CN103199296B - 燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池堆。能够以简单的结构可靠地承受外部载荷等，且能够良好地抑制变形或紧固载荷的脱落等。燃料电池堆层叠有多个燃料电池且在层叠方向两端配设有端板。燃料电池堆具备：架设在一对端板之间的连结构件；设置在所述端板的侧面和所述连结构件上，用于沿紧固方向施加张力的保持机构；用于使所述端板的侧面与所述连结构件相互固定的固定机构。保持机构具备：设置在所述端板的侧面上的突起部；设置在所述连结构件上，向所述连结构件的宽度方向外方突出，沿层叠方向外方跨所述突起部并与该突起部卡合的突出部。

Description

燃料电池堆

本申请是申请日为2010年4月13日、申请号为201010161471.2、发明名称为“燃料电池堆”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池堆，其具有燃料电池，该燃料电池层叠有在电解质膜的两侧配设了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板，所述燃料电池堆层叠有多个所述燃料电池，并且在层叠方向两端设有端板。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池具备通过隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)的单体电池，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别配设有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数目的单体电池，作为燃料电池堆使用。

在此种燃料电池堆中，为了得到所希望的发电性能并发挥密封功能，需要相对于层叠方向施加良好的紧固载荷。

因此，例如，在专利文献1所公开的燃料电池中，如图7所示，在层叠有规定数目的隔板1和电极单元2的层叠体的两端部配设有压力板3a、3b。在压力板3a、3b的各角部配设有截面L字形状的保持构件4，并且所述保持构件4通过螺钉5被紧固在所述压力板3a、3b上。

即，构成为在压力板3a、3b之间通过四个保持构件4对隔板1及电极单元2施加向层叠方向的紧固载荷。

专利文献1：日本特开2000-48850号公报

然而，在上述专利文献1中，各保持构件4和压力板3a、3b仅通过贯通所述保持构件4而拧入的螺钉5紧固在所述压力板3a、3b的侧部上形成的螺纹孔内。

因此，当从外部对燃料电池施加载荷时，存在堆外形容易变形，无法维持层叠方向的紧固载荷，而引起载荷脱落的问题。而且，由于堆外形的变形，存在隔板1或电极单元2容易移动的问题。

发明内容

本发明用于解决此种问题，其目的在于，提供一种能够以简单的结构可靠地承受外部载荷等，且能够良好地抑制变形或紧固载荷的脱落等的燃料电池堆。

本发明涉及燃料电池堆，其具有燃料电池，该燃料电池层叠有在电解质膜的两侧配设了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板，所述燃料电池堆层叠有多个所述燃料电池，并且在层叠方向两端设有端板。

该燃料电池堆具备：架设在一对端板之间的连结构件；设置在所述端板的侧面和所述连结构件上，用于沿紧固方向施加张力的保持机构；用于使所述端板的侧面与所述连结构件相互固定的固定机构。

另外，优选，保持机构具备：至少设置在端板的侧面或连结构件上的孔部；插入所述孔部内的销构件。

进而，优选，孔部内压入有加强环。

进而，优选，孔部配设有用于密封销构件的密封构件。

另外，优选，保持机构具备：设置在端板的侧面上的突起部；设置在连结构件上，向所述连结构件的宽度方向外方突出，沿层叠方向外方跨所述突起部并与该突起部卡合的突出部。

进而，优选，在突起部与突出部之间夹装有用于进行所述层叠方向的尺寸调整的间隔构件。

进而，优选，燃料电池上设有在层叠方向上连通而使反应气体及冷却介质流动的流体连通孔，并且连结构件与端板的侧面的连结部位设置在偏离所述流体连通孔的位置。

根据本发明，通过保持机构对连结构件和端板沿相互紧固方向施加张力，并且通过固定机构维持对所述连结构件和所述端板的紧固力。因此，能够以简单的结构可靠地施加所希望的紧固力。

进而，对燃料电池堆施加外部载荷时，在固定机构的作用下，能够防止连结构件的剥落。而且，连结构件承受来自外部的冲击，保护燃料电池，并且能够防止所述燃料电池变形(弯曲)的情况。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆的简要立体说明图。

