CN104798238B - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆(FS)，其具有：至少两个以上的电池模块(M)，该电池模块(M)是由多个燃料电池单元(C)彼此层叠并一体化而成的；密封板件(P)，其夹设在电池模块(M)之间，并且密封板件(P)具有将密封板件(P)与电池模块(M)的周缘部之间密封的密封构件(52、53)，在电池模块(M)和密封板件(P)之间的密封内侧区域设置有用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件(11、12)，从而良好地进行层叠方向的荷重传递。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种具有由多个燃料电池单元层叠而成的结构的燃料电池堆。
背景技术
作为该种燃料电池堆，关于燃料电池堆结构的名称在专利文献1中被公开。专利文献1公开的燃料电池堆结构如下：将多个电池层叠起来构成多电池模块，将多个该多电池模块在电池层叠方向上串联排列，利用密封条(日文：ビードガスケート)将多电池模块间密封起来。
专利文献1：日本国特开2005-190706号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，对于上述那样的燃料电池堆结构而言，形成为在多电池模块彼此之间夹设像密封条这样不同种类的构件的结构，存在由于构件的尺寸误差导致层叠方向的荷重传递不充分的问题，由此，可能在各电池(燃料电池单元)的发电性能方面存在偏差等。
本发明是鉴于上述以往的状况做成的，其目的在于提供一种燃料电池堆，该燃料电池堆具有两个以上的电池模块和夹设在电池模块间的新的密封板件，能够良好地进行层叠方向的荷重传递。
用于解决问题的方案
本发明的燃料电池堆具有：电池模块，其至少存在两个以上，由多个燃料电池单元彼此层叠并一体化而成；密封板件，其夹设在电池模块之间。密封板件在其周缘部上具有将密封板件的周缘部和电池模块的周缘部之间密封的密封构件。而且，燃料电池堆构成为在电池模块和密封板件之间的密封内侧区域设置有用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，燃料电池单元具有膜电极接合体、和夹持膜电极接合体的一对隔板，所述构件接触部件是使相邻的电池模块的层叠端部的隔板彼此相对并在层叠方向上传递荷重的部件，具有形成于电池模块的密封内侧区域的凸部和形成于密封板件且用于使两侧的电池模块的凸部接触的薄壁部，并且将上述结构作为解决以往的课题的手段。
发明的效果
本发明的燃料电池堆采用上述结构，具有两个以上的电池模块和夹设在电池模块间的密封板件，能够良好地进行层叠方向的荷重传递。由此，能够实现各燃料电池单元的面压、接触电阻的均匀化以及各燃料电池单元的发电功能的均匀化。
附图说明
图1的(A)是燃料电池堆的立体图，图1的(B)是燃料电池堆的立体分解图。
图2的(A)是电池模块的俯视图，图2的(B)是密封板件的俯视图。
图3是用于说明本发明的燃料电池堆的一个实施例的、电池模块间的局部剖视图。
图4是用于说明本发明的燃料电池堆的其他实施方式的、电池模块间的局部剖视图。
图5的(A)是表示粘接剂硬化温度和电池模块的变形量以及接触面积的关系的图表，图5的(B)是电池模块的说明图。
图6的(A)、(B)是用于说明燃料电池堆的其他实施方式的各个剖视图。
图7的(A)、(B)是用于说明燃料电池堆的其他实施方式的各个剖视图。
具体实施方式
(第1实施方式)
