CN101964425B - 燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够以经济且简单的结构尽可能地防止由连结桥部的破坏引起的流路堵塞的燃料电池堆。在构成燃料电池堆(10)的燃料电池(12)中，电解质膜-电极结构体(14)由第一金属隔板(16)及第二金属隔板(18)夹持。在第一金属隔板(16)上设置将氧化剂气体流路(26)与氧化剂气体入口连通孔(20a)之间连通的连结桥部(28a)，并且所述连结桥部(28a)具有在面(16a)上相互分离而间断排列的多个树脂制通路部件(32a)，在所述树脂制通路部件(32a)之间形成通路(33a)。

Description

燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆，该燃料电池堆层叠有在电解质的两侧配设了一对电极的电解质-电极结构体和金属隔板，并且形成有流体流路和流体连通孔，其中所述流体流路使流体在所述金属隔板的面方向上流动，所述流体至少为燃料气体、氧化剂气体或冷却介质中的任一种，所述流体连通孔沿层叠方向供给所述流体。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池具备由一对隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)的单元电池，其中所述电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的两侧分别配设了阳极侧电极及阴极侧电极。此种燃料电池通常通过层叠规定个数的单元电池而作为燃料电池堆使用。

在上述燃料电池中，在隔板的面内设置有燃料气体流路(流体流路)和氧化剂气体流路(流体流路)，其中所述燃料气体流路(流体流路)与阳极侧电极相对向，用于使燃料气体(流体)流动，所述氧化剂气体流路(流体流路)与阴极侧电极相对向，用于使氧化剂气体(流体)流动。并且，在隔板的周缘部形成有燃料气体入口连通孔及燃料气体出口连通孔、和氧化剂气体入口连通孔及氧化剂气体出口连通孔，其中所述燃料气体入口连通孔及燃料气体出口连通孔是在所述隔板的层叠方向上贯通且与燃料气体流路连通的流体连通孔，所述氧化剂气体入口连通孔及氧化剂气体出口连通孔是在所述隔板的层叠方向上贯通且与氧化剂气体流路连通的流体连通孔。

另外，在隔板间设置有用于冷却电解质膜-电极结构体的冷却介质流路(流体流路)，并且，形成有在层叠方向上贯通且与所述冷却介质流路连通的流体连通孔即冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔。即，构成内部多支管型燃料电池。

此时，流体流路和流体连通孔经由具有平行槽部等的连结流路(连接桥部)连通，以使流体顺利且均匀地流动。然而，在夹装密封部件而将隔板与电解质-电极结构体紧固固定时，该密封部件进入连结流路内，存在无法维持所希望的密封性且流体无法良好地流动的问题。

因此，在专利文献1公开的固体高分子型燃料电池堆中，如图13所示，在隔板1的面内形成有蜿蜒前进的反应气体例如氧化剂气体流路2。该氧化剂气体流路2在隔板1的周缘部与贯通于层叠方向的氧化剂气体供给用贯通孔3和氧化剂气体排出用贯通孔4连通。在隔板1上配置有填充件5，该填充件5在该隔板1的面内使贯通孔3、4和氧化剂气体流路2连通，并且密封上述部件以免与其它贯通孔连通。

在连通贯通孔3、4和氧化剂气体流路2的连结流路6a、6b上配置有覆盖该连结流路6a、6b的SUS(不锈钢)板7。SUS板7构成为长方形形状，在两个部位分别设置有耳部7a、7b，并且各耳部7a、7b与隔板1上形成的阶梯部8嵌合。

如此，在专利文献1中，由于SUS板7覆盖连结流路6a、6b，因此高分子膜(未图示)及填充件5不会落入氧化剂气体流路2，能够确保所希望的密封性，从而能够防止反应气体的压力损失的增大。

专利文献1：日本特开2001-266911号公报

在上述专利文献1中，有通过橡胶桥(橡胶制流路部件)在隔板1的面上形成连结流路6a、6b的情况。然而，由于密封的载荷变动或橡胶的老化等引起的橡胶桥的变形，有可能会阻塞连结流路6a、6b。因此，存在引起氧化剂气体等的供给不良且燃料电池的输出性能下降的问题。

