具体地说,在依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a中,电极催化剂层21q配置于电解质层21p的外周的内侧,在第1气体扩散层22的比外周缘部分靠内侧的部分22b与电解质层21p之间,粘接层60将它们相互粘接。另外,在支承框架50与第2隔板40之间,粘接层60将它们相互粘接。此外,虽未图示,但在电极催化剂层21q的端部存在至电解质层21p的端部的情况下,在第1气体扩散层22的比外周缘部分靠内侧的部分22b与电极催化剂层21q之间,粘接层60能够将它们相互粘接。在这种情况下,若电极催化剂层21q为多孔质,则粘接层60例如可以含浸于电极催化剂层21q的多孔质的部分。
另外,在依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a中,第1隔板30以及第2隔板40通过与上述的粘接层60独立的粘接层70分别固定于支承框架50。
对于依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a而言,在第1部分中,支承框架50特别是其膜电极接合体21侧的前端部分被粘接层60粘接于第2隔板40,并且第1气体扩散层22与膜电极接合体21被粘接层60粘接,因而在向燃料电池单电池100a的面内方向施加应力的情况下、支承框架50因燃料电池单电池100a的发热等而膨胀收缩的情况下、以及燃料电池单电池100a向面内方向中的端部方向或者中心方向即燃料电池单电池100a的端部方向或者中心方向挠曲的情况下,也能够抑制支承框架50与膜电极接合体21的相对位置关系的变化。
另外,对于依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a而言,外周缘部分22a以从膜电极接合体21的第1面突出的方式层叠于膜电极接合体21的第1面,因而膜电极接合体21的两面被第1气体扩散层22以及第2气体扩散层23覆盖,在燃料电池单电池100a的厚度方向上未露出,因而抑制阴极侧以及阳极侧的气体的压力差引起的膜电极接合体21的变形。另外,通过这样的结构,第1气体扩散层22的前端部分未与膜电极接合体21的面接触,因而能够抑制第1气体扩散层22的粗糙的端部例如碳纤维起毛的部分刺入至膜电极接合体21或者损伤膜电极接合体21、以及开孔等导致膜电极接合体21断裂以及/或者破损。
因此,依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a具有较高的机械耐久性。
图3是依照本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
如图3所示,依照本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b除了支承框架50与第2隔板40之间未被粘接层60粘接且在支承框架50与第1气体扩散层22的外周缘部分22a之间由粘接层60将它们相互粘接之外,具有与图2所示的依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a同样的结构。
对于依照本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b而言,在第1部分中,支承框架50特别是其膜电极接合体21侧的前端部分被粘接层60粘接于第1气体扩散层22的外周缘部分22a,并且第1气体扩散层22与膜电极接合体21被粘接层60粘接,因而与依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a中的同样,抑制支承框架50与膜电极接合体21的相对位置关系的变化。
另外,对于依照本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b而言,电极层叠体的结构与依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a同样,因而能够抑制膜电极接合体21断裂以及/或者破损。
因此,依照本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b具有较高的机械耐久性。
另外,图4是依照本公开的第3实施方式的燃料电池单电池100c的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
如图4所示,依照本公开的第3实施方式的燃料电池单电池100c与依照本公开的第1以及第2实施方式的燃料电池单电池100a、100b不同,支承框架50被粘接层60固定于第1隔板30,并且被独立的粘接层70固定于第2隔板40。其他结构与依照图3所示的本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b同样。
