CN101669244B - 燃料电池用电池组及搭载燃料电池的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池组。该燃料电池组具备：层积体，将具有发电体和隔板中至少一方的功能的板层积多个而成；一对端板，从层积方向的外侧夹持层积体；偏移抑制部件，在单体电池层积体的层积方向上延伸而与一对端板连接；以及可变形的中间材料，跨越两个以上的板而配置在层积体和偏移抑制部件之间。两个以上的板和偏移抑制部件中的至少一方在与中间材料相接的面的至少一部分上形成有凹凸形状。其结果是，燃料电池组通过简单的构成，能够提高相对于向与层积方向垂直的面内方向的惯性力的耐性。

Description

燃料电池用电池组及搭载燃料电池的车辆

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用电池组。

背景技术

以往，作为可搭载于车辆的燃料电池用电池组的结构，提出了一种将作为发电体起作用的板和作为隔板起作用的板交互层积多个而成的构成。这样的结构为单体的情况下存在以下问题：相对于向垂直于板的层积方向(在本说明书中，仅称为层积方向)的方向(在本说明书中，仅称为面内方向)的惯性载荷的耐性较弱。这是由于相对于向层积方向的惯性载荷，各板能够在面压方向上产生阻力，与此相比，相对于向面内方向的惯性载荷，通过作用于板相互间的摩擦力产生阻力。因此，例如日本特开2006-108009号公报所公示的，也提出了如下结构：该结构构成为在各板的外周具有凹部，并且通过具有与该凹部嵌合的形状的罩壳来抑制向面内方向的偏移。

但是，当进行这样的嵌合的约束时，惯性载荷集中于嵌合部。因此，需要提高罩壳及板的外周的刚性，其结果成为重量增加的主要原因。此外，对这样的约束而言，对于各板及罩壳的形状也要求严格的形状公差及组装精度。

发明内容

本发明是为了解决所述的课题而做出的，其目的在于提供一种技术，该技术通过燃料电池组的简单构成，强化相对于向与层积方向垂直的面内方向的惯性载荷的耐性。

为解决所述课题的至少一部分，本发明提供一种燃料电池组。该燃料电池组，具备：

层积体，将具有发电体和隔板中至少之一方的功能的板层积多个而成；

一对端板，从层积方向的外侧夹持所述层积体；

偏移抑制部件，在所述层积体的层积方向上延伸而与所述一对端板连接；以及

可变形的中间材料，跨越两个以上的所述板而配置在所述层积体和所述偏移抑制部件之间，

所述两个以上的板和所述偏移抑制部件中的至少一方在与所述中间材料相接的面的至少一部分上形成有凹凸形状。

在本发明的燃料电池组中，跨越两个以上的板，在层积体和偏移抑制部件之间配置可变形的中间材料，两个以上的板和偏移抑制部件中的至少一方在与中间材料相接的面的至少一部分上形成有凹凸形状。该凹凸形状在与可变形的中间材料之间形成嵌合状态，能够附加较大的摩擦力。形成该嵌合状态不必考虑凹凸形状的嵌合度，因此能够容易实现嵌合状态。

在此，对“中间材料”的变形来说，包含如下各种变形：(1)按压中间材料为氨基甲酸乙酯片材或橡胶这样的弹性体的情况下的板、偏移抑制部件时的弹性变形；(2)中间材料为树脂、粘接剂这样的硬化性材料的情况下的硬化前的变形。进而，所谓“具有发电体和隔板中至少一方的功能的板层积多个而成的层积体”，例如包含如下各种方式：“将具有发电体功能的板和具有隔板功能的板交互层积多个而成的层积体”、“将具有发电体和隔板双方功能的板层积多个而成的层积体”、或“将从具有发电体功能的板的两端夹持具有隔板功能的2个板的板组层积多个而成的层积体”。

