CN104798239B - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

形成一种燃料电池堆(A)，该燃料电池堆(A)具有将多个单电池(20)进行层叠来形成电池模块(M)、并且将多个该电池模块(M)进行层叠并在层叠方向上以一对端板(10，11)进行夹持的构造，其中，该单电池(20)是以一对隔板(40，41)夹持膜电极接合体(33)而成的，在电池模块(M)彼此之间以及在层叠两端的电池模块(M)与各端板(10，11)之间，具备用于密封反应用气体的密封板(P1)，在各密封板中的至少一个密封板(P1)处设置有向电池外侧突出的电压测量用端子(PT)，该燃料电池堆(A)不另外追加密封构造就能够进行所需的部位的电压测量。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种具备层叠多个单电池而成的电池模块的燃料电池堆，特别涉及到具有各单电池、电池模块的电压测量功能的燃料电池堆的改良。
背景技术
以往，作为如上所述的燃料电池堆，例如有专利文献1所记载的燃料电池堆。专利文献1所记载的燃料电池堆层叠了多个以一对隔板夹持膜电极接合体而成的电池(单电池)，在各电池的同极的隔板处设置有向电池外侧突出的电压监视用连接构造。在这种燃料电池堆中，由于只是单侧的电压监视用连接构造，因此对于电池层叠体端的电池无法进行电压监视。
因此，燃料电池堆在电池层叠体端处配置与隔板相同形状的导电性的盖板，在该盖板处设置电压监视用连接构造。然后，燃料电池堆使用邻接的电池的隔板之间的连接器来进行电压监视，并且使用盖板的连接器对电池层叠体端的电池进行电压监视，由此能够进行所有电池的电压监视。
专利文献1：日本特开2002-352820号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在如上所述的以往的燃料电池堆中，需要在隔板与盖板之间另外追加用于密封反应用气体的密封构造，因此存在部件数量增加并且构造复杂化的问题，要解决的就是这种问题。
本发明的目的在于提供如下一种燃料电池堆：在具备层叠多个单电池而成的电池模块的燃料电池堆中，不另外追加密封构造就能够进行所需的部位的电压测量。
用于解决问题的方案
本发明的燃料电池堆具有将多个单电池进行层叠来形成电池模块、并且将多个该电池模块进行层叠并在层叠方向上以一对端板进行夹持的构造，其中，各单电池是以一对隔板夹持膜电极接合体而成的。而且，燃料电池堆构成为在电池模块彼此之间以及在层叠端的电池模块与端板之间，具备用于密封反应用气体的密封板，在各密封板中的至少一个密封板处设置有向电池外侧突出的电压测量用端子，将上述结构作为用于解决问题的方案。
发明的效果
根据本发明，在具备层叠多个单电池而成的电池模块的燃料电池堆中，能够使用电池模块自身所具有的密封构造来密封反应气体，因此不另外追加特别的密封构造就能够进行所需的部位的电压测量，从而还能够有助于削减成本等。
附图说明
图1是本发明所涉及的燃料电池堆的概要外观立体图。
图2是说明构成电池模块的隔板、膜电极接合体以及密封板的配置的一侧的面的俯视图(A)和另一侧的面的俯视图(B)。
图3是图2的(A)所示的正极侧隔板的放大俯视图(A)和膜电极接合体的放大俯视图(B)。
图4是图2所示的密封板的放大俯视图。
图5是电池模块的剖视图。
图6是说明本发明的燃料电池堆的一个实施方式的概要剖视图(A)和密封板的俯视图(B)。
图7是说明本发明的燃料电池堆的另一实施方式的概要剖视图(A)以及密封板和隔板的俯视图(B)。
图8是表示密封板的电压测量用端子的主视图(A)和剖视图(B)。
图9是说明本发明的燃料电池堆的再一实施方式的概要剖视图。
具体实施方式
〈第一实施方式〉