图2是构成所述燃料电池堆的燃料电池的主要部分分解立体说明图。

图3是从构成所述燃料电池堆的保持机构及固定机构的一方观察的分解立体说明图。

图4是从所述保持机构及固定机构的另一方观察的分解立体说明图。

图5是本发明的第二实施方式的燃料电池堆的立体说明图。

图6是构成所述燃料电池堆的保持机构及固定机构的分解立体说明图。

图7是专利文献1的燃料电池的立体说明图。

标号说明：

10、80  燃料电池堆

12  燃料电池

18a、18b  端板

20  电解质膜-电极结构体

22、24  隔板

26a  氧化剂气体入口连通孔

26b  氧化剂气体出口连通孔

28a  燃料气体入口连通孔

28b  燃料气体出口连通孔

30a  冷却介质入口连通孔

30b  冷却介质出口连通孔

32  氧化剂气体流路

34  燃料气体流路

36  冷却介质流路

42  固体高分子电解质膜

44  阴极侧电极

46  阳极侧电极

50、82  连结构件

52、84  保持机构

54、86  固定机构

56a、56b、66、70、98  孔部

58  销构件

60a、60b  加强环

62、96  螺纹孔

64、100  螺钉

74  O环

88  突起部

88a  卡止部

90  突出部

92  间隔构件

具体实施方式

如图1所示，本发明的第一实施方式的燃料电池堆10在箭头A方向(铅垂方向)上层叠有多个燃料电池12，并且在所述燃料电池12的层叠方向两端配设有接线板14a、14b、绝缘板16a、16b及端板18a、18b。

如图2所示，燃料电池12的电解质膜-电极结构体20由第一及第二隔板22、24夹持。第一及第二隔板22、24由例如钢板、不锈钢板、铝板、或电镀处理钢板等金属隔板或碳隔板构成。

在燃料电池12的箭头B方向(图2中水平方向)的一端缘部上沿箭头C方向(水平方向)排列设有在层叠方向即箭头A方向上相互连通，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26a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28a。

在燃料电池12的箭头B方向的另一端缘部上沿箭头C方向排列设有在箭头A方向上相互连通，用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔28b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔26b。

在燃料电池12的箭头C方向的两端缘部上设有用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔30a及用于排出所述冷却介质的冷却介质出口连通孔30b。

在第一隔板(阴极侧隔板)22的朝向电解质膜-电极结构体20的面22a上设有与氧化剂气体入口连通孔26a和氧化剂出口连通孔26b连通的氧化剂气体流路32。

在第二隔板(阴极侧隔板)24的朝向电解质膜-电极结构体20的面24a上设有与燃料气体入口连通孔28a和燃料气体出口连通孔28b连通的燃料气体流路34。

在相互相邻的构成燃料电池12的第一隔板22的面22b与第二隔板24的面24b之间设有连通冷却介质入口连通孔30a和冷却介质出口连通孔30b的冷却介质流路36。

在第一隔板22的面22a、22b上一体或分体设有第一密封构件38，并且在第二隔板24的面24a、24b上一体或分体设有第二密封构件40。

第一及第二密封构件38、40使用例如EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸酯橡胶等密封材料、缓冲材料或填充材料。

电解质膜-电极结构体20具备：在例如全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固定高分子电解质膜42；夹持所述固定高分子电解质膜42的阴极侧电极44及阳极侧电极46。

阴极侧电极44及阳极侧电极46具有：由复写纸等构成的气体扩散层；在所述气体扩散层的表面均匀涂敷多孔性碳粒子而形成的电极催化剂层，该多孔性碳粒子在表面载持有铂合金。电极催化剂层形成在固定高分子电解质膜42的两面。

如图1所示，例如，在铝制的端板18a、18b之间架设有多根连结构件50。连结构件50具有例如铝制的长条板状，在燃料电池堆10的长边侧各配设两根，在所述燃料电池10的短边侧各配置一根。

就连结构件50的配置位置而言，在长边侧，设定在离开冷却介质入口连通孔30a及冷却介质出口连通孔30b的位置(偏离位置)，而在短边侧，设定在氧化剂气体入口连通孔26a和燃料气体入口连通孔28a之间、以及氧化剂气体出口连通孔26b和燃料气体出口连通孔28b之间。

燃料电池堆10具备：设置在端板18a、18b的侧面51a、51b和连结构件50上，用于沿紧固方向(箭头A方向)施加张力的保持机构52；用于使所述端板18a、18b的侧面51a、51b与所述连结构件50相互固定的固定机构54。相对于端板18a、18b，连结构件50的保持机构52及固定机构54同样构成。