对于图1所示的燃料电池堆FS，尤其是如图1的(B)所示那样，其具有：电池模块M，该电池模块M至少存在两个以上，是由多个燃料电池单元C彼此层叠并一体化而成的；密封板件P，其夹设在电池模块M之间。如图2所示，图示例的燃料电池单元C和密封板件P形成为长方形形状，它们的长宽尺寸分别大致相同。另外，虽然在图1的(B)中示出两个电池模块M和一个密封板件P，但实际上，层叠有比以上的数目多的电池模块M和密封板件P。
另外，燃料电池堆FS在电池模块M的层叠方向的两端部分别配置有端板56A、56B，在作为燃料电池单元C的长边侧的两个面上(图1中的上下面)设置有连结板57A、57B，并且在作为短边侧的两个面上设置有加强板58A、58B。各连结板57A、57B和加强板58A、58B利用未图示的螺栓与两个端板56A、56B相连结。
这样一来，燃料电池堆FS形成为像图1的(A)所示的盒体型结构，在层叠方向上对各电池模块M和密封板件P进行束缚和加压并向各个燃料电池单元C上施加规定的接触面压，以维持气体密封性、导电性等良好。
图3是沿着燃料电池单元C的短边方向的燃料电池堆FS的主要部件的剖视图。燃料电池单元C具有：膜电极接合体1、夹持膜电极接合体1的一对隔板2、2，并且在膜电极接合体1和各隔板2、2之间形成有阴极气体和阳极气体各自的气体流路GC、GA。
膜电极接合体1一般被称为MEA(Membrane Electrode Assembly)，省略详细的图示，具有利用阴极电极层和阳极电极层夹持由固体高分子构成的电解质层而成的结构。该膜电极接合体1是在其外周上一体化有树脂制的框架(未图示)而形成的，在框架上形成有能够用于进行反应气体的供给和排出的歧管孔等。
如图3所示，各隔板2是具有表背翻转形状的金属制的板构件，例如是不锈钢制的，能够通过冲压加工成形成适宜的形状。隔板2的至少与膜电极接合体1对应的部分形成为截面凹凸形状。该隔板2沿着长边方向连续地具有截面凹凸形状，在使波形凸部与膜电极接合体1接触的同时，在波形凹部和膜电极接合体1之间形成阴极的气体流路GC和阳极的气体流路GA。
如图2的(A)所示，上述燃料电池单元C在短边两侧分别排列有3个歧管孔H1～H3、H4～H6。这些歧管孔H1～H6分别形成于膜电极接合体1的框架、各隔板2的相同位置，在构成了燃料电池单元C时彼此连通。
图2的左侧所示的各歧管孔H1～H3从上侧依次为阴极气体供给用歧管孔(H1)、冷却液排出用歧管孔(H2)以及阳极气体排出用歧管孔(H3)，各歧管孔在层叠方向上彼此连通而形成各个流路。另外，图2的右侧所示的各歧管孔H4～H6从上侧依次为阳极气体供给用歧管孔(H4)、冷却液供给用歧管孔(H5)以及阴极气体排出用歧管孔(H6)，各歧管孔在层叠方向上彼此连通而形成各个流路。各歧管孔H1～H6的供给和排出的位置关系即使一部分或者全部颠倒过来亦可。
另外，虽然省略图示，但在膜电极接合体1的框架和各隔板2的缘部彼此之间、在歧管孔H1～H6的周围配置有密封材料。这些密封材料也作为后述的粘接剂发挥功能，因此，将膜电极接合体1和隔板2气密地接合。此时，配置于膜电极接合体1的框架和隔板2的缘部的密封材料用于维持各气体流路GC、GA的气密性。另外，配置于歧管孔H1～H6的周围的密封材料在维持气密性的同时，在该位置具有开口以供给与各层间对应的流体。
上述燃料电池单元C层叠规定个数而形成电池模块M。此时，在邻接的燃料电池单元C彼此之间形成有冷却液(例如水)的流路F，并且在邻接的电池模块M彼此之间也形成有冷却液的流路F。因此，所述密封板件P被配置在电池模块M彼此之间、即冷却液的流路F内。
所述密封板件P与上述燃料电池单元C独立地形成，如图2的(B)所示，在板件基板50的两端部形成有与燃料电池单元C相同的歧管孔H1～H6。
板件基板50成形为具有导电性的一张金属板，形成为俯视观察时与上述燃料电池单元C大致相同形状且相同大小。通过利用导电性的金属板形成该板件基板50，能够长时间稳定地进行通电。