下面，基于附图来说明本发明的燃料电池堆的一个实施方式。在此，图1～图5是说明燃料电池堆的结构的图，图1是本发明的燃料电池堆的概要外观立体图。图2的(A)是说明构成电池模块的隔板、膜电极接合体以及密封板的配置的一侧的面的俯视图，图2的(B)是另一侧的面的俯视图。图3的(A)是图2的(A)所示的正极(cathode)侧隔板的放大俯视图，图3的(B)是膜电极接合体的放大俯视图(B)。图4是图2所示的密封板的放大俯视图，图5是电池模块的剖视图。
图1所示的燃料电池堆A具有层叠多个电池模块M并利用一对端板10、11夹持其层叠体的构造。而且，在电池模块M彼此之间以及在层叠两端的电池模块M、M与各端板10、11之间，插入安装有用于密封反应用气体和/或冷却流体的密封板P。
电池模块M是层叠多个单电池20而成的，其外壁面由后述的电池框架30的凸缘部32和粘接剂9构成。由此，防止水浸入电池模块M的内部并且实现电绝缘。此外，图1中例示了将五块单电池20层叠粘接，但是并不限于该块数，另外，省略表示粘接剂层。
上述的单电池20是以图2和图3的(B)所示的一对隔板40、41夹持图2和图3的(A)所示的电池框架30而成的。该单电池20在电池框架30与各隔板40、41之间形成有用于使反应用气体流通的气体流通路F1、F2。反应用气体是含氧气体(正极气体)和含氢气体(负极(anode)气体)。
电池框架30是绝缘构件，具体地说是树脂制的，在本实施方式中，电池框架30在从单电池20的层叠方向α观察到的主视图中为横长方形，且遍及形成为固定板厚的基板31的整周形成有向表里两面突出的凸缘部32。在该电池框架30的中央部分设置有膜电极接合体33，在其两侧(两端部)配置有歧管部ML、MR。
膜电极接合体33被称为MEA(Membrane Electrode Assembly：膜电极组件)，例如具有利用一对电极夹持包括固体高分子的电解质膜的构造。
上述歧管部ML、MR用于分别进行含氢气体、含氧气体以及冷却流体的流入流出，在这些歧管部ML、MR与膜电极接合体33之间形成有作为含氢气体或含氧气体的流通区域的扩散区域D、D。冷却流体例如是水。
一侧部的歧管部ML包括歧管孔M1～M3。各歧管孔M1～M3是含氧气体供给用(M1)、冷却流体供给用(M2)以及含氢气体供给用(M3)的歧管孔，在层叠方向α上连续地形成各个流通路。
另一方的歧管部MR包括歧管孔M4～M6。各歧管孔M4～M6是含氢气体排出用(M4)、冷却流体排出用(M5)以及含氧气体排出用(M6)的歧管孔，在层叠方向α上连续地形成各个流通路。此外，供给用和排出用也可以一部分或全部为相反的位置关系。
扩散区域D分别形成于电池框架30与各隔板40、41之间、即电池框架30的两面侧，以规定间隔配置有多个未图示的适当形状的突起。
在此，图2的(A)是表示正极和负极的隔板40、41、电池框架30和膜电极接合体33、以及密封板P1的一侧的面的图，图2的(B)是将图2的(A)所示的各构件绕图2上下方向的轴翻转来表示各构件的另一侧的面的图。因此，图2的(A)所示的各构件以最下层所示的密封板P1为上侧的方式依次层叠。另外，图2的(B)所示的各构件以最上层所示的正极侧隔板41为上侧的方式依次层叠。
在电池框架30中，如图2和图3的(A)所示，在遍及外缘部的整周的部分和歧管孔M1～M6的周围的部分连续地设置有粘接密封件80。此时，在图2的(A)所示的电池框架30的正极面上，粘接密封件80在含氧气体的供给用和排出用的歧管孔M1、M6的部分处开放以使含氧气体流通，并围绕除此以外的歧管孔M2～M5。
另外，在图2的(B)所示的电池框架30的负极面上，粘接密封件80在含氢气体的供给用和排出用的歧管孔M3、M4的部分处开放以使含氢气体流通，并围绕除此以外的歧管孔M1、M2、M5及M6。
隔板40、41例如是对不锈钢等的金属板进行压制成型而得到的，如图2和图3的(B)所示那样形成为能够配置于上述电池框架30的凸缘部32的内侧区域的大小的横长方形。
该隔板40(41)、特别是正极侧的隔板41如图3的(B)所示那样，在与上述的膜电极接合体33相对的中央部分形成有在长度方向上连续的凹凸部41a(40a)、41b(40b)，并且在两端部形成有与上述的电池框架30的各歧管孔M1～M6对应的歧管孔M1～M6。
