CN103872371B

CN103872371B - 燃料电池堆

Info

Publication number: CN103872371B
Application number: CN201310643145.9A
Authority: CN
Inventors: 西山忠志; 奈良由介
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: US20140162166A1; CN103872371A; JP2014132558A; US9502732B2; JP6014571B2

Abstract

本发明提供一种燃料电池堆(10)。该燃料电池堆(10)在第一端板(20a)及第二端板(20b)之间配设有沿着层叠方向延伸并将层叠体(14)定位的顶销(62、64)。在第一端板(20a)及第二端板(20b)上设有用于供顶销(62、64)插入的插入孔部(58、60)。在插入孔部(58、60)的孔部内周面(58S、60S)上形成有向从顶销(62、64)分离的方向扩径的扩径面。

Description

燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆，其具有将电解质膜-电极结构体与隔板层叠而成的发电单元，且在层叠有多个所述发电单元的层叠体的层叠方向两端设有端板，其中，该电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有一对电极。

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)而成的发电单元，该电解质膜-电极结构体(MEA)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电极及阴极电极。该燃料电池通常通过将规定个数的发电单元层叠，而作为例如车载用燃料电池堆使用。

在燃料电池堆中，为了向层叠的各发电单元的阳极电极及阴极电极分别供给作为反应气体的燃料气体及氧化剂气体，而构成内部岐管的情况较多。该内部岐管具备沿着发电单元的层叠方向贯通设置的反应气体供给连通孔及反应气体排出连通孔。

在燃料电池堆中，尤其是作为车载用使用时，需要层叠相当多的发电单元。因此，必须将各发电单元彼此准确地定位，例如，已知有日本特开平09-134734号公报公开的燃料电池的组装方法。

该组装方法如图10所示，在电池堆1的加压用的加压板2上穿设单元组装用定位孔3，并将端面倒角后的长的PTFE制的顶销4以直立状态插入到所述定位孔3中。接着，依次将穿设有定位孔3的单元5各自的定位孔3与顶销4嵌合而将这些单元5层叠，由此构成电池堆1。然后，将电池堆1紧固固定。

发明的概要

然而，在车载用燃料电池堆中，作用有外部载荷的情况较多，例如，在与单元5的层叠方向交叉的方向、图10中的箭头H方向上容易施加有所述外部载荷。此时，顶销4在与加压板2的定位孔3嵌合的状态下，来抑制层叠的多个单元5的错动。因此，在顶销4上以加压板2的定位孔3为支点而集中地施加有过度的弯曲应力，从而在所述顶销4上产生损伤等。

发明内容

本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种通过简单的结构能够抑制在顶销上施加有过度的应力的情况的燃料电池堆。

本发明的燃料电池堆具有将电解质膜-电极结构体与隔板层叠而成的发电单元，其中，该电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有一对电极。在层叠有多个发电单元的层叠体的层叠方向两端设有端板。

在该燃料电池堆中，在端板之间配设有沿着层叠方向延伸并将层叠体定位的顶销。在端板上设有用于供顶销插入的插入孔部，在所述插入孔部的孔部内周面上形成有沿径向从该顶销分离并扩径的扩径面。

根据本发明，将顶销向端板的插入孔部插入，并且在所述插入孔的孔部内周面上形成有沿径向从所述顶销分离并扩径的扩径面。因此，在从与发电单元的层叠方向交叉的方向对燃料电池堆施加外部载荷时，顶销能够抑制所述发电单元的位置错动，另一方面，顶销在插入孔部内能够沿着扩径面倾斜。因此，通过简单的结构，能够抑制在顶销的特定的部位集中地施加有过度的应力的情况，从而能够尽可能地抑制所述顶销的损伤等。

上述的目的、特征及优点通过参照附图说明的以下的实施方式的说明能够容易理解。

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是所述燃料电池堆的剖视侧视图。

图3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4是表示所述燃料电池堆的顶销的立体说明图。

图5是在所述燃料电池堆上施加有外部载荷时的动作说明图。

图6是本发明的第二实施方式的燃料电池堆的剖视侧视图。

图7是本发明的第三实施方式的燃料电池堆的剖视侧视图。

图8是本发明的第四实施方式的燃料电池堆的剖视侧视图。

图9是本发明的第五实施方式的燃料电池堆的剖视侧视图。

图10是日本特开平09-134734号公报所公开的燃料电池的组装方法的说明图。

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具备将多个发电单元(燃料电池)12以竖立姿态沿着水平方向(箭头B方向)层叠而成的层叠体14。