如图3及图4所示，保持机构52具备：形成在端板18a、18b的侧面51a、51b上的第一孔部56a；分别在连结构件50的上下两端部上各形成两个的第二孔部56b；一体插入所述第一及第二孔部56a、56b的销构件58。销构件58由例如铁系材料构成。

在第一及第二孔部56a、56b内压入有由例如铁系材料构成的加强环60a、60b，所述加强环60a、60b内一体插入有销构件58。

固定机构54具备：位于第一孔部56a的两侧而设置在端板18a、18b的侧面51a、51b上的螺纹孔62；紧固在所述螺纹孔62内的螺钉64。

在连结构件50上与螺纹孔62相对应地形成有一对孔部66。在该连结构件50的表面侧配设有销盖68，螺钉64插入形成在所述销盖68上的一对孔部70内，并且该螺钉64通过孔部66紧固在螺纹孔62内。

在连结构件50上围绕第二孔部56b的两端开口形成有密封槽72a、72b，所述密封槽72a、72b内分别安装有O环74。连结构件50的背面侧，即，端板18a、18b的侧面51a、51b侧形成有厚壁部76，该厚壁部76与所述端板18a、18b的侧面51a、51b抵接。厚壁部76通过将连结构件50的燃料电池12侧形成为薄壁而形成。是为了防止与燃料电池12的干涉并实现连结构件50的轻量化。

如图1所示，端板18a上设有与氧化剂气体入口连通孔26a、燃料气体入口连通孔28a、冷却介质入口连通孔30a、氧化剂气体出口连通孔26b、燃料气体出口连通孔28b及冷却介质出口连通孔30b连通且向外部延伸的岐管(未图示)，另一方面，端板18b构成为闭塞的平板状。

以下，说明如此构成的燃料电池堆10的动作。

首先，如图2所示，向氧化剂气体入口连通孔26a供给含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔28a供给含氢气体等燃料气体。进而，向冷却介质入口连通孔30a供给纯水或甘醇、油等冷却介质。

因此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔26a被导入第一隔板22的氧化剂气体流路32。氧化剂气体沿箭头B方向移动的同时，向构成电解质膜-电极结构体20的阴极侧电极44供给。

另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔28a被导入第二隔板24的燃料气体流路34。该燃料气体沿箭头B方向移动的同时，向构成电解质膜-电极结构体20的阳极侧电极46供给。

因此，在电解质膜-电极结构体20中，向阴极侧电极44供给的氧化剂气体与向阳极侧电极46供给的燃料气体在电极催化剂层内由于电化学反应而消耗，进行发电。

接下来，向阴极侧电极44供给而消耗的氧化剂气体沿氧化剂气体出口连通孔26b向箭头A方向排出。另一方面，向阳极侧电极46供给而消耗的燃料气体沿燃料气体出口连通孔28b向箭头A方向排出。

另外，向冷却介质入口连通孔30a供给的冷却介质被导入第一及第二隔板22、24之间的冷却介质流路36后，沿箭头C方向流通。该冷却介质对电解质膜-电极结构体20进行冷却后，从冷却介质出口连通孔30b排出。

这种情况下，在第一实施方式中，燃料电池堆10具备：架设在一对端板18a、18b之间的多个连结构件50；设置在所述端板18a、18b的侧面51a、51b和所述连结构件50的两端，用于沿紧固方向施加张力的保持机构52；用于使所述端板18a、18b的侧面51a、51b与所述连结构件50的两端相互固定的固定机构54。

因此，通过保持机构52对连结构件50和端板18a、18b沿相互紧固方向施加张力，并且通过固定机构54维持对所述连结构件50和所述端板18a、18b的紧固力。因此，能够以简单的结构可靠地施加所希望的紧固力，并且通过连结构件50和保持机构52能够将端板18a、18b之间的距离维持为恒定。

进而，对燃料电池堆10施加外部载荷时，在固定机构54的作用下，能够防止连结构件50的剥落。

而且，能够得到如下效果：连结构件50能够承受来自外部的冲击，保护燃料电池12，并且防止所述燃料电池12变形(弯曲)。

进而，保持机构52具备：设置在端板18a、18b的侧面51a、51b上的第一孔部56a；设置在连结构件50的两端部上的第二孔部56b；一体插入所述第一及第二孔部56a、56b的销构件58。由此，保持机构52的结构具有简单化且经济的优点。