密封板件P在歧管孔H1～H6的各自周围沿着整个周长环状地形成有密封构件51，另外，在该板件基板50的最外周缘部沿着整个周长环状地形成有外周密封构件52，而且，在该外周密封构件52的内侧隔开所需间隔地沿着整个周长环状地形成有内周密封构件53。设置于各歧管孔H1～H6的周围的各密封构件51以使这些密封构件彼此独立的方式形成。
上述密封板件P利用外周密封构件52防止来自外部的雨水等的进入，并且利用内周密封材料53防止在电池模块M间的流路F流通的冷却液泄露，除此之外，也实现电绝缘。而且，密封板件P可容易地进行拆卸，以使得将密封构件51～53从电池模块M剥离。
如上述那样，燃料电池堆FS具有：电池模块M，该电池模块M至少存在两个以上，是由多个燃料电池单元C彼此层叠并一体化而成的；密封板件P，其夹设在电池模块M之间，并且，密封板件P具有对密封板件P和电池模块M的周缘部之间进行密封的外周和内周的密封构件53、53。
重要的是，燃料电池堆FS是在由燃料电池单元C构成的电池模块M彼此之间夹设有作为不同种类的构件的密封板件P而形成的。因此，燃料电池堆FS为了良好地进行层叠方向的荷重传递，在电池模块M和密封板件P之间的密封内侧区域设置用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件。
对于图3所示的实施方式的燃料电池堆FS而言，所述构件接触部件具有：凸部11，其形成于电池模块M的密封内侧区域；开口部12，其形成于密封板件P并且用于使两侧的电池模块M的凸部彼此接触。即、在该实施方式中，由凸部11和开口部12构成构件接触部件。
在这里，形成于电池模块M的凸部11用作上述的隔板2的波形凸部。即、所述凸部11能够以如下方式形成：至少在电池模块M的层叠端部的燃料电池单元C上，将该燃料电池单元C的层叠外侧的隔板2的波形凸部设定得比规定的高度高。
另外，在燃料电池单元C的至少一侧的隔板2上，例如使中央区域的波形凸部比规定的高度稍高，并将使用了该隔板2的燃料电池单元C层叠起来才能形成所述凸部11。当层叠这样的燃料电池单元C时，将各隔板2的波形凸部的剩余高度叠加，如后述的图5和图6所示，电池模块M弯曲成使其中央部分鼓出的状态。这样一来，也能够将由电池模块M弯曲而形成的凸曲面作为凸部11。另外，在图5和图6中，夸张地示出凸曲面的曲率，而实际上只是曲率半径较大的凸曲面，外观非常接近平坦面。
密封板件P的开口部12在比上述的外周密封构件52和内周密封构件53靠内侧的位置，形成为可供两侧的电池模块M的凸部11进入的大小，在开口部12的内部，使两侧的电池模块M的凸部11彼此接触。因此，一侧的电池模块M的凸部11的突出高度是密封板件P的厚度的一半左右。
上述的燃料电池堆FS是具有两个以上的电池模块M和夹设在电池模块M之间的密封板件P的结构，穿过构件接触部件即、密封板件P的开口部12，使邻接的电池模块M的凸部11彼此接触，因此，即使存在构件间的尺寸误差等，也能够良好地进行层叠方向的荷重传递。
即、燃料电池堆FS是在电池模块M彼此之间夹设有不同种类的构件(密封板件P)而成的结构，能够在层叠方向上进行充分的荷重传递。由此，能够实现各燃料电池单元C的面压及接触电阻的均匀化，能够实现各燃料电池单元C的发电功能的均匀化。
另外，燃料电池堆FS伴随着上述荷重传递的提高、以及面压和接触电阻的均匀化，作用于密封板件P的外周密封构件52和内周密封构件53的面压也变得充分且均匀，能够使密封板件P的密封性能提高。
而且，对于燃料电池堆FS而言，可容易地将密封板件P相对于电池模块M拆卸下来，因此，具有如下优点：在任一燃料电池单元C产生不良的情况下，可以只更换包含该燃料电池单元C的电池模块M，能够继续使用其他的燃料电池单元C以及电池模块M。
(第2实施方式)
