CN101752589B - 燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明能够谋求壳体的薄壁化，同时能够可靠保持层叠体的载重并很好地抑制其变形。这种燃料电池组(10)具备收容多个燃料电池单元(12)的壳体(14)。在构成壳体(14)的侧部板(18d)的宽度方向中央部一体成形与承载部(60)抵接来承担多个燃料电池单元(12)载重的凸部(64)。在侧部板(18d)上跨着作为凸部(64)的背面形状的凹部(64a)设置独立的多个加强板(66)。各加强板(66)利用由点焊形成的焊点(68)固定在侧部板(18d)上。

Description

燃料电池组
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组，其具备沿水平方向层叠多个单位电池而成的层叠体，所述单位电池是利用隔板夹持在电解质两侧设有一对电极的电解质与电极结构体而成的，所述层叠体收容在壳体内。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池采用的是由高分子离子交换膜构成的电解质膜(电解质)。利用隔板夹持在该电解质膜两侧配置阳极侧电极及阴极侧电极的电解质膜与电极结构体，从而构成单位电池。燃料电池通常是以层叠规定数量(例如几十～几百)的单位电池的燃料电池组的形式使用，以获得所需的发电力。
这种情况下，燃料电池组例如是将层叠了规定数量单位电池的层叠体收容在箱状的壳体内。为了抑制整个燃料电池组的重量增加及尺寸增加，壳体大都由薄壁状的金属板构成。那时，层叠了多个单位电池的层叠体是相当有重量的物体。从而，层叠体的过大载重会施加到壳体的底部，所述底部有可能变形。
为此，例如专利文献1所揭示的燃料电池，如图17所示，具备下部外壳1，该下部外壳1由底部2和侧部3构成。底部2上形成向上凸的弯曲部4，同时在侧部3附近分别形成弯曲部5。
在底部2上向下凸地形成弯曲部6。弯曲部4、5在层叠没有图示的层叠体之际用作定位。再有，基于弯曲部4、5及6来谋求下部外壳1刚性的提高。
专利文献1：日本特开平8-171926号公报
不过，上述专利文献1中，特别是若重量物的层叠体被配置在下部外壳1内，则对底部2施加相当大的载重。特别是存在弯曲部4容易集中过大载重、所述弯曲部4容易向打开方向(侧板3、3侧)变形的问题。
发明内容
本发明即是为了解决这种问题，其目的在于提供一种燃料电池组，能够谋求壳体的薄壁化及轻量化，同时能够可靠保持层叠体的载重并很好地抑制其变形。
本发明涉及一种燃料电池组，其具备沿水平方向层叠多个单位电池而成的层叠体，所述单位电池是利用隔板夹持在电解质两侧设有一对电极的电解质与电极结构体而成的，所述层叠体收容在壳体内。
壳体具备底板构件，该底板构件一体设有承担层叠体的载重的凸部，并且，在所述底板构件上，跨着作为所述凸部的背面形状的凹部设有独立的加强构件。
另外，优选是加强构件由平板构成。
还有，优选是平板点焊在底板构件上。
再有，优选是平板的焊点设定成单位电池的层叠方向中央部侧的个数多于层叠方向端部侧的个数。
另外，优选是平板进入到凹部内而被固定。
再有，优选是在隔板的下部两侧形成有连通孔，该连通孔至少用于使反应气体或冷却介质沿单位电池的层叠方向流动，并且，在所述隔板的下部中央部设有支承在凸部上的承载构件。
发明效果
本发明中，能够用一体设置在壳体的底板构件上的比较低的凸部支承层叠体的载重，同时能够利用跨着所述凸部背面形状即凹部设置的加强构件阻止该凸部向打开方向变形。从而，能够谋求壳体本身的薄壁化及低成本化，另一方面还能够谋求截面刚性、弯曲弹力及剪切反作用力的提高，能够可靠地获得轻量且高刚性的壳体。而且，能够较低地设定凸部的高度尺寸，能够尽可能地缩短整个壳体的高度方向的尺寸。
附图说明
图1是本发明第1实施方式的燃料电池组的概略立体说明图。
图2是构成所述燃料电池组的燃料电池单元的分解立体说明图。
图3是构成所述燃料电池组的壳体的下部截面说明图。
图4是所述壳体的下部的分解立体说明图。
图5是所述燃料电池组的仰视图。