如图1及图2所示，在层叠体14的层叠方向一方的端部依次配设有接线板16a、绝缘板18a及第一端板20a。在层叠体14的层叠方向另一方的端部依次配设有接线板16b、绝缘板18b及第二端板20b。接线板16a、16b设定为比绝缘板18a、18b小的平面尺寸，收容于在所述绝缘板18a、18b的中央部形成的开口部21a、21b内(参照图2)。

与接线板16a连接的输出端子22a从第一端板20a的大致中央部(或接近一边侧的位置)延伸，另一方面，与接线板16b连接的输出端子22b从第二端板20b的中央部延伸。由燃料电池堆10产生的电力被从输出端子22a、22b向外部取出。

如图1所示，第一端板20a及第二端板20b具有横长(也可以是纵长)的长方形形状，并且在各边之间配置连结杆24。各连结杆24经由螺栓26而将两端固定于第一端板20a及第二端板20b，对多个层叠的发电单元12施加层叠方向(箭头B方向)的紧固载荷。

如图3所示，发电单元12具有横长(也可以是纵长)的长方形形状，并且电解质膜-电极结构体30由第一隔板32及第二隔板34夹持。第一隔板32及第二隔板34例如由钢板、不锈钢板、铝板或镀敷处理钢板等金属隔板或碳隔板构成。

在发电单元12的箭头A方向(图3中的水平方向)的一端缘部，在箭头C方向(铅垂方向)上排列而设置有沿着作为层叠方向的箭头B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供给连通孔36a及用于排出燃料气体、例如含氢气体的燃料气体排出连通孔38b。

在发电单元12的箭头A方向的另一端缘部，在箭头C方向上排列而设置有沿着箭头B方向相互连通的用于供给燃料气体的燃料气体供给连通孔38a及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔36b。

在发电单元12的箭头C方向的上端缘部设有用于供给冷却介质的冷却介质供给连通孔40a，并且在所述发电单元12的箭头C方向的下端缘部设有用于排出所述冷却介质的冷却介质排出连通孔40b。

在第一隔板32的朝向电解质膜-电极结构体30的面32a上设有与氧化剂气体供给连通孔36a和氧化剂气体排出连通孔36b连通的氧化剂气体流路42。氧化剂气体流路42具有沿着水平方向(箭头A方向)延伸的多条流路槽。

在第二隔板34的朝向电解质膜-电极结构体30的面34a上设有与燃料气体供给连通孔38a和燃料气体排出连通孔38b连通的燃料气体流路44。燃料气体流路44具有沿着水平方向(箭头A方向)延伸的多条流路槽。

在构成彼此相邻的发电单元12的第一隔板32的面32b与第二隔板34的面34b之间设有将冷却介质供给连通孔40a和冷却介质排出连通孔40b连通的冷却介质流路46。

在第一隔板32及第二隔板34上分别一体地或分别地设有密封构件48、50。密封构件48、50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、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等密封件、缓冲件、或填密件等具有弹性的密封构件。

电解质膜-电极结构体30具备：例如在全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜52；夹持所述固体高分子电解质膜52的阴极电极54及阳极电极56。

阴极电极54及阳极电极56具有：由碳素纸等构成的气体扩散层；将在表面担载有铂合金的多孔质碳粒子均匀地涂敷在所述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜52的两面上。

在发电单元12的一方的对角位置，具体而言，在氧化剂气体排出连通孔36b的附近及氧化剂气体供给连通孔36a的附近分别设有定位用孔部57a、57b。需要说明的是，定位用孔部57a、57b也可以形成于在第一隔板32及第二隔板34上一体设置的绝缘性的树脂框构件上。而且，在电解质膜-电极结构体30中，也可以采用减小固体高分子电解质膜52的外周尺寸而在所述固体高分子电解质膜52上不设置定位用孔部57a、57b的结构。

定位用孔部57a、57b的设置位置只要在第一隔板32及第二隔板34的面内即可，并未特别限定。定位用孔部57a、57b优选设置在密封构件48、50的外侧，且可以分别设置2个以上。而且，定位用孔部57a、57b也可以设置在发电单元12的另一方的对角位置。在第一端板20a及第二端板20b上，在与定位用孔部57a、57b同轴上形成有插入孔部58、60。

