燃料电池单元

技术领域

本公开涉及燃料电池单元。

背景技术

燃料电池是通过含有氧的氧化剂气体与含有氢的燃料气体的化学反应来产生电能的电池。作为燃料电池(燃料电池堆)的基本单位的单体(单电池)一般具备在固体高分子电解质膜的两面上形成了电极催化剂层的膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)。在MEA的外侧配置有气体扩散层(GDL：Gas Diffusion Layer)。在气体扩散层的外侧配置有具有气体流路的分隔件。

并且，燃料电池单元至少具备燃料电池堆以及电力变换器。并且，燃料电池单元通常具备对燃料电池的运转进行辅助的辅助设备。例如，在日本特开2017-135093所公开的燃料电池单元中，电抗器的排列与单电池的层叠方向大致平行的转换器配置于燃料电池堆的上方或下方。

发明内容

在将燃料电池单元搭载于例如燃料电池车辆(FCEV)的情况下，优选燃料电池单元的搭载性(设置性)良好。本公开提供一种搭载性良好的燃料电池单元。

本公开的燃料电池单元具备燃料电池堆、以对上述燃料电池堆的电力进行变换的方式构成的电力变换器、作为以对上述燃料电池堆的运转进行辅助的方式构成的辅助设备的至少第一辅助设备。上述电力变换器配置于上述燃料电池堆的第一面。上述辅助设备经由电池堆歧管而与上述燃料电池堆的第二面连接。上述第一面的法线方向和上述第二面的法线方向交叉。在从上述辅助设备侧观察上述燃料电池单元的俯视角度下，将由上述第一辅助设备的外缘包围的区域设为区域A，将由上述燃料电池堆的外缘包围的区域设为区域B1，将由上述电力变换器的外缘包围的区域设为区域B2，将上述区域B1以及上述区域B2相加的区域设为区域B3。上述区域A与上述区域B1的至少一部分以及上述区域B2的至少一部分重叠，上述区域A全部包含在上述区域B3的内侧。

上述燃料电池单元也可以具有作为上述辅助设备的第二辅助设备。在上述俯视角度下，在将由上述第二辅助设备的外缘包围的区域设为区域C的情况下，也可以是，上述区域C全部包含在上述区域B1以及上述区域B2中的某一方的内侧。

作为上述辅助设备，上述燃料电池单元也可以不具有从上述区域B3突出的辅助设备。

上述第一辅助设备可以为气液分离器、加湿器以及喷射器中的至少一个。

上述燃料电池单元也可以具有作为上述电力变换器的转换器以及逆变器。也可以从上述第一面侧按顺序配置上述转换器以及上述逆变器。

上述燃料电池单元可以是，与上述区域B1重叠的上述区域A的部分占整个上述区域A的比例为50％以上。

上述燃料电池单元可以是，与上述区域B2重叠的上述区域A的部分占整个上述区域A的比例为50％以上。

在本公开中，起到能够提供一种搭载性良好的燃料电池单元这样的效果。

附图说明

本发明的实施方式的特征、优点、技术及工业意义通过参照附图如下来描述，其中相同的数字表示相同的元件。

图1A是本公开中的燃料电池单元的从辅助设备侧俯视的概略俯视图。

图1B是本公开中的燃料电池单元的从图1A的纸面左右方向观察的概略俯视图。

图2A是比较例的燃料电池单元的从辅助设备侧俯视的概略俯视图。

图2B是比较例的燃料电池单元的从图2A的纸面左右方向观察的概略俯视图。

图3是例示本公开中的燃料电池单元的概略俯视图。

图4是例示本公开中的燃料电池单元的概略俯视图。

图5A是例示本公开中的燃料电池单元的概略俯视图。

图5B是例示本公开中的燃料电池单元的概略俯视图。

图6A是例示本公开中的燃料电池堆的概略截面图。

图6B是例示本公开中的单电池的概略截面图。

图7A是例示本公开中的燃料电池单元的概略俯视图。

图7B是例示本公开中的燃料电池单元的概略俯视图。

具体实施方式

以下，对于本公开中的燃料电池单元详细地进行说明。以下所示的各图是示意性地示出的图，各部的大小、形状为了容易理解而适当夸大。并且，在本说明书中，在表达相对于某部件而配置其他的部件的方案时，在只表述为“上方”或“下方”的情况下，除非另有说明，否则包括以与某部件接触的方式将其他的部件配置于正上方或正下方的情况和在某部件的上方或下方经由别的部件而配置其他的部件的情况这两者。