图6是现有例和第1实施方式中起动次数和层叠方向的挠曲量的关系说明图。
图7是本发明第2实施方式的燃料电池组的仰视图。
图8是本发明第3实施方式的燃料电池组的局部分解立体说明图。
图9是所述燃料电池组的仰视图。
图10是本发明第4实施方式的燃料电池组的仰视图。
图11是本发明第5实施方式的燃料电池组的仰视图。
图12是本发明第6实施方式的燃料电池组的仰视图。
图13是本发明第7实施方式的燃料电池组的仰视图。
图14是本发明第8实施方式的燃料电池组的仰视图。
图15是本发明第9实施方式的燃料电池组的仰视图。
图16是构成本发明第10实施方式的燃料电池组的壳体下部截面说明图。
图17是专利文献1所揭示的燃料电池的局部截面说明图。
图中，10、80、90、100、110、120、130、140、150、160-燃料电池组，12-燃料电池单元，14-壳体，16a、16b-端板，18a～18d-侧部板，20-铰链机构，22a、22b-电解质膜与电极结构体，24、26、28-隔板，36-固体高分子电解质膜，38-阳极侧电极，40-阴极侧电极，60-承载部，64-凸部，64a-凹部，66、92、102、112、122、132、142、152、162-加强板，68、94、104、118、128、138、146、154、164-焊点，92a、152a-窄幅部，92b、116a、116b、126a～126d、136、144-减轻重量部，114、124、134-切口。
具体实施方式
图1是本发明第1实施方式的燃料电池组10的概略立体说明图。
燃料电池组10将作为层叠体的多个燃料电池单元12沿箭头A方向层叠并收容在箱状的壳体14内。层叠体14包括配置在燃料电池单元12层叠方向两端的端板16a、16b，配置在所述燃料电池单元12侧部的4块侧部板18a～18d和将所述端板16a、16b及所述侧部板18a～18d相互连结的铰链机构20。侧部板18a～18d由不锈钢(SUS304等)、其他金属材料或碳材构成。
如图2所示，燃料电池单元12具备第1电解质膜(电解质)与电极结构体(MEA)22a及第2电解质膜与电极结构体(MEA)22b和第1隔板24、第2隔板26及第3隔板28。在第1隔板24及第2隔板26之间夹持着第1电解质膜与电极结构体22a，另一方面，在所述第2隔板26及第3隔板28之间夹持着第2电解质膜与电极结构体22b。
还有，第1～第3隔板24、26及28由金属隔板构成，不过，也可以采用例如碳素隔板。
在燃料电池单元12的长边方向(图2中箭头C方向)的一端缘部(上端缘部)沿箭头A方向相互连通设置用来供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a和用来供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔32a。
在燃料电池单元12的长边方向另一端缘部(下部两侧)沿箭头A方向相互连通设置用来排出燃料气体的燃料气体出口连通孔32b和用来排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
在燃料电池单元12的短边方向(箭头B方向)一端缘部设置用来供给冷却介质的2个冷却介质入口连通孔34a，在所述燃料电池单元12的短边方向另一端缘部设置用来排出冷却介质的2个冷却介质出口连通孔34b。
第1电解质膜与电极结构体22a及第2电解质膜与电极结构体22b包括在例如全氟磺酸的薄膜中浸含有水的固体高分子电解质膜36和夹持所述固体高分子电解质膜36的阳极侧电极38及阴极侧电极40。
阳极侧电极38及阴极侧电极40具有由碳纸等构成的气体扩散层(没有图示)和在所述气体扩散层表面均匀涂布多孔质碳粒子而形成的电极催化剂层(没有图示)，多孔质碳粒子是表面担载了铂合金的多孔质碳粒子。电极催化剂层在固体高分子电解质膜36的两面形成。
在第1隔板24的朝向第1电解质膜与电极结构体22a的面24a上，形成连通燃料气体入口连通孔32a和燃料气体出口连通孔32b的第1燃料气体流路42。该第1燃料气体流路42例如由沿箭头C方向延展的多条槽部构成。在第1隔板24的面24b上形成连通冷却介质入口连通孔34a和冷却介质出口连通孔34b的冷却介质流路44。该冷却介质流路44由沿箭头B方向延展的多条槽部构成。