如图2所示，在插入孔部58的孔部内周面58S上形成有沿径向从后述的顶销62分离并扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面58S的轴向(箭头B方向)两端侧分别设有作为扩径面的截面弯曲面58S1、58S2。截面弯曲面58S1、58S2相互连续，使孔部内周面58S具有单一的弯曲面形状(圆角面形状)。

在插入孔部60的孔部内周面60S上形成有沿径向从后述的顶销64分离并扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面60S的轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面弯曲面60S1、60S2。截面弯曲面60S1、60S2相互连续，使孔部内周面60S具有单一的弯曲面形状(圆角面形状)。

如图4所示，在第一端板20a和第二端板20b上配设有圆柱形状的顶销(杆构件)62、64，该顶销62、64沿着层叠方向延伸且一体地插入到插入孔部58、60及与插入孔部58、60同轴的定位用孔部57a、57b中。顶销62、64至少设置2根(也可以为2根以上)，与定位用孔部57a、57b嵌合。顶销62、64优选在各插入孔部58、60内的孔部内周面58S、60S处与开口的最小直径部嵌合(参照图2)。顶销62、64优选由SUS(不锈钢)、铝、铁等具有导电性的金属、PPS(聚苯硫醚)等具有绝缘性的树脂、碳等形成。

在绝缘板18a、18b上形成有比定位用孔部57a、57b及插入孔部58、60大径的孔部66a、66b。在第一端板20a及第二端板20b上设有顶销62、64的防脱用盖构件(未图示)。需要说明的是，也可以取代盖构件而使用例如开口环或开口销等。

如图1所示，在第一端板20a上形成有氧化剂气体供给连通孔36a、氧化剂气体排出连通孔36b、燃料气体供给连通孔38a、燃料气体排出连通孔38b、冷却介质供给连通孔40a及冷却介质排出连通孔40b，并且在这些连通孔上连接有未图示的岐管构件。需要说明的是，也可以将与连通孔连接的岐管构件分配给第一端板20a和第二端板20b。

以下，对该燃料电池堆10的动作进行说明。

首先，如图3所示，向氧化剂气体供给连通孔36a供给含氧气体等氧化剂气体，并向燃料气体供给连通孔38a供给含氢气体等燃料气体。而且，向冷却介质供给连通孔40a供给纯水或乙二醇、油等冷却介质。

因此，氧化剂气体从氧化剂气体供给连通孔36a向第一隔板32的氧化剂气体流路42导入。氧化剂气体沿着氧化剂气体流路42在水平方向上流动，并向构成电解质膜-电极结构体30的阴极电极54供给。

另一方面，燃料气体从燃料气体供给连通孔38a向第二隔板34的燃料气体流路44导入。该燃料气体沿着燃料气体流路44在水平方向上流动，并向构成电解质膜-电极结构体30的阳极电极56供给。

因此，在电解质膜-电极结构体30中，向阴极电极54供给的氧化剂气体与向阳极电极56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而进行发电。

接下来，向阴极电极54供给而被消耗后的氧化剂气体沿着氧化剂气体排出连通孔36b向箭头B方向排出。另一方面，向阳极电极56供给而被消耗后的燃料气体沿着燃料气体排出连通孔38b向箭头B方向排出。

另外，向冷却介质供给连通孔40a供给的冷却介质在被导入到第一隔板32及第二隔板34之间的冷却介质流路46之后，向箭头C方向流通。该冷却介质在将电解质膜-电极结构体30冷却之后，从冷却介质排出连通孔40b排出。

这种情况下，在第一实施方式中，如图2所示，在第一端板20a及第二端板20b上设有供顶销62、64插入的插入孔部58、60。并且，插入孔部58的孔部内周面58S在轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面弯曲面58S1、58S2。另一方面，插入孔部60的孔部内周面60S在轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面弯曲面60S1、60S2。