图1A以及图1B是例示本公开中的燃料电池单元的概略俯视图。图1A是燃料电池单元的从辅助设备侧俯视的俯视图。图1B是燃料电池单元的从图1A的纸面左右方向观察的俯视图。如图1A以及图1B所示，燃料电池单元100具有燃料电池堆10、对燃料电池堆10的电力进行变换的电力变换器20、对燃料电池堆10的运转进行辅助的辅助设备30。并且，如图1A以及图1B所示，电力变换器20配置于燃料电池堆10的第一面X。辅助设备30经由电池堆歧管(不图示)而与燃料电池堆10的第二面Y连接。并且，如图1B所示，第一面X的法线方向M和第二面Y的法线方向N交叉。并且，作为辅助设备30，燃料电池单元100具有第一辅助设备30A。而且，如图1A所示，在从辅助设备30侧观察燃料电池单元100的俯视角度下，在将由第一辅助设备30A的外缘包围的区域设为区域A、将由燃料电池堆10的外缘包围的区域设为区域B1、将由电力变换器20的外缘包围的区域设为区域B2、将区域B1以及区域B2相加的区域设为区域B3的情况下，区域A与区域B1的至少一部分以及区域B2的至少一部分重叠，区域A全部包含在区域B3的内侧。

根据本公开，在从辅助设备30侧观察燃料电池单元100的俯视角度下，由第一辅助设备30A的外缘包围的区域A与由燃料电池堆10的外缘包围的区域B1的至少一部分以及由电力变换器20的外缘包围的区域B2的至少一部分重叠，且区域A全部包含在区域B1以及区域B2相加的区域B3的内侧。因此，成为搭载性良好的燃料电池单元100。

使用图2A以及图2B来说明本公开中的燃料电池堆10的效果。图2A是与图1A对应的俯视图，图2B是与图1B对应的俯视图。如图2A以及图2B所示，在辅助设备30从燃料电池堆10以及电力变换器20突出的情况下，搭载燃料电池堆的空间额外需要图中用虚线包围的区域，因此搭载性恶化。相对于此，在本公开中的燃料电池单元中，如图1A所示，由第一辅助设备30A的外缘包围的区域A全部包含在由燃料电池堆10的外缘包围的区域B1以及由电力变换器20的外缘包围的区域B2相加的区域B3的内侧。因此，能够使燃料电池单元100的搭载性良好。

在此，燃料电池堆10以及电力变换器20通常分别收纳于燃料电池壳体以及电力变换器壳体。因此，在本公开中，区域B1能够理解为由燃料电池壳体的外缘包围的区域。同样，区域B2能够理解为由电力变换器壳体的外缘包围的区域。并且，在本公开中，区域的“内侧”也包括区域的外缘部分。

如图1A以及图1B所示，本公开中的电力变换器20配置于燃料电池堆10的第一面X。第一面X的法线方向M既可以与后述的燃料电池(单电池)的层叠方向D(图6A)平行，也可以与单电池的层叠方向D正交。并且，燃料电池堆10的第一面X优选为燃料电池堆10的重力方向的下侧的面。在此，本公开中“平行”不仅包括严格的平行，还包括两个方向构成的角度为10°以下的情况。上述角度也可以为5°以下。并且，本公开中“正交”不仅包括严格的正交，还包括两个方向构成的角度为80°以上且100°以下的情况。上述角度也可以为85°以上且95°以下。

如图1A以及图1B所示，本公开中的辅助设备30与燃料电池堆10的第二面Y连接。第二面Y的法线方向N既可以与后述的燃料电池(单电池)的层叠方向D平行，也可以与单电池的层叠方向D正交。关于“平行”以及“正交”，和上述一样。并且，第一面X的法线方向M和第二面Y的法线方向N交叉。法线方向M和法线方向N既可以正交，也可以不正交，不过优选正交。关于“正交”，和上述一样。

本公开中的燃料电池单元100具有作为辅助设备30的第一辅助设备30A。关于第一辅助设备30A，区域A与区域B1的至少一部分以及区域B2的至少一部分重叠。例如如图1A所示，与区域B1重叠的区域A的部分占整个区域A的比例可以为50％以上。另一方面，如图3所示，与区域B2重叠的区域A的部分占整个区域A的比例可以为50％以上。并且，与区域A重叠的区域B1的部分占整个区域B1的比例为例如5％以上，也可以为10％以上。另一方面，与区域A重叠的区域B1的部分占整个区域B1的比例为100％以下，也可以为70％以下，还可以为50％以下。与区域A重叠的区域B2的部分占整个区域B2的比例和上述区域B1相同。