另外，在隔板40、41中，与电池框架30同样地，在遍及外缘部的整周的部分和歧管孔M1～M6的周围的部分连续地设置有粘接密封件80。此时，粘接密封件80如图2的(A)和(B)所示那样在与各个层间相符的歧管孔M1～M6的部分开放以使含氧气体、含氢气体以及冷却流体流通于各个层间，并围绕除此以外的歧管孔M1～M6。
在燃料电池堆A的电池模块M中，在邻接的单电池20、20之间的相对置的隔板40、41之间划分形成有冷却流体的流通路(以下称为“冷却用流通路”。)F3。另外，邻接的两个电池模块M、M彼此之间的空间、更具体地说由配置于最外侧的单电池20、20之间的相对且抵接的凸缘部32围绕形成的空间也成为冷却用流通路F3。而且，燃料电池堆A在电池模块M、M彼此之间的冷却用流通路F3处插入安装有密封板P1。
与上述的单电池20相独立地形成有密封板P1，如图2和图4所示，在板基板50的两端部开口来形成歧管部ML、MR，并且在中央部分具备压损调整部B1。
板基板50是对具有导电性的一块金属板进行成型而得到的，在俯视图中形成为与上述的单电池20大致相同的形状且相同的大小。通过利用具有导电性的金属板形成该板基板50，能够保持历时稳定的通电性。形成于该板基板50的歧管部ML、MR与形成于上述的电池框架30等的歧管部是同等的。
该密封板P1具有与电池模块M的歧管孔M1～M6对应的歧管孔M1～M6，在插入安装于电池模块M、M之间时，使相互的歧管孔M1～M6连续来形成一连串的流通路。
密封板P1在划分形成用于使含氧气体和含氢气体流通的歧管孔M1、M3、M4、M6的板基板50的各边缘部设置有密封构件51～54。设置于歧管孔M1、M3、M4、M6的边缘部的各密封构件51～54是相互独立地形成的。此外，当然，用于使冷却流体流通的歧管孔M2、M4不设置密封构件而处于开放状态。
另外，密封板P1还如图5所示那样，沿板基板50的最外周缘部设置有外周密封构件55，并且，在比外周密封构件55更靠内侧处设置有与该外周密封构件55之间隔着所需的间隔地平行配置的内周密封构件56。该密封板P1利用上述内周密封构件56来防止在冷却用流通路F3中流通的冷却流体漏出，另外，利用外周密封构件55来防止来自外部的雨水浸入，并且实现电绝缘。此外，在图5中用附图标记9表示的是粘接剂。
另外，密封板P1为使设置于歧管孔M1、M3、M4、M6的周围的密封构件51～54相独立的构造，因此能够个别地设定这些密封构件51～54各自的设计(高度、宽度、形状)。由此，根据进行密封的部位的不同而流体不同、相应地密封构件的劣化环境不同，因此能够相应地个别地进行密封构件51～54的设计，从而提高燃料电池堆A的可靠性。
上述压损调整部B1如图4所示那样位于冷却用流通路，具有降低调整在该冷却用流通路中流通的冷却流体的压损的功能。能够通过在与活动区域(Active area)相对的区域、或活动区域附近、或者这两方的区域减少冷却用流通路的截面来降低调整压损。冷却用流通路的截面的减少包括冷却流体的流通方向β以及与该流通方向β正交的方向γ两方。“活动区域”是指与上述的膜电极接合体33相对的区域。
图示的压损调整部B1包括平行于板基板50的长轴中心线O1地形成的上游侧狭缝列60、下游侧狭缝列61以及平行于与该长轴中心线O1正交的短轴中心线O2的两个狭缝62、62。假设长轴中心线O1位于平分板基板50的短边的位置、而短轴中心线O2位于平分该板基板50的长边的位置。
上游侧狭缝列60包括在冷却流体的流通方向β的上游侧排列的八条狭缝60a，各狭缝60a以相同的长度和宽度与流通方向β平行地排列形成。下游侧狭缝列61包括在冷却流体的流通方向β的上游侧排列的八条狭缝61a，各狭缝61a与上述狭缝60a同样地，以相同的长度和宽度与流通方向β平行地排列形成。
具备上述结构的燃料电池堆A如图5所示那样，在各单电池20的正极侧隔板40处设置有向电池外侧(图5中为左侧)突出的电压测量用端子40T。在此，使用单电池20自身的电压测量用端子40T以及邻接的单电池20的电压测量用端子40T来测量各单电池20的电压。