因此，例如图5所示，当从燃料电池堆10的侧方向箭头A方向施加外部载荷F时，层叠的发电单元12将顶销62向箭头A方向按压。因此，在顶销62上作用有弯曲应力。

此时，顶销62的端部在插入孔部58内能够倾斜。即，顶销62能够仿形于孔部内周面58S的作为扩径面的截面弯曲面58S1、58S2的形状而进行倾斜动作。由此，通过简单的结构能够抑制在顶销62的特定的部位集中地施加有过度的应力的情况，从而能够尽可能地抑制所述顶销62的损伤等。需要说明的是，在顶销64侧，能够得到与上述的顶销62侧同样的效果。

图6是本发明的第二实施方式的燃料电池堆80的剖视侧视图。需要说明的是，对于与第一实施方式的燃料电池堆10相同的构成要素，标注同一参照符号，并省略其详细的说明。而且，在以下说明的第三以后的实施方式中也同样省略其详细的说明。

燃料电池堆80具备在层叠方向两端配置的第一端板82a及第二端板82b。在第一端板82a及第二端板82b上取代插入孔部58、60而形成插入孔部84、86。

在插入孔部84的孔部内周面84S上形成有向从顶销62分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面84S的轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面弯曲面84S1、84S2，并且，所述截面弯曲面84S1、84S2彼此由比第一端板82a及第二端板82b的板厚短的截面平坦面84S3连结。

在插入孔部86的孔部内周面86S上形成有向从顶销64分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面86S的轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面弯曲面86S1、86S2，并且，所述截面弯曲面86S1、86S2彼此由比第一端板82a及第二端板82b的板厚短的截面平坦面86S3连结。

在该第二实施方式中，顶销62、64分别嵌合保持于孔部内周面84S、86S的截面平坦面84S3、86S3。并且，当向燃料电池堆80施加外部载荷F时，顶销62、64在插入孔部84、86内能够倾斜，能够抑制在所述顶销62、64的特定的部位集中地施加有过度的弯曲载荷(应力)的情况。由此，在第二实施方式中，能够得到与上述的第一实施方式同样的效果。

图7是本发明的第三实施方式的燃料电池堆90的剖视侧视图。

燃料电池堆90具备在层叠方向两端配置的第一端板92a及第二端板92b。在第一端板92a及第二端板92b上取代插入孔部58、60而形成有插入孔部94、96。

在插入孔部94的孔部内周面94S上形成有向从顶销62分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面94S的轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面倾斜面94S1、94S2，并且，所述截面倾斜面94S1、94S2彼此由比第一端板92a及第二端板92b的板厚短的截面平坦面94S3连结。截面倾斜面94S1、94S2优选为直线状。

在插入孔部96的孔部内周面96S上形成有向从顶销64分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面96S的轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面倾斜面96S1、96S2，并且，所述截面倾斜面96S1、96S2彼此由比第一端板92a及第二端板92b的板厚短的截面平坦面96S3连结。

在该第三实施方式中，顶销62、64分别嵌合保持于孔部内周面94S、96S的截面平坦面94S3、96S3。并且，当向燃料电池堆90施加外部载荷F时，顶销62、64在插入孔部94、96内能够倾斜，能够得到与上述的第一及第二实施方式同样的效果。

图8是本发明的第四实施方式的燃料电池堆100的剖视侧视图。

燃料电池堆100具备在层叠方向两端配置的第一端板102a及第二端板102b。在第一端板102a及第二端板102b上形成有插入孔部104、106。

在插入孔部104的孔部内周面104S上形成有向从顶销62分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面104S的轴向一端侧(内表面侧)设有作为扩径面的截面倾斜面104S1。在孔部内周面104S的轴向另一端侧(外表面侧)设有比第一端板102a及第二端板102b的板厚短的截面平坦面104S2。需要说明的是，也可以取代截面平坦面104S2而采用截面弯曲面(圆角面)。

在插入孔部106的孔部内周面106S上形成有向从顶销64分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面106S的轴向一端侧(内表面侧)设有作为扩径面的截面倾斜面106S1。在孔部内周面106S的轴向另一端侧(外表面侧)设有比第一端板102a及第二端板102b的板厚短的截面平坦面106S2。需要说明的是，也可以取代截面平坦面106S2而采用截面弯曲面(圆角面)。

在该第四实施方式中，顶销62、64分别嵌合保持于孔部内周面104S、106S的截面平坦面104S2、106S2。并且，当对燃料电池堆100施加外部载荷F时，顶销62、64在插入孔部104、106内能够倾斜，能够得到与上述的第一～第三实施方式同样的效果。

