CN102270767A - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池堆，其能够良好地削减波状板隔板的种类，能够以简单且经济的结构进行拉长间隔冷却。燃料电池堆(10)通过沿水平方向层叠多个发电单元(12)而构成。配置在发电单元(12)的层叠方向一端的第一金属隔板(14)在形成冷却介质流路(44)的波形流路槽部(44a)间具有向离开第一电解质膜-电极结构体(16a)的方向突出的第一平坦部(36b)，配置在所述发电单元(12)的层叠方向另一端的第三金属隔板(20)在形成所述冷却介质流路(44)的波形流路槽部(44b)间具有向离开第二电解质膜-电极结构体(16b)的方向突出的第二平坦部(66b)。第一平坦部(36b)和第二平坦部(66b)配置在沿层叠方向重合的位置。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，其具备多个发电单元且在所述发电单元之间形成有冷却介质流路，该发电单元具有在电解质的两侧配设有一对电极的n个(n为偶数)电解质-电极结构体和与各电解质-电极结构体交替层叠的(n+1)个波板状隔板，且通过所述波板状隔板的各凸状部彼此沿层叠方向夹持所述电解质-电极结构体的两面，并且该发电单元中形成有使作为燃料气体或氧化剂气体中的任一种的反应气体沿电极面向所述波板状隔板的面方向流动的反应气体流路。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备通过一对隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)的单位电池，该电解质膜-电极结构体(MEA)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和阴极侧电极。该种燃料电池通常通过层叠规定个数的单位电池而作为燃料电池堆使用。
在上述燃料电池中，在一方的隔板的面内与阳极侧电极对置而设置有用于使燃料气体流动的燃料气体流路，并且在另一方的隔板的面内与阴极侧电极对置而设置有用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体流路。另外，在各燃料电池或多个燃料电池的每一个的相互相邻的隔板间，沿所述隔板的面方向设置有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。
此时，在使用金属隔板作为隔板时，若在阳极侧金属隔板的一面设置燃料气体流路用的凹部，则在所述阳极侧金属隔板的另一面形成所述凹部的背面形状即凸部。并且，若在阴极侧金属隔板的一面设置氧化剂气体流路用的凹部，则在所述阴极侧金属隔板的另一面形成所述凹部的背面形状即凸部。
例如，在专利文献1所公开的燃料电池堆中，如图5所示，第一发电单元1a和第二发电单元1b交替层叠，且在层叠方向两端配设有端板2a、2b。
第一发电单元1a具备第一金属隔板3a、第一MEA4a、第二金属隔板3b、第二MEA4b及第三金属隔板3c。第二发电单元1b具备第四金属隔板3d、第三MEA4c、第五金属隔板3e、第四MEA4d及第六金属隔板3f。
在第一金属隔板3a与第一MEA4a之间、第二金属隔板3b与第二MEA4b之间、第四金属隔板3d与第三MEA4c之间以及第五金属隔板3e与第四MEA4d之间分别形成有氧化剂气体流路5。
在第二金属隔板3b与第一MEA4a之间、第三金属隔板3c与第二MEA4b之间、第五金属隔板3e与第三MEA4c之间以及第六金属隔板3f与第四MEA4d之间分别形成有燃料气体流路6。
此外，在构成第一发电单元1a的第三金属隔板3c与构成第二发电单元1b的第四金属隔板3d之间形成有冷却水流路7。即，燃料电池堆采用在规定数目的单位电池间形成冷却水流路的所谓拉长间隔(日语原文：間引き)冷却结构。
专利文献1：日本特开2000-208153号公报
在上述的燃料电池堆中，准备凹凸形状的周期不同的两种第一发电单元1a及第二发电单元1b，并使所述第一发电单元1A和所述第二发电单元1b交替层叠。这是因为需要使构成第一发电单元1a的第三金属隔板3c的突起部和构成第二发电单元1b的第四金属隔板3d的突起部沿层叠方向相互接触。
然而，在此种结构中，各第一发电单元1a使用三张金属隔板(第一金属隔板3a～第三金属隔板3c)，且各第二发电单元1b使用三张金属隔板(第四金属隔板3d～第六金属隔板3f)。因此，必须制造六张形状不同的金属隔板(第一金属隔板3a～第六金属隔板3f)，从而存在模具数量增加而不经济的问题。