并且，关于本公开中的第一辅助设备30A，区域A全部包含在区域B3的内侧。与区域A重叠的区域B3的部分占整个区域B3的比例为例如5％以上，也可以为10％以上，还可以为30％以上。另一方面，与区域A重叠的区域B3的部分占整个区域B3的比例为例如90％以下，也可以为70％以下，还可以为50％以下。

并且，如图1A所示，在上述俯视角度下，第一辅助设备30A也可以沿燃料电池堆10的第一面X的法线方向M延伸。另一方面，如图4所示，在上述俯视角度下，第一辅助设备30A也可以沿与燃料电池堆10的第一面X的法线方向M交叉的方向延伸。交叉既可以是正交，也可以不是正交。关于正交，如上述那样。并且，在上述俯视角度下，第一辅助设备30A的形状(区域A的平面形状)既可以为正方形以及长方形等矩形，也可以为三角形等多边形状，还可以为圆以及椭圆等圆形状，还可以为多边形状以及圆形状组合而成的形状。需要说明的是，“多边形状”不仅包括严格的多边形，还包括将与多边形的角相当的部位形成为圆弧状的形状。

图5A以及图5B是例示本公开中的燃料电池单元100的概略俯视图，是燃料电池单元100的从未图示的辅助设备侧俯视的图。如图5A所示，在燃料电池单元100中，区域B1的宽度W1和区域B2的宽度W2可以相同。另一方面，如图5B所示，在燃料电池单元100中，区域B1的宽度W1和区域B2的宽度W2可以不同。“相同”是指后述的W2/W1为0.95以上且1.05以下。在宽度W1和宽度W2不同的情况下，与W1相对的W2的比例(W2/W1)为例如0.5以上，也可以为0.7以上，还可以为0.9以上。另一方面，W2/W1为例如1.2以下。在此，“宽度W1”是指如图5A以及图5B所示的那样从辅助设备侧俯视燃料电池单元100的情况下的燃料电池堆10的第一面X的长度。并且，“宽度W2”是指从辅助设备侧俯视燃料电池单元100的情况下的与燃料电池堆10的第一面X相对的电力变换器20的面Z的长度。

并且，如图5A以及图5B所示，区域B1以及区域B2的形状(平面形状)可以分别为四边形。“四边形”不仅包括严格的四边形，还包括将与四边形的角相当的部位形成为圆弧状的形状。并且，区域B3的平面形状既可以如图5A所示的那样为四边形，也可以如图5B所示的那样为凸形状。“凸形状”不仅包括严格的图5B的凸形状，还包括将与凸形状的角相当的部位形成为圆弧状的形状。

1.燃料电池堆

图6A以及图6B是例示本公开中的燃料电池堆10以及燃料电池(单电池40)的概略截面图。如图6A所示，本公开中的燃料电池堆10通常具有将多个单电池40层叠的层叠构造。单电池40的数目(层叠数)通常为2以上，也可以为5以上，还可以为10以上。如上述那样，多个单电池40的层叠方向D既可以与图1A等所示的燃料电池堆10的第一面X的法线方向M平行，也可以正交。并且，多个单电池40的层叠方向D既可以与图1B等所示的燃料电池堆10的第二面Y的法线方向N平行，也可以正交。需要说明的是，如图6A所示，优选单电池40的层叠方向D的端部处的燃料电池堆10的面为第二面Y。

并且，如图6A所示，本公开中的燃料电池堆10通常收纳于燃料电池壳体50。在燃料电池壳体50上通常形成有用于将燃料电池堆10(图1A等)与电力变换器20(图1A等)电连接的开口部。燃料电池壳体50的材料并未特别限定，可以为各种各样的材料。

燃料电池堆10的形状优选作为整体为长方体形状。“长方体形状”不仅包括严格的长方体，还包括能够近似于长方体形状的形状。需要说明的是，燃料电池堆10的形状也能够理解为燃料电池壳体50的形状。

如图6B所示，燃料电池(单电池)40具有将阴极侧气体扩散层41、阴极催化剂层42、电解质膜43、阳极催化剂层44、阳极侧气体扩散层45按该顺序层叠的膜-电极接合体(MEA)46、夹持MEA46的两块分隔件47、48。

作为电解质膜43，可列举例如全氟磺酸膜等氟系电解质膜以及非氟系电解质膜。作为非氟系电解质膜，可列举例如碳化氢系电解质膜。电解质膜43的厚度为例如5μm以上且100μm以下。