所述燃料电池组，

还具备连接部件，该连接部件在所述层积体的层积方向的两端对所述一对端板沿所述层积方向压缩施力，

所述连接部件和所述偏移抑制部件在结构上也可以形成一体。这样，通过连接部件和偏移抑制部件的结构上的一体化，能够进一步增大偏移抑制部件的刚性。

所述燃料电池组，进而，

所述中间材料为弹性体，

所述偏移抑制部件对所述层积体沿与所述层积方向垂直的方向压缩施力。这样，能够简单地再现嵌合状态，因此能够实现组装性或再利用性的提高。

所述燃料电池组，

还可以具备带状部件，该带状部件具有以所述层积方向为轴覆盖且封闭所述层积体及所述偏移抑制部件周围的形状，从所述层积体的外周侧对所述偏移抑制部件压缩施力。这样，能够通过产生于带状部件的拉伸载荷，有效地增大偏移抑制部件的作用力。

本发明作为搭载燃料电池的车辆也能够实现。搭载该燃料电池的车辆具备：

燃料电池，具有燃料电池组；及

驱动部，与来自所述燃料电池的电力的供给对应地驱动所述车辆，

所述燃料电池组具备：

层积体，将具有发电体和隔板中至少一方的功能的板层积多个而成；

一对端板，从所述层积体的层积方向的外侧进行夹持；

偏移抑制部件，在所述单体电池层积体的层积方向上延伸而与所述一对端板连接；以及

可变形的中间材料，跨越两个以上的所述板而配置在所述层积体和所述偏移抑制部件之间，

所述两个以上的板和所述偏移抑制部件中的至少一方在与所述中间材料相接的面的至少一部分上0形成有凹凸形状。

另外，本发明还可以通过燃料电池、燃料电池组制造方法等各种各样的方式实现。

附图说明

图1A是表示作为本发明实施例的车辆的构成的说明图；

图1B是表示作为本发明第1实施例的中间制品的燃料电池组100h的构成的说明图；

图2是从上侧观察作为中间制品的燃料电池组100h的图；

图3是表示第1实施例的燃料电池组100的构成的说明图；

图4是表示第1实施例的燃料电池组100的剖面AA的说明图；

图5是表示本发明的第2实施例的组装前的燃料电池组100a的构成的说明图；

图6是表示第2实施例的偏移抑制部件200a和两个双头螺栓121a结合而结构上形成一体的情况的说明图；

图7是表示本发明的第2实施例的组装后的燃料电池组100a的构成的说明图；

图8是表示第2实施例的变形例的偏移抑制部件200b和两个双头螺栓121a结合而在结构上形成一体的情况的说明图。

具体实施方式

基于实施例，对本发明的实施方式进行说明。

A.本发明的第1实施例的燃料电池组的构成：

图1A是表示作为本发明实施例的搭载了燃料电池组的车辆的构成的说明图。如图所示，该车辆300具备燃料电池组100、作为车辆300的驱动源的电动机330、及利用从燃料电池组100得到的电力来驱动电动机330的驱动电路340。来自电动机330的动力经由齿轮箱320而向一对驱动用车轮310传递。电动机330为使用永磁体的三相电动机，驱动电路340通过未图示的开关元件进行切换，从而将从燃料电池组100得到的直流作为三相交流的驱动电力供给到电动机330。

接着，对燃料电池组100进行说明。图1B是表示组装实施例的燃料电池组100的中途的状态的说明图。实际的燃料电池组100组装有后述的偏移抑制部件200，但为了说明本实施例的偏移抑制部件200的动作，对安装偏移抑制部件200前的燃料电池组(以下，称作作为中间制品的燃料电池组100h)进行说明。作为中间制品的燃料电池组100h具备层积体110、从层积方向(图1中，左右方向)的两端夹持层积体110的一对端板150、160、及为实现由一对端板150、160进行的夹持而将一对端板150、160连接的四组的螺栓121及螺母122。在构成作为中间制品的燃料电池组100h的各板上设有用于供给燃料气体或冷却液的开口，将各板层积，由此各板的开口形成用于供给燃料气体或冷却液的岐管孔M1～M6。