而且，在组装燃料电池堆时，必须将第一金属隔板3a～第六金属隔板3f按所希望的顺序层叠。由此，第一金属隔板3a～第六金属隔板3f的操作作业性相当复杂，且燃料电池堆的组装作业有可能无法有效完成。
发明内容
本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种燃料电池堆，其能够良好地削减波状板隔板的种类，能够以简单且经济的结构进行拉长间隔冷却。
本发明涉及一种燃料电池堆，其具备多个发电单元且在所述发电单元之间形成有冷却介质流路，该发电单元具有在电解质的两侧配设有一对电极的n个(n为偶数)电解质-电极结构体和与各电解质-电极结构体交替层叠的(n+1)个波板状隔板，且通过所述波板状隔板的各凸状部彼此沿层叠方向夹持所述电解质-电极结构体的两面，并且该发电单元中形成有使作为燃料气体或氧化剂气体中的任一种的反应气体沿电极面朝所述波板状隔板的面方向流动的反应气体流路。
在该燃料电池堆中，配置在发电单元的层叠方向一端的第一端部波板状隔板在形成冷却介质流路的凹部间具有向离开电解质-电极结构体的方向突出的第一凸状部，配置在所述发电单元的层叠方向另一端的第二端部波板状隔板在形成所述冷却介质流路的凹部间具有向离开所述电解质-电极结构体的方向突出的第二凸状部，且所述第一凸状部和所述第二凸状部配置在沿所述层叠方向重合的位置。
另外，优选反应气体流路通过在波板状隔板上形成的波形形状的多个反应气体流路槽构成。
此外，优选冷却介质流路通过反应气体流路的背面形状构成。
并且，使用(n+1)个波板状隔板时，优选，各波板状隔板的波形流路槽部的周期的顶部和与所述顶部相邻的一方的谷部之间设定为以1/(n+1)周期进行变化。
发明效果
根据本发明，将发电单元彼此层叠时，构成一方的发电单元的第一端部波板状隔板的第一平坦部和构成另一方的发电单元的第二端部波板状隔板的第二平坦部沿层叠方向重合，且在它们之间形成冷却介质流路。
因此，仅通过将同一发电单元层叠多个，就能在各发电单元之间形成冷却介质流路。因此，能够容易构成具有冷却介质流路的拉长间隔结构的燃料电池堆。由此，通过通用部件的增加而有效地削减部件个数，能够经济性地构成燃料电池堆，并大幅提高组装作业性。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池堆的主要部分分解立体说明图。
图2是构成所述燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。
图3是所述燃料电池堆的图2中的III-III线剖视说明图。
图4是所述燃料电池堆的局部剖视说明图。
图5是以往的燃料电池堆的说明图。
符号说明：
10燃料电池堆
12发电单元
14、18、20金属隔板
16a、16b电解质膜-电极结构体
22固体高分子电解质膜
24阳极侧电极
26阴极侧电极
30a氧化剂气体入口连通孔
30b氧化剂气体出口连通孔
32a燃料气体入口连通孔
32b燃料气体出口连通孔
34a冷却介质入口连通孔
34b冷却介质出口连通孔
36、58燃料气体流路
36a、44a、44b、50a、58a、66a波形流路槽部
36b、66b平坦部
44冷却介质流路
50、66氧化剂气体流路
具体实施方式
如图1所示，本发明的实施方式的燃料电池堆10具备多个发电单元12。所述发电单元12沿水平方向(箭头A方向)或铅垂方向(箭头C方向)相互层叠，例如，构成车载用燃料电池堆。
如图1～图3所示，发电单元12中设有第一金属隔板(波板状隔板)14、第一电解质膜-电极结构体(MEA)(电解质-电极结构体)16a、第二金属隔板(波板状隔板)18、第二电解质膜-电极结构体16b及第三金属隔板(波板状隔板)20。需要说明的是，发电单元12可以包含四个以上的偶数个(n个)MEA，另一方面包含五个以上的奇数个(n+1)金属隔板。此时，MEA和金属隔板交替层叠。
第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或在其金属表面实施了防腐蚀用的表面处理的金属板构成。第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而具有截面凹凸形状。
需要说明的是，也可以取代第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20，而使用例如三种波形形状碳隔板(波形形状隔板)。此时，各波形形状碳隔板具有截面凹凸形状。
第一电解质膜-电极结构体16a的表面积设定为比第二电解质膜-电极结构体16b的表面积小。第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b例如具备水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜22和夹持所述固体高分子电解质膜22的阳极侧电极24及阴极侧电极26。构成阳极侧电极24具有比固体高分子电解质膜22及阴极侧电极26的表面积小的表面积的所谓台阶型MEA。