根据与图3所示的依照本公开的第2实施方式的燃料电池单电池100b同样的理由,依照本公开的第3实施方式的燃料电池单电池100c具有较高的机械耐久性。
接下来,使用图5~图7对在本公开的燃料电池单电池中支承框架以从第1气体扩散层分离的方式配置于第1气体扩散层的外周的情况下的具体例进行说明。
图5是依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
如图5所示,依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d具备具有与依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a同样的结构的电极层叠体20。
另外,依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d除了支承框架50以从第1气体扩散层22分离的方式配置于第1气体扩散层22的外周之外,与依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a同样,具有第1隔板30以及第2隔板40。
对于依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d而言,在第1部分中,支承框架50特别是其膜电极接合体21侧的前端部分被粘接层60粘接于第2隔板40,并且第1气体扩散层22与膜电极接合体21被粘接层60粘接,因而在向燃料电池单电池100d的面内方向施加应力的情况下、支承框架50因燃料电池单电池100d的发热等而膨胀收缩的情况下、以及燃料电池单电池向面内方向中的端部方向或者中心方向即燃料电池单电池的端部方向或者中心方向挠曲的情况下,也抑制支承框架50与膜电极接合体21的相对位置关系的变化。
另外,对于依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d而言,电极层叠体的结构与依照本公开的第1实施方式的燃料电池单电池100a同样,因而能够抑制膜电极接合体21断裂以及/或者破损。
因此,依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d具有较高的机械耐久性。
图6是依照本公开的第5实施方式的燃料电池单电池100e的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
如图6所示,依照本公开的第5实施方式的燃料电池单电池100e与依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d不同,不具有将支承框架50与第2隔板40固定的独立的粘接层70,取而代之,粘接层60通过向燃料电池单电池的面内方向中的端部方向进一步延伸来将支承框架50与第2隔板40固定。其他结构与图5所示的依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d同样。
根据与图5所示的依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d同样的理由,依照本公开的第5实施方式的燃料电池单电池100e具有较高的机械耐久性。
图7是依照本公开的第6实施方式的燃料电池单电池100f的、沿着与图1的I-I’剖面同样的剖面的剖视图。
如图7所示,依照本公开的第6实施方式的燃料电池单电池100f除了支承框架50与第2隔板40之间未被粘接层60粘接且在支承框架50与第1隔板30之间由粘接层60将它们相互粘接之外,具有与图5所示的依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d同样的结构。
对于依照本公开的第6实施方式的燃料电池单电池100f而言,在第1部分中,支承框架50特别是其膜电极接合体21侧的前端部分被粘接层60粘接于第1隔板30,并且第1气体扩散层22与膜电极接合体21被粘接层60粘接,因而与依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d中的同样,能够抑制支承框架50与膜电极接合体21的相对位置关系的变化。
另外,对于依照本公开的第6实施方式的燃料电池单电池100f而言,电极层叠体的结构与依照本公开的第4实施方式的燃料电池单电池100d同样,因而能够抑制膜电极接合体21断裂以及/或者破损。
因此,依照本公开的第6实施方式的燃料电池单电池100f具有较高的机械耐久性。
最后,使用图8对与本公开的实施方式不同的燃料电池单电池的具体例进行说明。
在图8所示的那样的与本公开的实施方式不同的燃料电池单电池100’中,支承框架50与膜电极接合体21被粘接层60粘接,但第1隔板30以及第1气体扩散层22未与支承框架50粘接。
因此,在燃料电池单电池100’的面内方向例如宽度方向W上对膜电极接合体21与支承框架50施加相互分离的方向或者接近的方向的应力的情况下,支承框架50与膜电极接合体21的相对位置关系容易变化,膜电极接合体21容易破裂。