图4是表示本发明的燃料电池堆的其他实施方式的图。此外，在以下的实施方式中，对于与之前的实施方式相同的结构部位，标注相同的附图标记而省略详细的说明。
在图示的燃料电池堆FS中，用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件具有形成于电池模块M的密封内侧区域的凸部11和形成于密封板件P且用于使两侧的电池模块M的凸部11彼此接触的开口部12。而且，在该实施方式中，如图4中的假定线所示，所述凸部11成为由电池模块M弯曲而形成的凸曲面。
在该实施方式的燃料电池堆FS中，如之前的实施方式所说明的那样，燃料电池单元C在膜电极接合体1的框架和隔板2的缘部彼此之间设置有具有密封功能和接触功能的密封材料S，因为在发电中会发热，所以在密封材料S中使用热硬化性粘接剂。
在这里，膜电极接合体1的框架是树脂制的，隔板2是金属制的。当利用热硬化性粘接剂将这样的不同种类的材料彼此接合起来时，硬化后，粘接剂将收缩，其结果，燃料电池单元C伴随着外周部的收缩而中央部发生鼓出变形。因此，当层叠多个这样的燃料电池单元C以构成电池模块M时，各燃料电池单元C的鼓出变形量叠加，如图5和图6所示，电池模块M弯曲成使其中央部分鼓出的状态。将由该电池模块M弯曲而形成的凸曲面作为凸部11。
图5的(A)是表示粘接剂硬化温度、电池模块M的变形量以及接触面积的关系的图表，图5的(B)是电池模块M的说明图。即、对于电池模块M而言，因为粘接剂加热硬化时的温度是自由状态下的温度，如图5的(A)所示，硬化温度和室温(RT)的温度差越大，之后的热收缩量越大。其结果，如图5的(B)所示，涂敷了粘接剂的外周部(Tedge)积极地收缩，并且外周部和中央部(Tcent)的差值(ΔT)变大。另外，外周部和中央部的厚度的差值与图5的(B)所示的接触面积成反比。因此，通过选择硬化温度不同的粘接剂(密封材料S)等来制造电池模块M，从而能够将该电池模块M的两个面形成为凸曲面，也能够调整鼓出量。
上述的燃料电池堆FS与之前的实施方式一样，是具有电池模块M和夹设在电池模块M之间的密封板件P的结构，，使邻接的电池模块M的凸部11穿过密封板件P的开口部12而彼此接触，因此即使存在构件间的尺寸误差等，也能够良好地进行层叠方向的荷重传递。
另外，在能够实现各燃料电池单元C的面压、接触电阻均匀化、且各燃料电池单元C的发电功能均匀化的同时，作用于密封板件P的外周密封构件52和内周密封构件53的面压也变得充分且均匀，能够使密封板件P的密封性能提高。
但是，上述的电池模块M中，在理想的情况下，如果燃料电池单元C平坦且具有均匀的厚度，则这些燃料电池单元C层叠时的面压的分布也是均匀的。但是，如上所述，当利用热硬化性粘接剂将膜电极接合体1的树脂制的框架和金属制的隔板2相接合时，燃料电池单元C的中央部处于鼓出的状态。
因此，在本发明中，巧妙地利用由燃料电池单元C的鼓出而形成的电池模块M的凸曲面和夹设在电池模块M之间的密封板件P，利用由凸曲面产生的凸部11和隔板2的开口部12构成构件接触部件，由此，良好地进行层叠方向的荷重传递，使作用于密封板件P的外周密封构件52和内周密封构件53的面压充分且均匀。
(第3实施方式)
图6是表示本发明的燃料电池堆的其他实施方式的图。此外，在以下的实施方式中，对于与之前的实施方式相同的结构部位，标注相同的附图标记而省略详细的说明。
在图6的(A)和(B)所示的各个燃料电池堆FS中，作为用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，具有形成于电池模块M的密封内侧区域的凸部11。该凸部11可以是利用如图3所示的隔板2的波形凸部而得到的凸曲面、利用由于使用如图4所示的热硬化性粘接剂而产生的燃料电池单元C的鼓出变形时所得到的凸曲面中的任一个。