在第2隔板26的朝向第1电解质膜与电极结构体22a的面26a上，设置例如由沿箭头C方向延展的多条槽部构成的第1氧化剂气体流路46，同时，该第1氧化剂气体流路46与氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通。在第2隔板26的朝向第2电解质膜与电极结构体22b的面26b上形成连通燃料气体入口连通孔32a和燃料气体出口连通孔32b的第2燃料气体流路48。
在第3隔板28的朝向第2电解质膜与电极结构体22b的面28a上设置连通氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b的第2氧化剂气体流路50。在第3隔板28的面28b上与第1隔板24的面24b重合一体形成冷却介质流路44。
在第1隔板24的面24a、24b上环绕该第1隔板24的外周端缘部一体形成第1密封构件52。在第2隔板26的面26a、26b上环绕该第2隔板26的外周端缘部一体形成第2密封构件54，同时在第3隔板28的面28a、28b上环绕该第3隔板28的外周端缘部一体形成第3密封构件56。
在第1隔板24的外周部一体化形成多个树脂制承载部60。具体地说，在第1隔板24的上部中央部及下部中央部分别设有1个承载部60，同时在所述第1隔板24的左右两侧分别设置3个所述承载部60。在各承载部60上相互并排设置孔部62a、62b。
在第2隔板26及第3隔板28的外周部同样一体化形成多个树脂制承载部60。第1隔板24、第2隔板26及第3隔板28通过插入各个孔部62a(或62b)中成一体的绝缘性树脂夹(没有图示)保持一体。
还有，第1实施方式中，作为单位电池采用燃料电池单元12，不过并不限定于此。例如，可以采用用2块隔板夹持1块MEA的单位电池。另外，以下说明的其他实施方式中也同样。
如图3及图4所示，构成壳体14的侧部板18d(底板构件)在其宽度方向(箭头B方向)中央部一体成形有与承载部60抵接、承担多个燃料电池单元12的载重的凸部64。凸部64沿着侧部板18d长边方向即箭头A方向(燃料电池单元12的层叠方向)延展，并且，在所述侧部板18d上跨着作为所述凸部64的背面形状的凹部64a设置独立的多个加强板(加强构件)66。还有，凸部64可以被分割成多个。
如图4及图5所示，加强板66呈平板状构成，在侧部板18d的外面侧跨着凹部64a配置，同时两端利用点焊形成焊点68固定在所述侧部板18d。各加强板66如图5所示沿着箭头A方向每隔间隔L1固定在侧部板18d上。还有，加强板66除了点焊以外还可以利用凿密、钎焊、铆接、螺钉紧固等其他固定方式固定在侧部板18d上。
侧部板18a～18d的各连结板通过螺栓构件70和与螺栓构件70前端部螺合的螺母72固定(参照图3及图4)。
关于如此构成的燃料电池组10的动作进行以下说明。
首先如图1所示，燃料电池组10中，向氧化剂入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体(空气)，同时，向燃料气体入口连通孔32a供给含氢气体等燃料气体。再有，向2个冷却介质入口连通孔34a供给纯水和乙二醇、油等冷却介质。
如图2所示，氧化剂气体向燃料电池单元12的氧化剂气体入口连通孔30a供给，沿箭头A方向移动，被导入到第2隔板26的第1氧化剂气体流路46及第3隔板28的第2氧化剂气体流路50。被导入到第1氧化剂气体流路46的氧化剂气体沿着第1电解质膜与电极结构体22a的阴极侧电极40移动，另一方面，被导入到第2氧化剂气体流路50的氧化剂气体沿着第2电解质膜与电极结构体22b的阴极侧电极40移动。
燃料气体从燃料电池单元12的燃料气体入口连通孔32a被导入到第1隔板24的第1燃料气体流路42及第2隔板26的第2燃料气体流路48。从而，燃料气体沿着第1电解质膜与电极结构体22a及第2电解质膜与电极结构体22b的各阳极侧电极38移动。