另外，在层叠中间的电池模块M中，关于成为层叠端的单电池20的电压，能够使用该单电池20自身的电压测量用端子40T以及与该电池模块M邻接的电池模块M中的层叠端的单电池20的电压测量用端子40T来测量该电压。
但是，在图5中最下层的层叠端的电池模块M中，成为该电池模块M的层叠端(下端)的单电池20由于不存在比该电池模块M更靠下侧的电池模块M，因此无法直接进行电压测量。在图5中，假设不存在密封板P1的电压测量用端子PT的情况，以虚线表示该端子PT。
因此，在本发明的燃料电池堆A中，为以下的结构：在各密封板P1中的至少一个密封板P1处设置向电池外侧突出的电压测量用端子(以虚线表示)PT。
即，如图6的(A)所示，燃料电池堆A具有以下构造：将多个单电池20进行层叠来形成电池模块M，并且将多个该电池模块M进行层叠并在层叠方向上以一对端板10、11进行夹持。此外，在电池模块M与端板10、11之间，插入安装有各个集电板70、71。
另外，燃料电池堆A在电池模块M彼此之间以及在层叠两端(上下端)的电池模块M与各端板10、11之间，具有用于密封反应用气体和/或冷却流体的密封板P1。此外，如前所述，各单电池20在正极侧的隔板40处具有电压测量用端子40T。
而且，燃料电池堆A在各密封板P中的至少一个密封板P处设置有向电池外侧突出的电压测量用端子PT。另外，在该实施方式中，至少在与图中下侧的一方的端板11邻接的密封板P1处设置有电压测量用端子PT。该电压测量用端子PT在图6的(B)中配置于密封板P1的长边的一部分处，但是其配置、形状没有特别限定。
具备上述结构的燃料电池堆A使用邻接的单电池20的隔板40彼此的电压测量用端子40T来进行各单电池20的电压测量。而且，对于层叠端的电池模块M中的层叠端的单电池20、即图5和图6中最下层的单电池20，使用该单电池20自身的电压测量用端子40T和密封板P1的电压测量用端子PT来进行电压测量。
这样，燃料电池堆A具备密封板P1的密封功能和拆卸功能，从而能够测量所有单电池20或所选择的单电池20的电压。因而，燃料电池堆A能够通过借用电池模块M自身所具有的密封构造来密封反应气体，因此即使设置电压测量用端子40T，不另外追加特别的密封构造也能够进行所需的部位的电压测量，构造也简单，因此还能够有助于削减成本等。
图7～图9是说明本发明所涉及的燃料电池堆的另一实施方式的图。此外，对与之前的实施方式相同的结构部位标注相同的附图标记，省略详细的说明。
〈第二实施方式〉
图7的(A)所示的燃料电池堆A与之前的实施方式同样地，在各单电池20的同极侧的隔板、即正极侧的隔板40处设置有向电池外侧突出的电压测量用端子40T。另外，在与图中下侧的一方的端板11邻接的密封板P1处设置有电压测量用端子P1。
而且，燃料电池堆A如图7的(B)所示那样，密封板P1的电压测量用端子PT具有与单电池20的(隔板40的)电压测量用端子40T对应的位置、形状、大小以及厚度，而且，相邻的电压测量用端子40T、PT之间的间隔均相等。也就是说，单电池20的电压测量用端子40T之间的间隔均相等，因此只要使密封板P1的电压测量用端子PT和与其邻接的单电池20的电压测量用端子40T之间的间隔符合该间隔即可。
在具备上述结构的燃料电池堆A中，也与之前的实施方式同样地，具备密封板P1的密封功能和拆卸功能，由此，通过借用电池模块M自身所具有的密封构造，不另外追加特别的密封构造就能够以低成本进行所需的部位的电压测量。
另外，燃料电池堆A在各单电池20的同极侧的隔板40处设置有向电池外侧突出的电压测量用端子40T，密封板P1的电压测量用端子PT具有与隔板40的电压测量用端子40T对应的位置、形状、大小以及厚度，相邻的电压测量用端子40T、PT之间的间隔相等，因此能够针对所有电压测量用端子40T、PT共用连接器，从而能够实现部件数量、成本的进一步削减。