图9是本发明的第五实施方式的燃料电池堆110的剖视侧视图。

燃料电池堆110具备在层叠方向两端配置的第一端板112a及第二端板112b。在第一端板112a及第二端板112b上形成有阶梯孔部114、116。供顶销62插入的各阶梯孔部114的两端侧构成大径孔部，且从内侧(绝缘板18a、18b侧)插入有具有绝缘性的树脂套环构件118。由此，防止顶销62与第一端板112a及第二端板112b的直接接触，从而能够阻止触电的发生。

树脂套环构件118在筒形状的一端设有大径的凸缘部118a。凸缘部118a配置在阶梯孔部114的内侧的大径孔部。在树脂套环构件118的中央形成有插入孔部120。在插入孔部120的孔部内周面120S上形成有向从顶销62分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面120S的轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面倾斜面120S1、120S2。截面倾斜面120S1、120S2彼此由截面平坦面120S3连结。需要说明的是，树脂套环构件118也可以采用未设置凸缘部118a的结构。

在各阶梯孔部114的外侧的大径孔部配置有盖构件122。盖构件122由与树脂套环构件118相同的材料(或者也可以是不同的材料)形成，且在将顶销62的前端部覆盖的状态下通过螺钉124固定于第一端板112a及第二端板112b。

供顶销64插入的各阶梯孔部116的两端侧构成大径孔部，且从内侧(绝缘板18a、18b侧)插入有具有绝缘性的树脂套环构件126。由此，防止顶销64与第一端板112a及第二端板112b的直接接触，从而能够防止触电的发生。

树脂套环构件126在筒形状的一端设有大径的凸缘部126a。凸缘部126a配置在阶梯孔部116的内侧的大径孔部。在树脂套环构件126的中央形成有插入孔部128。在插入孔部128的孔部内周面128S上形成有向从顶销64分离的方向扩径的扩径面。具体而言，在孔部内周面128S的轴向两端侧分别设有作为扩径面的截面倾斜面128S1、128S2。截面倾斜面128S1、128S2彼此由截面平坦面128S3连结。需要说明的是，树脂套环构件126也可以采用未设置凸缘部126a的结构。

在各阶梯孔部116的外侧的大径孔部配置有盖构件130。盖构件130由与树脂套环构件126相同的材料(或者也可以是不同的材料)形成，且在将顶销64的前端部覆盖的状态下通过螺钉132固定于第一端板112a及第二端板112b。

在该第五实施方式中，顶销62、64嵌合保持于树脂套环构件118、126的孔部内周面120S、128S的截面平坦面120S3、128S3。并且，当对燃料电池堆110施加外部载荷F时，顶销62、64在插入孔部120、128内能够倾斜，能够得到与上述的第一～第四实施方式同样的效果。

需要说明的是，插入孔部120、128与第三实施方式同样地构成，但并未限定于此，也可以与第一实施方式、第二实施方式或第四实施方式同样地构成。而且，在一方的端板与绝缘板之间也可以设置具有弹性的弹簧构件。

Claims

1.一种燃料电池堆，其具有将电解质膜-电极结构体与隔板层叠而成的发电单元，且在层叠有多个所述发电单元的层叠体的层叠方向两端设有端板，其中，该电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有一对电极，所述燃料电池堆的特征在于，

在所述端板之间配设有顶销，该顶销沿着所述层叠方向在一对所述端板之间一体地延伸，来将所述层叠体定位，并且，

在所述端板上设有用于供所述顶销插入的插入孔部，在所述插入孔部的孔部内周面上形成有沿径向从该顶销分离并扩径的扩径面，

在所述孔部内周面的轴向至少一端侧设有作为所述扩径面的截面弯曲面或截面倾斜面。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

在所述孔部内周面的轴向两端侧分别设有作为所述扩径面的截面弯曲面或截面倾斜面，并且，所述截面弯曲面彼此或所述截面倾斜面彼此由截面平坦面连结。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

在所述孔部内周面的轴向一端侧设有作为所述扩径面的截面弯曲面或截面倾斜面，并且，在所述孔部内周面的轴向另一端侧设有与所述截面弯曲面或所述截面倾斜面连结的截面平坦面或圆角面。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

所述燃料电池堆具备向在所述端板上设置的孔部插入的树脂套环构件，

在所述树脂套环构件上形成有所述插入孔部。