阴极催化剂层42以及阳极催化剂层44例如具备促进电化学反应的催化剂金属、载持催化剂金属的母材、具有质子传导性的电解质以及具有电子传导性的碳颗粒。作为催化剂金属，可列举例如Pt(铂)、Ru(钌)等金属单体、包含Pt的合金。作为电解质，可列举例如氟系树脂。并且，作为母材以及导电材料，可列举例如碳等碳材料。阴极催化剂层42以及阳极催化剂层44的厚度例如分别为5μm以上且100μm以下。

阳极侧气体扩散层45以及阴极侧气体扩散层41也可以为具有气体透过性的导电性部件。作为导电性部件，可列举例如碳布以及碳纸等碳多孔质体、金属网以及发泡金属等金属多孔质体。阳极侧气体扩散层45以及阴极侧气体扩散层41的厚度例如分别为5μm以上且100μm以下。

分隔件47也可以在与阴极侧气体扩散层41相对的面上具有气体路径。分隔件48也可以在与阳极侧气体扩散层45相对的面上具有气体路径。作为分隔件47、48的材料，能够列举例如不锈钢等金属材料以及碳复合材料等碳材料。需要说明的是，该分隔件47、48具有电子传导性，也作为产生的电的集电体起作用。

2.电力变换器

关于本公开中的电力变换器20的位置，和上述一样。并且，本公开中的电力变换器20通常收纳于电力变换器壳体。在电力变换器壳体上通常形成有用于将燃料电池堆10与电力变换器20电连接的开口部。电力变换器壳体的材料并未特别限定，能够为各种各样的材料。

电力变换器20只要是对燃料电池堆10的电力进行变换的部件即可，并未特别限定。电力变换器20既可以为升压转换器、降压转换器、升压和降压均能够进行的升降压转换器等转换器，也可以为将直流电力转换成交流电力的逆变器。并且，作为电力变换器20，燃料电池单元100既可以具有上述设备中的一种，也可以具有两种以上。例如，在燃料电池单元100具有转换器以及逆变器作为电力变换器20的情况下，优选从上述第一面X侧按顺序配置转换器以及逆变器。不用使由燃料电池堆10发电产生的电迂回而能够向转换器以及逆变器流动，燃料电池单元100的搭载性变得更良好。

3.辅助设备

本公开中的辅助设备30经由电池堆歧管而与燃料电池堆10连接。并且，本公开中的燃料电池单元100作为辅助设备30至少具有第一辅助设备30A。关于辅助设备30以及第一辅助设备30A的位置，如上述那样。电池堆歧管是向燃料电池堆10供给例如氧化剂气体、燃料气体以及冷却水的配管零件。电池堆歧管的形状以及材质并未特别限定，能够适当调整。

第一辅助设备30A的种类并未特别限定，可列举例如气液分离机、加湿器以及喷射器等与燃料电池堆10的水循环有关的设备。并且，燃料电池单元100既可以仅具有一个第一辅助设备30A，也可以具有两个以上的第一辅助设备30A。

并且，本公开中的燃料电池单元100作为辅助设备30也可以具有第二辅助设备30B。如图7A以及图7B所示，在上述俯视角度下，由第二辅助设备30B的外缘包围的区域C全部包含在上述的区域B1以及区域B2中的某一方的内侧。如图7A所示，可以是区域C全部包含在区域B1的内侧。另一方面，如图7B所示，可以是区域C全部包含在区域B2的内侧。

并且，关于上述俯视角度下的第二辅助设备30B的形状以及第二辅助设备30B的延伸方向，能够与针对第一辅助设备30A进行说明的形状以及方向相同。

作为第二辅助设备30B，可列举例如气液分离机、加湿器以及喷射器等与燃料电池堆10的水循环有关的设备。并且，燃料电池单元100既可以仅具有一个第二辅助设备30B，也可以具有两个以上的第二辅助设备30B。

并且，本公开中的燃料电池单元100作为辅助设备30优选不具有从区域B3突出的辅助设备30。燃料电池单元100的搭载性变得更良好。

4.燃料电池单元

作为本公开中的燃料电池单元100的用途，可列举例如燃料电池车(FCEV)等车辆。并且，本公开中的燃料电池单元100也可以使用于除车辆以外的移动体(例如铁路、船舶、飞机)，还可以使用于移动体以外。

本公开并不限定于上述实施方式。上述实施方式是示例，对于具有与本公开中的权利要求书所记载的技术思想实质上相同的结构并起到同样的作用效果的发明，不管是什么样的发明都包含于本公开中的技术范围。