另外,支承框架50的第1气体扩散层22侧的端部未被粘接于第1隔板,因而支承框架的气体扩散层侧的端部与固定于气体扩散层的膜电极接合体的相对位置关系容易因燃料电池单电池100’的使用时的发热而发生变化,膜电极接合体21容易破裂。
另外,在第1隔板30与膜电极接合体21的外周缘部分21a之间具有粘接层60未粘接于膜电极接合体21的外周缘部分21a的部分,因而膜电极接合体21容易因燃料电池单电池的使用时的阴极侧以及阳极侧的气体的压力差而发生变形。
另外,第1隔板30、第1气体扩散层22以及支承框架50未被粘接层60相互粘接,因而例如在因从燃料电池单电池100’的外部施加应力导致燃料电池单电池100’向面内方向例如宽度方向W中的端部方向或者中心方向即燃料电池单电池100’的端部方向或者中心方向挠曲的情况下,它们的相对位置关系容易发生变化,特别是强度较低的膜电极接合体21容易破裂。
另外,在第1隔板30与膜电极接合体21的外周缘部分21a之间具有粘接层60未粘接于膜电极接合体21的外周缘部分21a的部分,因而该部分的膜电极接合体21容易因燃料电池单电池的使用时的阴极侧以及阳极侧的气体的压力差而发生变形,容易损伤。
并且,第1气体扩散层22的端部与膜电极接合体21直接接触,因而存在如下担忧:在第1气体扩散层22的端部与膜电极接合体21接触的部分,膜电极接合体21因第1气体扩散层22的粗糙的端部而损伤、以及发生开孔。
因此,与本公开的实施方式不同的燃料电池单电池100’跟依照本公开的实施方式的燃料电池单电池相比,具有较低的机械耐久性。
《第2部分》
在本公开的燃料电池单电池中,第2部分的位置不特别限定,但例如可以是第2隔板具有反应气体流路且粘接层容易进入至反应气体流路的位置,更具体地说,可以是具有在燃料电池单电池的厚度方向上反应气体流路配置于与第2气体扩散层的外周缘部分重叠的部分的构造的位置。
另外,在本公开的燃料电池单电池中,第2部分的位置可以是除了第2隔板之外、第1隔板也具有反应气体流路且粘接层容易进入至反应气体流路的位置。
作为这样的位置,如图9的II-II’剖面所处的位置那样,能够配置于与第1气体连通口10a、10f、冷却水连通口10b、10e、以及第2气体连通口10c、10d邻接的区域。
对于本公开的燃料电池单电池而言,在第2部分中,第2隔板具有反应气体流路,遍及第2隔板与第2气体扩散层之间、第2隔板与第1气体扩散层的外周缘部分之间、以及第2隔板与支承框架之间配置有第2盖板,在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,在第1气体扩散层的外周缘部分与第2盖板之间,粘接层粘接于第2盖板,并且在支承框架与第1气体扩散层的外周缘部分之间、支承框架与第1隔板之间、以及/或者支承框架与第2隔板之间,粘接层将它们相互粘接,由此,粘接层能够被相对于第2隔板的反应气体流路隔离。
另外,对于本公开的燃料电池单电池而言,在第2部分中,第1隔板还具有反应气体流路,遍及第1隔板与第1气体扩散层之间、以及第1隔板与支承框架之间配置有第1盖板,在支承框架与第1盖板之间,粘接层将它们相互粘接,由此,粘接层能够被相对于第1隔板以及第2隔板的反应气体流路隔离。
在本公开的燃料电池单电池中,当具有支承框架以从膜电极接合体分离的方式配置于膜电极接合体的外周且在燃料电池单电池的厚度方向上配置于第1气体扩散层的外周缘部分与第2隔板之间的构造的情况下,对于本公开的燃料电池单电池而言,在第2部分中,在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,在第1气体扩散层的外周缘部分与第2盖板之间,粘接层粘接于第2盖板,并且在支承框架与第1气体扩散层的外周缘部分之间、以及/或者支承框架与第2隔板之间,粘接层将它们相互粘接,由此,粘接层能够被相对于第2隔板的反应气体流路隔离。
另外,在支承框架具有同样的结构的情况下,对于本公开的燃料电池单电池而言,在第2部分中,还遍及第1隔板与第1气体扩散层之间、以及第1隔板与支承框架之间配置有第1盖板,在支承框架与第1盖板之间,粘接层将它们相互粘接,并且在支承框架与第1隔板之间,粘接层还将它们相互粘接,由此,粘接层能够被相对于第1隔板的反应气体流路隔离。
另外,在本公开的燃料电池单电池中,当具有支承框架在燃料电池单电池的面内方向上以从第1气体扩散层分离的方式配置于第1气体扩散层的外周的构造的情况下,对于本公开的燃料电池单电池而言,在第2部分中,在第1气体扩散层的比外周缘部分靠内侧的部分与膜电极接合体之间,粘接层将它们相互粘接,在第1气体扩散层的外周缘部分与第2盖板之间,粘接层粘接于第2盖板,并且在支承框架与第1隔板之间、以及/或者支承框架与第2盖板之间,粘接层将它们相互粘接,由此,粘接层被相对于第2隔板的反应气体流路隔离。