图1B的坐标系表示将燃料电池组100h搭载于车辆300上时假定的各方向。图1B所示的前后方向相当于车辆的前后方向，另外，左右方向和上下方向分别相当于车辆的左右方向和上下方向。通常，在车辆的设计时，考虑碰撞或追尾，假定在前后方向上施加最大的冲撞，以因该冲撞而施加于燃料电池组的力为前提来设计燃料电池组。

图2是从图1B的坐标系的上侧观察的作为中间制品的燃料电池组100h的图。在本实施例中，层积体110作为将多个板10a～10u层积而成的层积体而构成。多个板10a～10u包含发电体和隔板。另外，之所以由板10a～10u构成层积体110，是为了说明上的方便，实际的燃料电池组通常层积更多的板。另外，假如车辆发生追尾等的话，根据碰撞的方式施加各种各样的力，但是，在此为了说明上的方便，假定车辆追尾，并只在前后方向急速停止运动的情况。

此时，在车辆上作用有负的加速度(减速度)α。

燃料电池组110h的端板150、160固定在车辆上，进行与车辆300相同的运动。因此，当因追尾而对车辆施加减速度α时，在多个板10a～10u上分别作用惯性力I。设板10a～10u各自的质量为m时，惯性力I为：

I＝m·α。

因此，如果各板的质量相等，则各板受到相同的惯性力I。在图2中，以前方向的箭头表示惯性力I。

在作为中间制品的燃料电池组110h中，各板10a～10u被端板150、160夹持而被加压，因此在各板10a～10u间作用摩擦力(静止摩擦力)F。如果设按压各板10a～10u间的面的力为P，则当设静摩擦系数为ρ时，最大摩擦力F为：

F＝ρ·P。

在图2中，以向后的箭头表示摩擦力F。

当由于追尾等而在各板10a～10u上作用惯性力I时，直到最大摩擦力F为止，摩擦力作为反力起作用，各板10a～10u不动。因此，各板10a～10u也不发生偏移。如果作用于各板10a～10u的惯性力I与最大摩擦力F相比为以下关系：

F＞I

则各板10a～10u不改变相对的位置关系，即不发生偏移。

由于碰撞等而作用减速度的情况下，作为中间制品的燃料电池组110h的板10a～10u的各自的惯性力和摩擦力的关系如下所示。对于位于层积的大致中心的板10k，根据板10k单体的惯性力和在与两侧的板10j、10L之间作用的摩擦力的关系决定板10k动作。与此相对，如果考虑板10a的话，则相对于固定的端板150，根据板10a～10j的惯性力和板k的惯性力的一半之和与摩擦力的关系，决定板10a的动作。在此，摩擦力为在板10a和端板150之间作用的摩擦力。这是由于如果从端板150、160观察，由于急减速，层积的全部板10a～10u成为一体地动作。无论哪个板，如果最大摩擦力F大于从一个板向另一个板观察时的惯性力I，就不会产生偏移，但是如果惯性力I高于最大摩擦力F，则相对另一个板发生移动，其结果是发生偏移。

这样，作为中间制品的燃料电池组100h在向与层积方向(左右方向)垂直的方向(面内方向)施加了惯性力的情况下，通过板10a～10u的相互间的摩擦力或与端板150、160的摩擦力来对在层积方向上累积的惯性力产生抵抗力。最大摩擦力F与使板彼此按压的力P成比例，但燃料电池组的加压力P在燃料电池组的结构上不能无限地增大，因此只通过摩擦力F实现期待的阻力有时会比较困难。因此，在本实施例中，将偏移抑制部件200安装于作为中间制品的燃料电池组110h上，制造满足作为制品的规格的燃料电池组110。