发明内容

本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够以经济且简单的结构尽可能地防止由连结桥部的破坏引起的流路堵塞的燃料电池堆。

本发明涉及一种燃料电池堆，其层叠有在电解质的两侧配设了一对电极的电解质-电极结构体和金属隔板，并且形成有流体流路和流体连通孔，所述流体流路使流体在所述金属隔板的面方向上流动，所述流体至少为燃料气体、氧化剂气体或冷却介质中的任一种，所述流体连通孔沿层叠方向供给所述流体。

并且，在金属隔板上设有将流体流路与流体连通孔之间连通的连结桥部，并且所述连结桥部具有与所述金属隔板一体设置的树脂制通路部件。

另外，优选在金属隔板与树脂制通路部件之间夹装覆盖部件。

还优选多个树脂制通路部件相互分离而间断地成形在金属隔板上。

还优选多个树脂制通路部件经由树脂制连结部连续地成形在金属隔板上。

还优选树脂制通路部件经由金属隔板上设置的开口部而在所述金属隔板的两面上一体成形。

还优选在金属隔板上一体成形密封部件，并且使树脂制通路部件与密封部件在层叠方向上相互重叠一部分而成形。

发明效果

根据本发明，由于连结桥部具有树脂制通路部件，因此与橡胶桥部相比，能够良好地抑制由老化引起的尺寸变化。因此，能够以经济且简单的结构尽可能地防止由连结桥部的破坏引起的流路的堵塞，能够确保流体顺利的流动而可靠地维持所希望的输出性能。

附图说明

图1是构成本发明的第一实施方式的燃料电池堆的燃料电池的主要部分分解立体说明图。

图2是所述燃料电池堆的图1中的II-II线剖面说明图。

图3是构成所述燃料电池堆的第一金属隔板的一面的说明图。

图4是所述第一金属隔板的主要部分立体说明图。

图5是构成所述燃料电池堆的第二金属隔板的一面的说明图。

图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板的主要部分立体说明图。

图7是构成本发明的第三实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板的主要部分立体说明图。

图8是构成本发明的第四实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板的主要部分立体说明图。

图9是构成本发明的第五实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板的主要部分立体说明图。

图10是构成本发明的第六实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板的主要部分立体说明图。

图11是本发明的第七实施方式的燃料电池堆的主要部分剖面说明图。

图12是构成所述燃料电池堆的第一金属隔板的主要部分立体说明图。

图13是构成专利文献1中公开的燃料电池堆的隔板的说明图。

符号说明：

10、100燃料电池堆

12、112燃料电池

14电解质膜-电极结构体

16、18、60、70、80、90、100、114金属隔板

20a氧化剂气体入口连通孔

20b氧化剂气体出口连通孔

22a冷却介质入口连通孔

22b冷却介质出口连通孔

24a燃料气体入口连通孔

24b燃料气体出口连通孔

26氧化剂气体流路

28a、28b、36a、36b、44a、44b、62a、72a、116a连结桥部

29冷却介质流路

30、38、124密封部件

32a、32b、40a、40b、46a、46b、66a、76a、118a树脂制通路部件

33a、33b、42a、42b、48a、48b、68a、78a、122a通路

34燃料气体流路

50固体高分子电解质膜

52阳极侧电极

54阴极侧电极

64a、74a树脂制连结部

82、92、112橡胶覆盖成形部

120孔部

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的燃料电池堆10沿水平方向(箭头A方向)或铅垂方向(箭头C方向)层叠多个燃料电池12而构成。

燃料电池12中，电解质膜-电极结构体(电解质-电极结构体)14由第一金属隔板16及第二金属隔板18夹持。第一金属隔板16及第二金属隔板18例如由钢板、不锈钢板、铝板或电镀处理钢板等构成，并且被冲压加工成波板形状，以形成后述的流路。

如图1所示，在燃料电池12的箭头B方向(图1中，水平方向)的一端缘部沿箭头C方向(铅垂方向)排列设置有在层叠方向即箭头A方向上相互连通且用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔20a、用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔22a以及用于排出燃料气体例如含氢气体的燃料气体出口连通孔24b。