另外,在支承框架具有同样的结构的情况下,对于本公开的燃料电池单电池而言,在第2部分中,第1隔板还具有反应气体流路,遍及第1隔板与第1气体扩散层的外周缘部分之间、以及第1隔板与支承框架之间配置有第1盖板,在第2盖板与第1盖板之间,粘接层将它们相互粘接,并且在支承框架与第1盖板之间,粘接层将它们相互粘接,由此,粘接层能够被相对于第1隔板的反应气体流路隔离。
这里,反应气体流路是为了将从燃料电池单电池的外部供给的反应气体向燃料电池单电池的气体扩散层供给或者将在电池反应中未被消耗的反应气体向燃料电池单电池的外部排出而使用的流路。此外,作为反应气体,能够举出阳极气体例如氢气、或者阴极气体例如氧气。
本公开的燃料电池单电池在第2部分中具有上述那样的结构,由此能够通过第1以及第2盖板来抑制粘接层进入至反应气体流路并阻塞反应气体流路,并且能够实现与第1部分中的同样的较高的机械强度。
在本公开的燃料电池单电池中,当具有支承框架以从膜电极接合体分离的方式配置于膜电极接合体的外周且支承框架在燃料电池单电池的厚度方向上配置于第1气体扩散层的外周缘部分与第2隔板之间的构造的情况下,本公开的燃料电池单电池的第2部分具体而言例如能够具有图10~图12所示的那样的结构。
图10是依照本公开的第7实施方式的燃料电池单电池100g的、沿着图9的II-II’剖面的剖视图。此外,在图9中,盖板80配置于与第1气体连通口10a、冷却水连通口10b以及第2气体连通口10c邻接的区域。
如图10所示,对于依照本公开的第7实施方式的燃料电池单电池100g而言,在第2部分中,第2隔板40具有反应气体流路41,遍及第2隔板40与第2气体扩散层23之间、第2隔板40与第1气体扩散层22的外周缘部分22a之间、以及第2隔板40与支承框架50之间配置有第2盖板81,在第1气体扩散层22的比外周缘部分靠内侧的部分22b与膜电极接合体21之间,粘接层60将它们相互粘接,在第1气体扩散层22的外周缘部分22a与第2盖板81之间,粘接层60粘接于第2盖板81,并且在支承框架50与第2隔板40之间,粘接层60将它们相互粘接,由此,粘接层60被相对于第2隔板40的反应气体流路41隔离。
另外,图11是依照本公开的第8实施方式的燃料电池单电池100h的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
如图11所示,依照本公开的第8实施方式的燃料电池单电池100h除了代替在支承框架50与第2隔板40之间而在支承框架50与第1气体扩散层22之间由粘接层60将它们相互粘接之外,具有与依照本公开的第7实施方式的燃料电池单电池100g同样的构造。
并且,图12是依照本公开的第9实施方式的燃料电池单电池100i的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
如图12所示,依照本公开的第9实施方式的燃料电池单电池100i在第2部分中具有如下构造,即第1隔板30具有反应气体流路31,遍及第1隔板30与第1气体扩散层22之间、以及第1隔板30与支承框架50之间配置有第1盖板82,在支承框架50与第1盖板82之间,粘接层60将它们相互粘接,由此,粘接层60被相对于第1隔板30的反应气体流路隔离。
在本公开的燃料电池单电池中,当具有支承框架在燃料电池单电池的面内方向上以从第1气体扩散层分离的方式配置于第1气体扩散层的外周的构造的情况下,本公开的燃料电池单电池的第2部分具体而言例如能够具有图13~图15所示的那样的结构。
图13是依照本公开的第10实施方式的燃料电池单电池100j的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
如图13所示,对于依照本公开的第10实施方式的燃料电池单电池100j而言,在第2部分中,第2隔板40具有反应气体流路41,遍及第2隔板40与第2气体扩散层23之间、第2隔板40与第1气体扩散层22的外周缘部分22a之间、以及第2隔板40与支承框架50之间配置有第2盖板81,在第1气体扩散层22的比外周缘部分靠内侧的部分22b与膜电极接合体21之间,粘接层60将它们相互粘接,在第1气体扩散层22的外周缘部分22a与第2盖板81之间,粘接层60粘接于第2盖板81,并且在支承框架50与第2盖板81之间,粘接层60将它们相互粘接,由此,粘接层60被相对于第2隔板40的反应气体流路41隔离。
另外,图14是依照本公开的第11实施方式的燃料电池单电池100k的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
如图14所示,对于依照本公开的第11实施方式的燃料电池单电池100k而言,在第2部分中,第1隔板30具有反应气体流路31,遍及第1隔板30与第1气体扩散层22的外周缘部分22a之间、以及第1隔板30与支承框架50之间配置有第1盖板82,在第2盖板81与第1盖板82之间,粘接层60将它们相互粘接,由此,粘接层60被相对于第1隔板30的反应气体流路31隔离。其余结构与依照本公开的第10实施方式的燃料电池单电池100j同样。