图3是表示第1实施例的燃料电池组100的构成的说明图。燃料电池组100通过14个螺栓220将偏移抑制部件200固定于作为中间制品的燃料电池组100h上而进行制造。偏移抑制部件200具有对应层积体110的层积方向的长度的全长，并通过14个螺栓220连接在一对端板150、160上。

图4是表示第1实施例的燃料电池组100的剖面AA的说明图。在偏移抑制部件200和层积体110之间介装有兼备绝缘性和弹性的氨基甲酸乙酯片材210。氨基甲酸乙酯片材210的厚度比偏移抑制部件200和层积体110之间的间隙厚。因此，当将偏移抑制部件200固定在端板150、160上时，氨基甲酸乙酯片材210被压缩，从而强有力地挤压层积体110的上下方向端面。

在本实施例中，在偏移抑制部件200和层积体110这两者与氨基甲酸乙酯片材210接触的面上形成有凹凸形状。在图4中，以局部放大图BB表示氨基甲酸乙酯片材210和板10d的接触部。该凹凸形状是为了在偏移抑制部件200、层积体110的各板10a～10u和氨基甲酸乙酯片材210之间形成嵌合状态并增大摩擦系数而赋予的。该凹凸形状可通过喷砂或喷镀、切削等的使表面形状改变的加工来实现。例如，喷砂能够实现Ra0.2～20μm、Rz1～120μm位(JISB0601-1994)这样比较小的表面粗糙度(不规则的凹凸)，另一方面，喷镀能够实现Ra15～40μm、Rz80～200μm位(JIS B0601-1994)这样比较大的表面粗糙度(不规则的凹凸)。另外，切削还能够实现较大的凹凸形状(规则或不规则的凹凸)。

这样，形成于偏移抑制部件200、层积体110上的凹凸形状，如图4的放大图BB所示，当按压具有弹性的氨基甲酸乙酯片材210时，氨基甲酸乙酯片材210发生变形。其结果是成为与两者正好嵌合相同的状态。当得到这样的嵌合状态时，在各板10a～10u的上下方向端面产生较大的摩擦力E。其结果是，板发生偏移根据惯性力I和板彼此的最大摩擦力F及与偏移抑制部件210之间的最大摩擦力E的总和的大小关系决定。

根据该实施例的构成，即使不严格要求偏移抑制部件210、板端面的形状公差，也能够得到较大的摩擦力。此外，经由摩擦力而接受载荷的偏移抑制部件200在载荷的方向(前后方向)上具有较大的宽度，因此能够增大与板端面的接触面积，并且在惯性力的方向上具有较大的刚性，能够有效地抑制偏移的发生。

这样，在第1实施例中，通过具有弹性的氨基甲酸乙酯片材210和具有较大的刚性的偏移抑制部件200这样简单的构成，有效地实现对偏移的抑制。

另外，在第1实施例中，在层积体110和偏移抑制部件200之间配置了氨基甲酸乙酯片材210，但是例如也可以是橡胶等的弹性体，也可以是环氧玻璃等树脂或粘接剂这样的中间材料。即使这样，也能够简单地形成与层积体110、偏移抑制部件200的凹凸面之间的嵌合状态。但是，在使用粘接剂时，优选通过将塑料膜夹于与层积体110和偏移抑制部件200中的至少一个之间来提高组装性或再利用性。另外，优选根据这些材料的种类，选择凹凸形状的表面粗糙度或限制性(不规则性)。

B：本发明的第2实施例的燃料电池组的构成：

图5是表示本发明的第2实施例的组装前的燃料电池组100a的构成的说明图。第2实施例组装前的燃料电池组100a在如下方面与第一实施例不同：作为将夹持层积体110a的端板150a、160a连接的4组连接部件的双头螺栓121a、122a与第2实施例的偏移抑制部件200a(后述)结合，在结构上形成一体。另外，在图5中，为了易于说明，省略了偏移抑制部件200a的图示。另外，图5的坐标系表示燃料电池组100ha搭载于车辆(未图示)时所假定的各方向。