此外，作为连接器，例如使用按每个电池模块M个别地连接的连接器，存在与电池模块M的所有电压测量用端子40T、PT连接的连接器、仅与所选择的电压测量用端子40T、PT连接的连接器。另外，燃料电池堆A能够被多个外板或壳体覆盖而形成为外壳一体构造，在该情况下，使电压测量用端子40T、PT为露出到外壳外侧的状态，从而将连接器连接于该电压测量用端子40T、PT。
〈第三实施方式〉
图8是说明设置于密封板P1的电压测量用端子PT的另一实施方式的图，图示的电压测量用端子PT的厚度T1小于密封板主体的厚度T2。另外，图示例的电压测量用端子PT在中央部分具有开口部H。此外，电压测量用端子PT的厚度T1如图7所示的实施方式那样，与单电池20的(隔板40的)电压测量用端子40T的厚度相同。
具备上述结构的密封板P1使电压测量用端子PT的厚度T1小于密封板主体的厚度T2，因此能够在充分确保其自身的强度的基础上附加电压测量功能，并且能够容易地使电压测量用端子PT的厚度匹配单电池20的电压测量用端子40T的厚度。另外，通过设置开口部H，与未图示的连接器的嵌合力提高。由此，密封板P1使电压测量用端子PT与单电池20的电压测量用端子同等，从而能够减少接触电阻的偏差。
〈第四实施方式〉
图9所示的燃料电池堆A在所有密封板P1处具备电压测量用端子PT。图示例的燃料电池堆A是没有单电池20的(隔板40的)电压测量用端子的构造，在各密封板P1的大致相同的位置处设置有相同的大小、形状以及厚度的电压测量用端子PT。此外，各电压测量用端子PT不一定是相同的结构。
具备上述结构的燃料电池堆A与之前的实施方式同样地，具备密封板P1的密封功能和拆卸功能，由此，通过借用电池模块M自身所具有的密封构造，不另外追加特别的密封构造就能够以低成本进行所需的部位的电压测量。另外，燃料电池堆A在所有密封板P1处具备电压测量用端子PT，因此能够按各电池模块M进行电压测量，并且，能够减少连接器数，来实现组装工时、部件数量的进一步削减，从而实现进一步的低成本化。
此外，本发明所涉及的燃料电池堆的结构并不仅限定于上述各实施方式，能够在不脱离本发明的宗旨的范围内适当变更结构的细节，或者将各实施方式的结构进行组合。另外，密封板的压损调整部的配置、形状不限定于上述实施方式，能够适当变更结构的细节。另外，压损调整部的配置、形状等不限定于上述实施方式，能够适当变更结构的细节。
附图标记说明
A：燃料电池堆；M：电池模块；P1：密封板；PT：电压测量用端子；10：端板；11：端板；20：单电池；33：膜电极接合体；40：正极侧隔板；40T：电压测量用端子；41：负极侧隔板。

Claims (5)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，
该燃料电池堆具有将多个单电池进行层叠来形成电池模块、并且将多个该电池模块进行层叠并在层叠方向上以一对端板进行夹持的构造，其中，各单电池是以一对隔板夹持膜电极接合体而成的，
其中，在电池模块彼此之间以及在层叠两端的电池模块与各端板之间，具备用于密封反应用气体的密封板，
在各密封板中的至少一个密封板处设置有向电池外侧突出的电压测量用端子。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
在与至少一方的端板邻接的密封板处设置有电压测量用端子。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
在各单电池的同极侧的隔板处设置有向电池外侧突出的电压测量用端子，
密封板的电压测量用端子具有与隔板的电压测量用端子对应的位置、形状、大小以及厚度，
相邻的电压测量用端子之间的间隔相等。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其特征在于，
密封板的电压测量用端子的厚度小于密封板主体的厚度。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所有密封板均具备电压测量用端子。
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