阳极侧电极24及阴极侧电极26具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有铂合金的多孔质碳粒子同样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜22的两面。
如图2所示，在发电单元12的长边方向的(箭头C方向)上端缘部设置有在箭头A方向相互连通的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30a以及用于供给燃料气体、例如含氢气体的燃料气体入口连通孔32a。
在发电单元12的长边方向的(箭头C方向)下端缘部设置有在箭头A方向相互连通的用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔32b以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
在发电单元12的短边方向(箭头B方向)的两端缘部上方设有在箭头A方向相互连通的用于供给冷却介质的至少一对的冷却介质入口连通孔34a、34a，并且在所述发电单元12的短边方向的两端缘部下方设有用于排出所述冷却介质的至少一对的冷却介质出口连通孔34b、34b。
各冷却介质入口连通孔34a、34a接近氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a，且分别向箭头B方向两侧的各边分开。各冷却介质出口连通孔34b、34b分别接近氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b，且分别向箭头B方向两侧的各边分开。冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b可以分别设置三个以上。
在第一金属隔板14的朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面14a上形成有将燃料气体入口连通孔32a和燃料气体出口连通孔32b连通的第一燃料气体流路36。第一燃料气体流路36具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽部(凹部)36a，并且在所述第一燃料气体流路36的入口及出口附近分别设置有具有多个压花的入口缓冲部38以及出口缓冲部40。
在第一金属隔板14的面14b上形成有将冷却介质入口连通孔34a和冷却介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路44的一部分。在面14b上形成有构成第一燃料气体流路36的多个波形流路槽部36a的背面形状即多个波形流路槽部(凹部)44a。
在第二金属隔板18的朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面18a上形成有将氧化剂入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第一氧化剂气体流路50。第一氧化剂气体流路50具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽部(凹部)50a。在第一氧化剂气体流路50的入口及出口附近设置有入口缓冲部52及出口缓冲部54。
在第二金属隔板18的朝向第二电解质膜-电极结构体16b的面18b上形成有将燃料气体入口连通孔32a和燃料气体出口连通孔32b连通的第二燃料气体流路58。第二燃料气体流路58具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽部(凹部)58a，并且在所述第二燃料气体流路58的入口及出口附近设置有入口缓冲部60以及出口缓冲部62。第二燃料气体流路58为第一氧化剂气体流路50的背面形状，另一方面，入口缓冲部60及出口缓冲部62为入口缓冲部52及出口缓冲部54的背面形状。
在第三金属隔板20的朝向第二电解质膜-电极结构体16b的面20a上形成有将氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第二氧化剂气体流路66。第二氧化剂气体流路66具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽部(凹部)66a。在第二氧化剂气体流路66的入口及出口附近设有入口缓冲部68及出口缓冲部70。