端板150a、160a通过4个双头螺栓121a和8个螺栓122a连接，以在层积体110a的层积方向的两端夹持层积体110a。4个双头螺栓121a通过端板150a具有的4个限制器152和端板160a具有的4个限制器162限制向与层积方向垂直的方向(前后方向和上下方向)的动作。

图6是表示第2实施例的偏移抑制部件200a和两个双头螺栓121a通过焊接或未图示的连接部件结合，在结构上形成一体的情况的说明图。这样结构上的一体化是为了通过两个双头螺栓121a限制偏移抑制部件200a的端部的面外的变形，并进一步增大偏移抑制部件200a的刚性而进行的。偏移抑制部件200a与第1实施例同样，在载荷的方向(前后方向)具有较大的宽度，因此在载荷的方向上具有较大的刚性，在第2实施例中，限制偏移抑制部件200a的端部的面外的变形，进一步增大刚性。此外，在第2实施例中，通过限制器152、162限制偏移抑制部件200a的角度，进一步增大刚性。

在偏移抑制部件200a及两个双头螺栓121a上粘接有具有弹性的氨基甲酸乙酯片材210a。氨基甲酸乙酯片材210a与第1实施例同样，是为了在偏移抑制部件200a和层积体110a之间产生较大的摩擦力、抑制各板的偏移而装备的。

图7是表示本发明的第2实施例的组装后的燃料电池组100a的构成的说明图。图7中表示安装有使两个双头螺栓121a和偏移抑制部件200a形成为一体而构成的结构部件230(图6)的情况。

即使由车辆的碰撞等而在第2实施例的燃料电池组100a上作用惯性力I，通过作用于相邻板间的摩擦力和在偏移抑制部件200a上经由氨基甲酸乙酯片材210a作用于各板的上下方向端面的摩擦力，也能够有效地抑制板的偏移。通过氨基甲酸乙酯片材210a的弹力性和形成于层积体110a的上下方向端面的凹凸形状，两者成为嵌合状态，因此随着大的摩擦系数，能够得到较大的最大摩擦力。而且，偏移抑制部件200a通过两个双头螺栓121a被牢固地固定，将氨基甲酸乙酯片材210a强有力地按压在层积体110a的上下方向端面上，因此即使利用这一点，也能够实现摩擦力的增大。

另外，接着，偏移抑制部件200a经由高刚性的结构零件230(图6)而与端板150a、160a的限制器152、162抵接，所述高刚性的结构零件230通过与两个双头螺栓121a的一体化而实现，因此对层积体110a的变形或偏移来说，即使利用这一点也可以被抑制。

这样，在第2实施例中，具备将夹持层积体110a的一对端板150a、160a向层积方向压缩的双头螺栓121a。该双头螺栓121a与偏移抑制部件200a在结构上一体化，因此使在层积体110a和偏移抑制部件200a之间作用于垂直方向的力增大。另外，由于通过双头螺栓121a限制偏移抑制部件210a的变形，所以也能够使偏移抑制部件200a的板厚变薄。

在第二实施例中，4个双头螺栓121a通过8个限制器152、162限制向其前后方向及上下方向的动作，但是例如也能够为只限制前后方向的限制器(未图示)。该情况下，如图8所示，也能够将偏移抑制部件200b作为从上下覆盖层积体110a的罩壳而构成。如图所示，也可以为偏移抑制部件200b和4个双头螺栓121a形成一体的构成。

C.变形例：

以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但本发明不限于这些实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施。尤其是，上述各实施例的构成要素中的独立权利要求项记载的要素之外的要素为附加的要素，因此可以适当省略。进而，例如也能够实施如下的变形例。