而且，在第一及第二孔部56a、56b内压入有由铁系材料构成的加强环60a、60b。因此，能够有效防止插入有销构件58来保持紧固载荷的第一及第二孔部56a、56b由于紧固载荷而产生变形的情况。

进而，形成在连结构件50的两端上的密封槽72a、72b内配设有O环74作为用于密封销构件58的密封构件。因此，尤其是在强度上，由于由铁系材料构成的销构件58从受水环境被隔离，因此能够防止所述销构件58产生电腐蚀的情况。

图5是本发明的第二实施方式的燃料电池堆80的立体说明图。

此外，对与第一实施方式的燃料电池堆10相同的构成要素附加相同的参照标号，省略其详细说明。

燃料电池堆80具备：架设在一对端板18a、18b之间的连结构件82；设置在所述端板18a、18b的侧面51a、51b和所述连结构件82上，用于沿相互紧固方向施加张力的保持机构84；用于使所述端板18a、18b的侧面51a、51b与所述连结构件82相互固定的固定机构86。

连结构件82与第一实施方式的连结构件50相同地，在长边侧各配设两根且在短边侧各配设一根，并且分别设置在偏离氧化剂气体入口连通孔26a、燃料气体入口连通孔28a、冷却介质入口连通孔30a、氧化剂气体出口连通孔26b、燃料气体出口连通孔28b、冷却介质出口连通孔30b的位置。

如图6所示，保持机构84具备：设置在端板18a、18b的侧面51a、51b上的突起部88；设置在连结构件82的两端，向所述连结构件82的宽度方向外方突出，并与所述突起部88卡合的突出部90。

突起部88以规定的长度从端板18a、18b的侧面51a、51b向外突出，并且在两端部设有突出的卡止部88a。突出部90跨突起部80而配置在层叠方向外方，并且在所述突起部88与所述突出部90之间夹装有用于进行所述层叠方向的尺寸调整的间隔构件92。

突出部90上设有悬挂部94，该悬挂部94通过形成向端板18a、18b的侧面51a、51b侧突出的阶梯部形状而与突起部88抵接。

固定机钩86具备：形成在端板18a、18b的侧面51a、51b上的螺纹孔96；形成在连结构件82的突出部90上的孔部98；插入所述孔部98而与所述螺纹孔96螺合的螺钉100。突出部90上设有用于配置螺钉100的凹部102。

在如此构成的第二实施方式中，设置在连结构件82的长度方向两端上的突出部90安装为跨设置在端板18a、18b上的突起部88。因此，突起部88和突出部90相互压力接触，相对于燃料电池堆80沿紧固方向施加张力。

此时，通过固定机构86维持对连结构件82和端板18a、18b的紧固力。由此，在第二实施方式中，能得到与上述第一实施方式相同的效果，除此之外，通过连结构件82和保持机构84能够调整端板18a、18b之间的距离。

Claims (3)

1.一种燃料电池堆，具有燃料电池，该燃料电池层叠有在电解质膜的两侧配设了一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板，所述燃料电池堆层叠有多个所述燃料电池，并且在层叠方向两端设有端板，所述燃料电池堆的特征在于，具备：

架设在一对所述端板之间的连结构件；设置在所述端板的侧面和所述连结构件上，用于沿紧固方向施加张力的保持机构；用于使所述端板的侧面与所述连结构件相互固定的固定机构，

所述保持机构具备：设置在所述端板的侧面上的突起部；设置在所述连结构件上，向所述连结构件的宽度方向外方突出，沿层叠方向外方跨所述突起部并与该突起部卡合的突出部，

所述固定机构具备：形成在所述端板的侧面上的螺纹孔；形成在所述连结构件的突出部上的孔部；插入所述孔部而与所述螺纹孔螺合的螺钉。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

在所述突起部与所述突出部之间夹装有用于进行所述层叠方向的尺寸调整的间隔构件。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，

所述燃料电池上设有在所述层叠方向上连通而使反应气体及冷却介质流动的流体连通孔，并且所述连结构件与所述端板的侧面的连结部位设置在偏离所述流体连通孔的位置。