在燃料电池12的箭头B方向的另一端缘部沿箭头C方向排列设置有在箭头A方向上相互连通且用于供给燃料气体的燃料气体入口连通孔24a、用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔22b以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔20b。

如图1及图3所示，在第一金属隔板16的电解质膜-电极结构体14侧的面16a上设有沿箭头B方向延伸的氧化剂气体流路(流体流路)26。氧化剂气体流路26具备通过将第一金属隔板16成形为波形形状而设置的多个槽部。氧化剂气体流路26和氧化剂气体入口连通孔20a以及氧化剂气体出口连通孔20b经由连结桥部28a、28b连通。在第一金属隔板16的面16b上形成有氧化剂气体流路26的背面形状即冷却介质流路29的一部分。

第一密封部件(橡胶制密封部件)30通过注射模塑成形围绕在该第一金属隔板16的外周端缘部而与第一金属隔板16的面16a、16b一体成形。第一密封部件30例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、聚乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯橡胶等密封材料、缓冲材料或填充材料。

如图3及图4所示，连结桥部28a具有在面16a上互相分离且沿箭头C方向间断地排列的多个树脂制通路部件32a，在所述树脂制通路部件32a之间形成有通路33a。树脂制通路部件32a除了例如通过插入成形等与第一金属隔板16的面16a一体成形外，还可以通过在分体成形后粘贴于所述面16a而与面16a设置成一体。

树脂制通路部件32a例如由PPS(聚苯硫醚)、LCP(液晶聚合物)、PTFE(聚四氟乙烯)、PA(聚酰胺)、PEN(聚苯二甲酸乙二醇酯)或PEEK(聚醚醚酮)等构成。

连结桥部28b与上述的连结桥部28a相同地，具有多个树脂制通路部件32b，并且在所述树脂制通路部件32b之间形成有通路33b，省略其详细说明(参照图3)。

如图1及图5所示，在第二金属隔板18的电解质膜-电极结构体14侧的面18a上形成有与燃料气体入口连通孔24a和燃料气体出口连通孔24b连通且沿箭头B方向延伸的燃料气体流路(流体流路)34。燃料气体流路34具备多个槽部，并且所述燃料气体流路34和燃料气体入口连通孔24a以及燃料气体出口连通孔24b经由连结桥部36a、36b连通。第二金属隔板18的面18b上形成有燃料气体流路34的背面形状即冷却介质流路29的一部分。

第二密封部件(橡胶制密封部件)38通过注射模塑成形围绕在该第二金属隔板18的外周端缘部而与第二金属隔板18的面18a、18b一体成形。第二密封部件38与第一密封部件30同样地构成。

如图5所示，连结桥部36a具有沿箭头C方向排列的多个树脂制通路部件40a，在所述树脂制通路部件40a之间形成有通路42a。连结桥部36b同样具有多个树脂制通路部件40b，并且在所述树脂制通路部件40b之间形成有通路42b，省略其详细说明。

如图1所示，在第二金属隔板18的面18a的相反面18b上形成有与冷却介质入口连通孔22a和冷却介质出口连通孔22b连通的冷却介质流路(流体流路)29。连结桥部44a、44b位于冷却介质入口连通孔22a及冷却介质出口连通孔22b附近形成。连结桥部44a、44b具有沿箭头C方向排列的多个树脂制通路部件46a、46b，在所述树脂制通路部件46a、46b之间形成有通路48a、48b。

如图1及2所示，电解质膜-电极结构体14例如具备全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜50和夹持所述固体高分子电解质膜50的阳极侧电极52及阴极侧电极54。

阳极侧电极52及阴极侧电极54具有由碳素纸等构成的气体扩散层和将表面担载有铂合金的多孔质碳粒子同样地涂敷在所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层。电极催化剂层以夹装固体高分子电解质膜50而相互相对向的方式形成于所述固体高分子电解质膜50的两面。