C-1.在上述的各实施例中，对偏移抑制部件200、200a和层积体110、110a双方赋予凹凸形状，但只一方也可以。即，例如，也可以将氨基甲酸乙酯片材210粘接于偏移抑制部件200上，并只对层积体110侧赋予凹凸形状，或者，也可以相反。进而，还可以对所粘接的一侧赋予凹凸形状。这样，只要是以在层积体110、110a和偏移抑制部件200、200a中的至少一个与中间材料相接的位置上具有凹凸形状的方式构成即可。

C-2.在上述实施例中，跨越多个板10a～10u的全部而在层积体110、110a和偏移抑制部件200、200a之间配置有氨基甲酸乙酯片材210、210a，但只要跨越至少一部分的板(例如，两个以上的板)配置即可。

C-3.在上述实施例中，还可以具备带状部件，其具有以层积方向为轴覆盖且封闭层积体110、110a及偏移抑制部件200、200a的周围的形状，从层积体110、110a的相反侧压缩偏移抑制部件200、200a。这样，通过产生于带状部件的拉伸载荷，能够有效增大抑制部件的作用力。

以上，对本发明的几个实施例进行了说明，但本发明不限定于这些实施例，在不脱离本发明主旨的范围内，可以通过各种方式实施，本发明的保护范围基于权利要求的范围的记载而确定。

Claims (9)

1.一种燃料电池组，具备：

层积体，将具有发电体和隔板中至少一方的功能的板层积多个而成；

一对端板，从层积方向的外侧夹持所述层积体；

偏移抑制部件，在所述层积体的层积方向上延伸而与所述一对端板连接；以及

可变形的中间材料，跨越两个以上的所述板而配置在所述层积体和所述偏移抑制部件之间，

所述层积体在与所述中间材料相接的侧面的至少一部分上通过使表面形状变形的加工形成凹凸形状。

2.如权利要求1所述的燃料电池组，

还具备连接部件，该连接部件在所述层积体的层积方向的两端对所述一对端板沿所述层积方向压缩施力，

所述连接部件和所述偏移抑制部件在结构上形成一体。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池组，

所述中间材料为弹性体，

所述偏移抑制部件对所述层积体沿与所述层积方向垂直的方向压缩施力。

4.如权利要求1所述的燃料电池组，

还具备带状部件，该带状部件具有以所述层积方向为轴覆盖且封闭所述层积体及所述偏移抑制部件的周围的形状，从所述层积体的相反侧压缩所述偏移抑制部件。

5.如权利要求2所述的燃料电池组，

还具备带状部件，该带状部件具有以所述层积方向为轴覆盖且封闭所述层积体及所述偏移抑制部件的周围的形状，从所述层积体的相反侧压缩所述偏移抑制部件。

6.如权利要求3所述的燃料电池组，

还具备带状部件，该带状部件具有以所述层积方向为轴覆盖且封闭所述层积体及所述偏移抑制部件的周围的形状，从所述层积体的相反侧压缩所述偏移抑制部件。

7.一种搭载有燃料电池的车辆，具备：

燃料电池，具有燃料电池组；及

驱动部，与来自所述燃料电池的电力供给对应地驱动所述车辆，

所述燃料电池组具备：

层积体，将具有发电体和隔板中至少一方的功能的板层积多个而成；

一对端板，从所述层积体的层积方向的外侧进行夹持；

偏移抑制部件，在所述层积体的层积方向上延伸而与所述一对端板连接；以及

可变形的中间材料，跨越两个以上的所述具有所述发电体和所述隔板中至少一方的功能的板而配置在所述层积体和所述偏移抑制部件之间，

所述层积体在与所述中间材料相接的侧面的至少一部分上通过使表面形状变形的加工形成凹凸形状。

8.如权利要求1所述的燃料电池组，

所述偏移抑制部件是进行了在与所述中间材料相接的面的至少一部分上形成凹凸形状的处理的部件。

9.如权利要求1所述的燃料电池组，

所述中间材料由粘接剂形成，

所述燃料电池组具有夹持于所述层积体或所述偏移抑制部件中的至少一方和由所述粘结剂形成的中间材料之间的塑料膜。

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