在第三金属隔板20的面20b上形成有冷却介质流路44的一部分。在面20b上形成有构成第二氧化剂气体流路66的多个波形流路槽部66a的背面形状即多个波形流路槽部(凹部)44b。
如图4所示，配置在发电单元12的层叠方向一端的第一金属隔板(第一端部波板状隔板)14在形成冷却介质流路44的波形流路槽部44a间具有向离开第一电解质膜-电极结构体16a的方向突出的第一平坦部(第一凸状部)36b。第一平坦部36b构成在第一燃料气体流路36设置的波形流路槽部36a的底部。
配置在发电单元12的层叠方向另一端的第三金属隔板(第二端部波板状隔板)20在形成冷却介质流路44的波形流路槽部44b间具有向离开第二电解质膜-电极结构体16b的方向突出的第二平坦部(第二凸状部)66b。第二平坦部66b构成在第二氧化剂气体流路66设置的波形流路槽部66a的底部。
第一平坦部36b和第二平坦部66b配置在沿层叠方向重合的位置。具体来说，在第一金属隔板14中，在构成第一燃料气体流路36底部的顶部(第一平坦部36b)间的一周期内，所述顶部和与该顶部相邻的一方的谷部之间设定为1/3周期。
在第二金属隔板18中，在构成第二燃料气体流路58底部的顶部间的一周期内，所述顶部和与该顶部相邻的一方的谷部之间设定为1/3周期。在第三金属隔板20中，在构成第二氧化剂气体流路66底部的顶部(第二平坦部66b)间的一周期内，所述顶部和与该顶部相邻的一方的谷部之间设定为1/3周期。
另外，在发电单元12包含4个MEA和5个波形形状隔板时，顶部和与所述顶部相邻的一方的谷部之间设定为1/5周期。即，使用(n+1)个波形形状隔板时，各波形形状隔板的波形流路槽部的周期的顶部和与所述顶部相邻的一方的谷部之间设定为以1/(n+1)周期进行变化。
需要说明的是，只要是将第一平坦部36b和第二平坦部66b配置在沿层叠方向重合的位置的结构即可，可以将顶部和与所述顶部相邻的谷部之间设定为1/3周期或1/5周期等。
如图2以及图3所示，第一密封部件74围绕该第一金属隔板14的外周端缘部而一体成形在第一金属隔板14的面14a、14b上。第二密封部件76围绕该第二金属隔板18的外周端缘部而一体成形在第二金属隔板18的面18a、18b上。第三密封部件78围绕该第三金属隔板20的外周端缘部而一体成形在第三金属隔板20的面20a、20b上。
第一金属隔板14具有：将燃料气体入口连通孔32a和第一燃料气体流路36连通的多个外侧供给孔部80a及内侧供给孔部80b；将燃料气体出口连通孔32b和所述第一燃料气体流路36连通的多个外侧排出孔部82a及内侧排出孔部82b。
第二金属隔板18具有：将燃料气体连通孔32a和第二燃料气体流路58连通的多个供给孔部84；将燃料气体出口连通孔32b和所述第二燃料气体流路58连通的多个排出孔部86。
通过使发电单元12彼此相互层叠，而在构成一方的发电单元12的第一金属隔板14与构成另一方的发电单元12的第三金属隔板20之间形成沿箭头方向B延伸的冷却介质流路44。
以下，说明这样构成的燃料电池堆10的动作。
首先，如图2所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体，并向燃料气体入口连通孔32a供给含氢气体等燃料气体。并且，向冷却介质入口连通孔34a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
因此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔30a被导入第二金属隔板18的第一氧化剂气体流路50及第三金属隔板20的第二氧化剂气体流路66。该氧化剂气体沿着第一氧化剂气体流路50向箭头C方向(重力方向)移动，供给第一电解质膜-电极结构体16a的阴极侧电极26，并且沿着第二氧化剂气体流路66向箭头C方向移动，供给第二电解质膜-电极结构体16b的阴极侧电极26。
另一方面，如图3所示，燃料气体从燃料气体入口连通孔32a通过外侧供给孔部80a向第一金属隔板14的面14b侧移动。并且，燃料气体在从内侧供给孔部80b被导入到面14a侧后被向入口缓冲部38输送，并沿着第一燃料气体流路36向重力方向(箭头C方向)移动，供给第一电解质膜-电极结构体16a的阳极侧电极24(参照图2)。
另外，如图3所示，燃料气体通过供给孔部84向第二金属隔板18的面18b侧移动。因此，如图2所示，燃料气体在面18b侧被供给到入口缓冲部60后，沿着第二燃料气体流路58向箭头C方向移动，供给第二电解质膜-电极结构体16b的阳极侧电极24。