以下说明如此构成的燃料电池堆10的动作。

首先，如图1所示，向燃料气体入口连通孔24a供给含氢气体等燃料气体，并且向氧化剂气体入口连通孔20a供给含氧气体等氧化剂气体。然后，向冷却介质入口连通孔22a供给纯水或乙二醇、油等冷却介质。

因此，如图5所示，燃料气体从第二金属隔板18的燃料气体入口连通孔24a通过连结桥部36a后，被导入燃料气体流路34中。在燃料气体流路34中，燃料气体沿箭头B方向移动，并向构成电解质膜-电极结构体14的阳极侧电极52供给。

另一方面，如图2～图4所示，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔20a在第一金属隔板16通过连结桥部28a被导入氧化剂气体流路26中。由此，氧化剂气体在氧化剂气体流路26中沿箭头B方向移动，并向构成电解质膜-电极结构体14的阴极侧电极54供给。

因此，在电解质膜-电极结构体14中，向阴极侧电极54供给的氧化剂气体和向阳极侧电极52供给的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，进行发电。

接下来，向阳极侧电极52供给而被消耗的燃料气体通过连结桥部36b向燃料气体出口连通孔24b排出(参照图5)。同样地，向阴极侧电极54供给而被消耗的氧化剂气体通过连结桥部28b向氧化剂气体出口连通孔20b排出(参照图3)。

另外，如图1所示，向冷却介质入口连通孔22a供给的冷却介质通过连结桥部44a而被导入第一及第二金属隔板16、18之间的冷却介质流路29后，沿箭头B方向流通。该冷却介质对电解质膜-电极结构体14进行冷却后，通过连结桥部44b向冷却介质出口连通孔22b排出。

这种情况下，在第一实施方式中，如图2～图4所示，第一金属隔板16上设置的连结桥部28a具有沿箭头C方向排列的多个树脂制通路部件32a，在所述树脂制通路部件32a之间形成有通路33a。

因此，连结桥部28a与通常的橡胶桥部相比，能够良好地抑制由老化引起的尺寸变化。并且，燃料电池12很难由于层叠载荷而压缩变形。因此，能够以经济且简单的结构尽可能地防止由连结桥部28a的破坏引起的通路33a的堵塞，燃料电池12能得到确保氧化剂气体的顺利的流通而能够可靠地维持所希望的输出性能的效果。

此外，在其它的连结桥部28b、36a、36b、44a及44b中也同样地，能够确保燃料气体及冷却介质的顺利的流通。另外，在以下说明的第二实施方式之后也相同。

如图6所示，构成本发明的第二实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板60设有连结桥部62a。连结桥部62a具有多个树脂制通路部件66a，所述多个树脂制通路部件66a在第一金属隔板60的面60a上经由树脂制连结部64a沿箭头C方向连续排列，在所述树脂制通路部件66a之间形成有通路68a。

在如此构成的第二实施方式中，尤其在连结桥部62a与第一金属隔板60之间不会产生间隙。由此，除了能够尽可能地防止第一金属隔板60的电位腐蚀以外，还能够得到与上述的第一实施方式同样的效果。并且，由于多个树脂制通路部件66a经由树脂制连结部64a一体构成，因此能够容易制造，并且能够尽可能地防止树脂制通路部件66a从第一金属隔板60脱落。

如图7所示，构成本发明的第三实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板70设有连结桥部72a。连结桥部72a设置在第一金属隔板70的面70a上，并且在两侧的树脂制连结部74a、74a之间具有沿箭头C方向连续排列的多个树脂制通路部件76a。在树脂制通路部件76之间形成有通路78a。

在如此构成的第三实施方式中，能够得到与上述第一及第二实施方式相同的效果。并且，能够尽可能地防止通路78a堵塞。

如图8所示，构成本发明的第四实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板80设有第一实施方式的连结桥部28a。在第一金属隔板80与构成连结桥部28a的树脂制通路部件32a之间夹装有覆盖部件、例如橡胶覆盖成形部82。

橡胶覆盖成形部82与第一密封部件30一体或分体成形在第一金属隔板80的面80a上。橡胶覆盖成形部82可以由橡胶制膜构成。此外，在以下说明的第五及第六实施方式中也同样。