从而，在第1电解质膜与电极结构体22a及第2电解质膜与电极结构体22b中，向各阴极侧电极40供给的氧化剂气体和向各阳极侧电极38供给的燃料气体在没有图示的电极催化剂层内经由电化学反应而被消耗，进行发电。
接下来，向各阴极侧电极40供给而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂出口连通孔30b流动，之后从燃料电池组10排出。同样，向各阳极侧电极38供给而被消耗的燃料气体向燃料气体出口连通孔32b排出、流动，从燃料电池组10排出。
另外，冷却介质从冷却介质入口连通孔34a被导入到燃料电池单元12间的冷却介质流路44，之后沿着箭头B方向流动。该冷却介质将第1电解质膜与电极结构体22a及第2电解质膜与电极结构体22b间歇冷却后，在冷却介质出口连通孔34b中移动，从燃料电池组10中排出。
另外，燃料电池组10中，在壳体14中收容着多个燃料电池单元12，同时，所述燃料电池单元12的载重由一体成形在侧部板18d上的单一凸部64支承。从而，如图3所示，对凸部64向下方向(箭头C1方向)施加挠曲力，从而要使该凸部64向打开凹部64a的方向(箭头B1方向及箭头B2方向)变形。
这种情况下，第1实施方式中，在侧部板18d上跨着作为凸部64的背面形状的凹部64a固定着独立的多个加强板66。因而，能够可靠地阻止侧部板18d由于向箭头C1方向施加的挠曲力而产生的箭头B1方向及箭头B2方向的变形。
具体地说，进行了检测没有采用加强板66的现有例和第1实施方式中起动次数和层叠方向挠曲量关系的实验。其结果如图6所示。从而，在现有例中，特别是每次低温起动时挠曲载重增大，挠曲量增多。
从而，第1实施方式中获得的效果是能够谋求壳体14本身的薄壁化及低成本化，另一方面，能够提高截面刚性、弯曲刚性及剪切反作用力，能够获得轻量且高刚性的壳体14。
而且，具有的优点是能够有效地抑制凸部64的高度方向的尺寸、尽可能地缩短整个壳体14的高度方向的尺寸。
图7是本发明第2实施方式的燃料电池组80的仰视图。还有，对于与第1实施方式的燃料电池组10相同的构成要素附以相同的参照符号，省略其详细的说明。另外，以下说明的第3实施方式以后也同样省略其详细的说明。
在构成燃料电池组80的侧部板18d上跨着凹部64a独立地固定多个加强板66。加强板66在侧部板18d的箭头A方向两端部侧设定为间隔L1，同时，在所述侧部板18d的箭头A方向中央侧设定为比所述间隔L1窄的间隔L2(L2＜L1)。
如此构成的第2实施方式中，在侧部板18d的长边方向中央侧将加强板66彼此设定为比间隔L1窄的间隔L2。从而，在侧部板18d上特别是在挠曲力大于其他部分挠曲力的长边方向中央侧集中固定加强板66。因而能够更可靠地分散挠曲力。从而，第2实施方式中，除了获得与上述第1实施方式同样的效果以外，还具有能够更可靠地提高壳体14的刚性的优点。
图8是本发明第3实施方式的燃料电池组90的局部分解立体说明图。
燃料电池组90在构成壳体14的侧部板18d上设置加强板(加强构件)92。加强板92形成板状，在箭头A方向两端部形成窄幅部92a。在各窄幅部92a设置用来进一步谋求轻量化的减轻重量部92b。
加强板92利用多个焊点94而被固定在侧部板18d上。如图9所示，焊点94夹着凹部64a在两侧分别设置各规定数，具体地说在箭头A方向两端缘部侧分别设置各1列，同时，在箭头A方向中央侧分别设置各2列。在加强板92的大致中央部分形成排水用孔部96。
如此构成的第3实施方式中，对应于壳体14上的载重范围及变形，设定加强板92的形状，同时设定焊点94的分布。具体地说，在变形及载重小的范围即侧部板18d的箭头A方向两端缘部设置窄幅部92a、92a及减轻重量部92b、92b，从而，谋求加强板92的轻量化。另一方面，在变形及载重大的范围即侧部板18d的箭头A方向中央部侧夹着凹部64a分别设置2列焊点94。
因而，第3实施方式中获得能够可靠且容易保持侧部板18d中央部侧的挠曲力，能够尽可能地阻止壳体14的变形等与上述第1及第2实施方式同样的效果。