因此，在第-及第二电解质膜-电极结构体16a、16b中，向阴极侧电极26供给的氧化剂气体和向阳极侧电极24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。
接着，供给第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b的各阴极侧电极26而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b向箭头A方向排出。
供给第一电解质膜-电极结构体16a的阳极侧电极24而被消耗的燃料气体从出口缓冲部40通过内侧排出孔部82b被向第一金属隔板14的面14b侧导出。被导出到面14b侧的燃料气体通过外侧排出孔部82a再次向面14a侧移动，被向燃料气体出口连通孔32b排出。
另外，供给第二电解质膜-电极结构体16b的阳极侧电极24而被消耗的燃料气体从出口缓冲部62通过排出孔部86向面18a侧移动。该燃料气体向燃料气体出口连通孔32b排出。
另一方面，被供给到一对冷却介质入口连通孔34a的冷却介质沿箭头B方向且相互接近的方向供给发电单元12间形成的冷却介质流路44。并且，相互接近的冷却介质在冷却介质流路44的箭头B方向中央部侧碰撞而向重力方向(箭头C方向下方)移动，之后向在发电单元12的下部侧两侧部分开设置的各冷却介质出口连通孔34b排出。
在这种情况下，在本实施方式中，如图4所示，配置在发电单元12的层叠方向一端的第一金属隔板14在形成冷却介质流路44的波形流路槽部44a间具有向离开第一电解质膜-电极结构体16a的方向突出的第一平坦部36b。另外，配置在发电单元12的层叠方向另一端的第三金属隔板20在形成冷却介质流路44的波形流路槽部44b间具有向离开第二电解质膜-电极结构体16b的方向突出的第二平坦部66b。并且，第一平坦部36b和第二平坦部66b配置在沿层叠方向重合的位置。
因此，将发电单元12彼此层叠时，构成一方的发电单元12的第一金属隔板14的第一平坦部36b和构成另一方的发电单元12的第三金属隔板20的第二平坦部66b沿层叠方向重合，且在它们之间形成冷却介质流路44。
因此，仅通过将同一发电单元12层叠多个，就能在各发电单元12之间形成冷却介质流路44。因此，能够容易构成具有冷却介质流路44的拉长间隔结构的燃料电池堆10。由此，能够得到如下效果：通过通用部件的增加而有效地削减部件个数，能够经济性地构成燃料电池堆10，并且大幅提高组装作业性。
需要说明的是，在本实施方式中，第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50、第二燃料气体流路58及第二氧化剂气体流路66分别具有多个波形流路槽部36a、50a、58a及66a，但并不局限于此。例如，第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50、第二燃料气体流路58及第二氧化剂气体流路66也可以分别由多个直线状流路槽构成。

Claims (4)

1.一种燃料电池堆，其具备多个发电单元且在所述发电单元之间形成有冷却介质流路，该发电单元具有在电解质的两侧配设有一对电极的n个电解质-电极结构体和与各电解质-电极结构体交替层叠的(n+1)个波板状隔板，其中，n为偶数，该发电单元通过所述波板状隔板的各凸状部彼此沿层叠方向夹持所述电解质-电极结构体的两面，并且该发电单元中形成有使作为燃料气体或氧化剂气体中的任一种的反应气体沿电极面向所述波板状隔板的面方向流动的反应气体流路，所述燃料电池堆的特征在于，
配置在所述发电单元的层叠方向一端的第一端部波板状隔板在形成所述冷却介质流路的凹部间具有向离开所述电解质-电极结构体的方向突出的第一凸状部，配置在所述发电单元的层叠方向另一端的第二端部波板状隔板在形成所述冷却介质流路的凹部间具有向离开所述电解质-电极结构体的方向突出的第二凸状部，且所述第一凸状部和所述第二凸状部配置在沿所述层叠方向重合的位置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述反应气体流路通过在所述波板状隔板上形成的波形形状的多个反应气体流路槽构成。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述冷却介质流路通过所述反应气体流路的背面形状构成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，
使用所述(n+1)个波板状隔板时，各波板状隔板的波形流路槽部的周期的顶部和与所述顶部相邻的一方的谷部之间设定为以1/(n+1)周期进行变化。
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