另外,图15是依照本公开的第12的实施方式的燃料电池单电池100l的、沿着与图9的II-II’剖面同样的剖面的剖视图。
如图15所示,对于依照本公开的第12的实施方式的燃料电池单电池100l而言,在第2部分中,除了依照本公开的第11实施方式的燃料电池单电池100k的构造之外,还在支承框架50与第1盖板82之间由粘接层60将它们相互粘接。
《电极层叠体》
(I)电极层叠体具有下述(a)、(b)以及(c):
(a)膜电极接合体,在电解质层的两侧面上分别层叠有电极催化剂层;
(b)第1气体扩散层,以外周缘部分从膜电极接合体的第1面突出的方式层叠于膜电极接合体的第1面;以及
(c)第2气体扩散层,层叠于膜电极接合体的第2面。
此外,支承框架“以从膜电极接合体分离的方式配置于膜电极接合体的外周”是指支承框架在燃料电池单电池的面内方向上配置于膜电极接合体的外周且未与膜电极接合体接触的状态。
作为更具体的结构,例如可以是支承框架以从膜电极接合体分离的方式配置于膜电极接合体的外周且支承框架在燃料电池单电池的厚度方向上配置于第1气体扩散层的外周缘部分与第2隔板之间的构造。
另外,例如可以是支承框架在燃料电池单电池的面内方向上以从第1气体扩散层分离的方式配置于第1气体扩散层的外周的构造。
〈膜电极接合体〉
膜电极接合体具有电解质层以及层叠于电解质层的两侧面上的电极催化剂层。
(电解质层)
作为电解质层的材料,能够使用能够在燃料电池单电池的电解质层中使用的任意的材料。作为这样的材料,例如能够举出氟类的具有离子传导性的高分子膜,更具体地说,能够举出具备氟磺酸的具有质子导电性的离子交换膜等。
(电极催化剂层)
作为电极催化剂层,能够举出阳极催化剂层以及阴极催化剂层。阳极催化剂层以及阴极催化剂层可以是催化剂金属担载于载体的催化剂的层。
作为催化剂金属,可以是在燃料电池用催化剂中使用的任意的催化剂金属。作为这样的催化剂金属,例如能够举出Pt、Pd、Rh或者包含它们的合金等。
作为载体,可以是能够在燃料电池用催化剂中使用的任意的载体。作为这样的载体,例如能够举出碳载体,更具体地说,能够举出由玻璃碳(glassy carbon)、炭黑、活性炭、焦炭、天然石墨或者人造石墨等构成的碳粒。
〈气体扩散层〉
在本公开中,第1气体扩散层以外周缘部分从膜电极接合体的第1面突出的方式层叠于膜电极接合体的第1面,第2气体扩散层层叠于膜电极接合体的第2面。
第1气体扩散层以及第2气体扩散层的一方是阳极气体扩散层,另一方是阴极气体扩散层。
第1气体扩散层以及第2气体扩散层的材料可以是能够在燃料电池用催化剂的阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层中使用的任意的材料。作为这样的材料,例如能够举出具有导电性的多孔体。作为这样的多孔体,更具体地说,能够举出碳纸、碳布以及玻璃状碳那样的碳多孔体或者金属网以及发泡金属那样的金属多孔体。
《支承框架》
支承框架配置于第1气体扩散层的外周。
支承框架由具有电绝缘性以及气密性的任意的材料形成。作为这样的材料,能够举出结晶性的聚合物,更具体地说,能够举出工程塑料。作为工程塑料,例如能够举出聚萘二甲酸乙二醇酯系树脂(PEN)以及聚对苯二甲酸乙二醇酯系树脂(PET)。
《隔板》
作为隔板,能够举出第1隔板以及第2隔板。
第1隔板层叠于电极层叠体的第1气体扩散层侧,固定于支承框架,且与第1气体扩散层抵接。
第1隔板在与第1气体扩散层对置的面能够具有多个槽,可以通过该槽形成反应气体流路。槽的形状可以是能够将反应气体供给至第1气体扩散层的任意的形状,例如可以是蛇形槽。
另外,第1隔板能够具有第1气体连通口、冷却水连通口以及第2气体连通口。
作为第1隔板的材料,可以是能够作为燃料电池单电池的隔板使用的任意的材料,可以是不透气性的导电性材料。作为这样的材料,例如能够举出压缩碳形成为不透气的致密质碳或冲压成型的金属板等。
第2隔板层叠于电极层叠体的第2气体扩散层侧,固定于支承框架,且与第2气体扩散层抵接。
第2隔板的材料以及构造可以与第1隔板同样。
《粘接层》
粘接层能够使用能够将第1隔板、第1气体扩散层、膜电极接合体、支承框架以及第2隔板相互粘接且在燃料电池单电池的使用条件下也能够维持这些部件的粘接的任意的粘接剂的层。
作为这样的粘接剂,能够使用热塑性树脂、热固化性树脂以及UV固化性树脂等粘接性树脂,但并不限定于这些。此外,在使用热塑性树脂作为粘接剂的情况下,优选使用软化点比燃料电池单电池的使用时的发热温度高的热塑性树脂。
《盖板》
作为第1以及第2盖板的材料,只要是能够被粘接层与第1或者第2气体扩散层、膜电极接合体以及支承框架粘接的片状的材料就不特别限定。作为这样的材料,例如能够举出钛、不锈钢、聚苯硫醚(PPS)及聚丙烯(PP)等。
此外,本公开的说明中使用的全部图的主旨并不在于限定本公开的燃料电池单电池的结构以及构造等。
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