在图6的(A)所示的燃料电池堆FS中，作为构件接触部件，具有上述的凸部11和形成于密封板件P的开口部12。另外，在图6的(B)所示的燃料电池堆FS中，作为构件接触部件，具有上述的凸部11和形成于密封板件P且用于使两侧的电池模块M的凸部11接触的薄壁部13。
上述的燃料电池堆FS与之前的实施方式一样，即使存在构件间的尺寸误差等，也能够良好地进行层叠方向的荷重传递，实现各燃料电池单元C的面压、接触电阻的均匀化，实现各燃料电池单元C的发电功能的均匀化，并且能够使密封板件P的密封性能提高。另外，由于在密封板件P上形成有开口部12、薄壁部13，从而能够具有密封板件P的轻质化、材料的成品率提高等效果，也能够实现冷却液的流通性的提高。
(第4实施方式)
图7是表示本发明的燃料电池堆的其他实施方式的图。在如图7的(A)和(B)所示的燃料电池堆FS中，作为用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，具有形成于电池模块M的密封内侧区域的凸部11。该凸部11可以是利用如图3所示的隔板2的波形凸部而得到的凸曲面、利用由于使用如图4所示的热硬化性粘接剂而产生的燃料电池单元C的鼓出变形时所得到的凸曲面中的任一个。
在图7的(A)所示的燃料电池堆FS中，作为构件接触部件，具有：上述凸部11、形成于密封板件P的开口部12以及配置于所述开口部12内的间隔物14。在该实施方式的情况下，两侧的电池模块M的凸部11进入开口部12并与间隔物14接触。
另外，在如图7的(B)所示的燃料电池堆FS中，作为电池模块M的构件接触部件，具有上述的凸部11、夹设在电池模块M和密封板件P之间的间隔物15。在该实施方式的情况下，使用无开口部的密封板件P，间隔物15配置于电池模块M的凸部11的外周部分、即由凸部11形成的电池模块M和密封板件P的间隙。
另外，可在密封板件P上对密封构件51～53进行成形加工的同时，也对间隔物14、15进行成形加工。例如，在密封板件P上对橡胶材料进行注射成型，同时将密封构件51～53和间隔物14、15成形。
上述的燃料电池堆FS与之前的实施方式一样，即使存在构件间的尺寸误差等，也能够良好地进行层叠方向的荷重传递，能够实现各燃料电池单元C的面压、接触电阻的均匀化，实现各燃料电池单元C的发电功能的均匀化，并且能够使密封板件P的密封性能提高。另外，由于采用间隔物14、15，除了提高用于使荷重传递进一步提高的调整的自由度以外，通过间隔物14、15采用弹性体，还能够获得荷重传递的提高、层叠方向的位移吸收等效果。
而且，图6和图7所示的各燃料电池堆FS根据电池模块M的变形量、密封板件P的厚度等可以适当地选择各实施方式所示的凸部11、开口部12、薄壁部13以及间隔物14、15，或者将这些构件组合起来，从而达到较高的设计自由度。而且，可以自由地设定间隔物的数量、形状。
本发明的燃料电池堆的结构并不仅限于上述各实施方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内适当地改变结构的细节部分，或者将上述各实施方式的结构进行适当地组合。
附图标记说明
C 燃料电池单元
FS 燃料电池堆
M 电池模块
P 密封板件
11 凸部(构件接触部件)
12 开口部(构件接触部件)
13 薄壁部(构件接触部件)
14 15 间隔物(构件接触部件)
52 外周密封构件
53 内周密封构件

Claims (7)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，其具有：
电池模块，其至少存在两个以上，其是由多个燃料电池单元彼此层叠并一体化而成的；
密封板件，其夹设在电池模块之间，并且