如图9所示，构成本发明的第五实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板90设有第二实施方式的连结桥部62a。在第一金属隔板90与构成连结桥部62a的树脂制连结部64a之间夹装有覆盖部件、例如橡胶覆盖成形部92。橡胶覆盖成形部92与第一密封部件30一体或分体成形在第一金属隔板90的面90a上。

如图10所示，构成本发明的第六实施方式的燃料电池堆的第一金属隔板100设有第三实施方式的连结桥部72a。在第一金属隔板100与构成连结桥部72a的树脂制连结部74a之间夹装有覆盖部件、例如橡胶覆盖成形部102。橡胶覆盖成形部102与第一密封部件30一体或分体成形在第一金属隔板100的面100a上。

在如此构成的第四～第六实施方式中，能够得到与上述第一～第三实施方式同样的效果。并且，通过橡胶覆盖成形部82、92及102能够良好地防止金属的电位腐蚀，并且能够防止金属离子的熔析。

如图11所示，在构成本发明的第七实施方式的燃料电池堆110的燃料电池112中，电解质膜-电极结构体14由第一金属隔板114及第二金属隔板118夹持。

如图11及图12所示，在第一金属隔板114上设有连结桥部116a，并且，所述连结桥部116a具有树脂制通路部件118a。第一金属隔板114上形成有多个孔部(开口部)120，树脂制通路部件118a经由所述孔部120而一体成形在所述第一金属隔板114的两面114a、114b上。在树脂制通路部件118a之间形成有通路122a。

在第一金属隔板114的外周端缘部上跨两面114a、114b一体形成有第一密封部件124。树脂制通路部件118a和第一密封部件124在层叠方向(箭头A方向)上相互重叠一部分而成形。

在如此构成的第七实施方式中，树脂制通路部件118a经由孔部120而一体成形在第一金属隔板114的两面114a、114b上。因此，能够将树脂制通路部件118a和第一金属隔板114更加牢固且可靠地一体化。并且，例如，若从一面114a供给树脂材料，则树脂材料能够经由孔部120向相反面114b供给，因此容易制造。

并且，树脂制通路部件118a与第一密封部件124在层叠方向上相互重叠一部分而成形。因此，水不会从树脂制通路部件118与第一密封部件124的间隙侵入，能够尽可能地防止所述第一密封部件124的膨润。

此外，在第一～第七实施方式中，采用通过两张金属隔板夹持电解质膜-电极结构体的结构，但是并不局限于此。例如，可以采用使用发电单元，并在各发电单元间形成冷却介质流路而将所述发电单元进行层叠的燃料电池堆，其中该发电单元具备三张金属隔板和两张电解质膜-电极结构体，并将所述金属隔板和所述电解质膜-电极结构体交替层叠。

Claims (5)

1.一种燃料电池堆，其层叠有在电解质的两侧配设了一对电极的电解质-电极结构体和金属隔板，并且形成有流体流路和流体连通孔，所述流体流路使流体在所述金属隔板的面方向上流动，所述流体至少为燃料气体、氧化剂气体或冷却介质中的任一种，所述流体连通孔沿层叠方向供给所述流体，所述燃料电池堆的特征在于，

在所述金属隔板上设有将所述流体流路与所述流体连通孔之间连通的连结桥部，并且所述连结桥部具有与所述金属隔板面上一体设置而形成多条流路的分开的、且沿铅垂方向排列的树脂制通路部件，

在所述金属隔板与所述树脂制通路部件之间夹装橡胶制的覆盖部件。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

多个所述树脂制通路部件相互分离而间断地成形在所述金属隔板上。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

多个所述树脂制通路部件经由树脂制连结部连续地成形在所述金属隔板上。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

所述树脂制通路部件经由所述金属隔板上设置的开口部而在该金属隔板的两面上一体成形。

5.根据权利要求1或4所述的燃料电池堆，其特征在于，

所述金属隔板上一体成形有密封部件，并且所述树脂制通路部件与所述密封部件在层叠方向上相互重叠一部分而成形。

Images