再有，在加强板92上对应于变形最大部、即在中央部分设置排水用孔部96。从而，具有的优点是能够排除燃料电池组90内发生的结露和导入到该壳体14内的水的滞留，能够良好地提高防锈性及绝缘性。
图10是本发明第4实施方式的燃料电池组100的仰视图。
燃料电池组100具备在构成壳体14的侧部板18d上固定的加强板(加强构件)102。加强板102由长方形状的薄板平板构成，在凹部64a两侧分别设置2列焊点104，用以将加强板102固定在侧部板18d上。
图11是本发明第5实施方式的燃料电池组110的仰视图。
燃料电池组110具备在壳体14的侧部板18d上固定的加强板(加强构件)112。加强板112在沿箭头A方向延展的两侧部设置锯齿状的切口114，同时沿着凹部64a具有多个圆形状减轻重量部116a。沿着减轻重量部116a的排列方向平行地分别设置左右1列比较小径的减轻重量部116b、116b。加强板112在凹部64a两侧分别利用2列焊点118固定在侧部板18d上。
图12是本发明第6实施方式的燃料电池组120的仰视图。
燃料电池组120具备固定在侧部板18d上的加强板(加强构件)122。该加强板122在两侧部设置锯齿状的切口124，同时沿着凹部64a具有比较大径的圆形状减轻重量部126a。在减轻重量部126a的两侧分别在各减轻重量部126a间形成左右各2个小径的减轻重量部126b。在加强板122的箭头A方向两端部分别设置2个减轻重量部126c和1个减轻重量部126d。加强板122在凹部64a两侧分别利用2列多个焊点128而固定在侧部板18d上。
图13是本发明第7实施方式的燃料电池组130的仰视图。
燃料电池组130具备固定在侧部板18d上的加强板(加强构件)132。加强板132在长边侧两侧部呈多个弯曲面状设置切口134，同时形成多个用于轻量化的圆形状减轻重量部136。加强板132夹着凹部64a在两侧分别利用沿箭头A方向排列成锯齿状的多个焊点138固定在侧部板18d上。
图14是本发明第8实施方式的燃料电池组140的仰视图。
该燃料电池组140具备固定在侧部板18d上的加强板(加强构件)142。加强板142设定成连结多个多边形、例如八边形的形状，同时在箭头A方向两侧的多边形状部分别形成多个减轻重量部144。加强板142利用在多边形状部的各角部对应设置的焊点146固定在侧部板18d上。
图15是本发明第9实施方式的燃料电池组150的仰视图。
该燃料电池组150具备固定在侧部板18d上的加强板(加强构件)152。加强板152在箭头A方向两端侧设置窄幅部152a、152a，同时通过多个焊点154固定在侧部板18d上。焊点154稠密地设定在箭头A方向中央侧。
如上所述，第4～第9实施方式中获得与第1～第3实施方式同样的效果。
图16是构成本发明第10实施方式的燃料电池组160的壳体14的下部截面说明图。
该燃料电池组160具备固定在侧部板18d上的加强板(加强构件)162。加强板162进入到凹部64a内，通过多个焊点164固定在侧部板18d上。
从而，第10实施方式中获得的效果是加强板162不会突出到侧部板18d的外方，能够获得更加小型的燃料电池组160。

Claims (1)

1.一种燃料电池组，其具备沿水平方向层叠多个单位电池而成的层叠体，所述单位电池是利用隔板夹持在电解质两侧设有一对电极的电解质与电极结构体而成的，所述层叠体收容在壳体内，所述燃料电池组的特征在于，
所述壳体具备底板构件，该底板构件一体设有承担所述层叠体的载重的一个凸部，并且，
在所述底板构件上，跨着作为所述凸部的背面形状的凹部且沿着所述单位电池的层叠方向设有独立的加强构件，
在所述隔板的下部两侧形成有连通孔，该连通孔至少用于使反应气体或冷却介质沿所述单位电池的层叠方向流动，并且，
在所述隔板的下部中央部设有支承在所述凸部上的树脂制承载构件，
所述加强构件由平板构成，所述平板在所述单位电池的层叠方向两端部形成有窄幅部，
所述平板点焊在所述底板构件上，
所述平板的焊点设定成所述单位电池的层叠方向中央部侧的个数多于层叠方向端部侧的个数。
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