密封板件具有将密封板件与电池模块的周缘部之间密封的密封构件，
在电池模块和密封板件之间的密封内侧区域设置有用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，
燃料电池单元具有膜电极接合体、和夹持膜电极接合体的一对隔板，
所述构件接触部件是使相邻的电池模块的层叠端部的隔板彼此相对并在层叠方向上传递荷重的部件，具有形成于电池模块的密封内侧区域的凸部和形成于密封板件且用于使两侧的电池模块的凸部接触的薄壁部。
2.一种燃料电池堆，其特征在于，
其具有：
电池模块，其至少存在两个以上，其是由多个燃料电池单元彼此层叠并一体化而成的；
密封板件，其夹设在电池模块之间，并且
密封板件具有将密封板件与电池模块的周缘部之间密封的密封构件，
在电池模块和密封板件之间的密封内侧区域设置有用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，
燃料电池单元具有膜电极接合体、和夹持膜电极接合体的一对隔板，
所述构件接触部件是使相邻的电池模块的层叠端部的隔板彼此相对并在层叠方向上传递荷重的部件，具有形成于电池模块的密封内侧区域的凸部和形成于密封板件且用于使两侧的电池模块的凸部彼此接触的开口部。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述凸部是由电池模块弯曲而形成的凸曲面。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述构件接触部件具有夹设在电池模块和密封板件之间的间隔物。
5.一种燃料电池堆，其特征在于，
具有：
电池模块，其至少存在两个以上，其是由多个燃料电池单元彼此层叠并一体化而成的；
密封板件，其夹设在电池模块之间，并且
密封板件具有将密封板件与电池模块的周缘部之间密封的密封构件，
在电池模块和密封板件之间的密封内侧区域设置有用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，
所述构件接触部件包含形成于电池模块的密封内侧区域的凸部，是在相邻的电池模块彼此之间使相邻的电池模块的层叠端部的隔板、密封板件、以及夹设于电池模块之间的间隔物中的两个部件彼此接触并向层叠方向传递荷重的部件。
6.一种燃料电池堆，其特征在于，
具有：
电池模块，其至少存在两个以上，其是由多个燃料电池单元彼此层叠并一体化而成的；
密封板件，其夹设在电池模块之间，并且
密封板件具有将密封板件与电池模块的周缘部之间密封的密封构件，
在电池模块和密封板件之间的密封内侧区域设置有用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，
所述构件接触部件包含形成于电池模块的密封内侧区域的凸部，是使相邻的电池模块的层叠端部的隔板彼此接触、或者使相邻的电池模块的层叠端部的隔板彼此与密封板件接触、或者使相邻的电池模块的层叠端部的隔板彼此与间隔物接触，并在层叠方向上传递荷重的部件。
7.一种燃料电池堆，其特征在于，
具有：
电池模块，其至少存在两个以上，其是由多个燃料电池单元彼此层叠并一体化而成的；
密封板件，其夹设在电池模块之间，并且
密封板件具有将密封板件与电池模块的周缘部之间密封的密封构件，
在电池模块和密封板件之间的密封内侧区域设置有用于在层叠方向上传递荷重的构件接触部件，
燃料电池单元具有膜电极接合体、和夹持膜电极接合体的一对隔板，
所述构件接触部件包含形成于电池模块的密封内侧区域的凸部，是使相邻的电池模块的层叠端部的隔板彼此相对并在层叠方向上传递荷重的部件。
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