CN105529480B - 燃料电池用集电板及燃料电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池用集电板及燃料电池组。在层叠异种的金属板而成的集电板中，抑制金属板的腐蚀。燃料电池用的集电板具备：导电性的第一金属板，具有端子部；第二金属板和第三金属板，是耐蚀性比第一金属板高的金属板，夹持第一金属板，其中，集电板具备：第一贯通孔，贯通第一金属板、第二金属板、第三金属板，用于将存在于第一金属板与第二金属板之间及第一金属板与第三金属板之间的至少任一方的流体向集电板外引导；及第一密封件，对集电板的外周的端面进行密封，第一贯通孔的孔壁面未被密封。

Description

燃料电池用集电板及燃料电池组

本申请主张基于在2014年10月15日提出申请的申请编号2014-210556号的日本专利申请的优先权，并将其公开的全部通过参照而援引于本申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池。

背景技术

在层叠多个燃料电池而构成的燃料电池组中，具备用于对由各燃料电池发电的电力进行集电而向外部供给的集电板。该集电板被要求导电性和耐蚀性，因此提出了一种形成良导电性的金属板与良耐蚀性的金属板的层结构的集电板(JP2009-187729A)。

发明内容

在JP2009-187729A中，利用由导电性的树脂构成的层(以下，称为接合层)来包覆层叠的两种金属板的表面整体，将两种金属板接合。这样将多个金属板层叠而构成集电板的情况下，通常为了提高金属板间的紧贴性，在金属板的面方向上按压并通过树脂等进行接合。因此，在集电板的制造时，存在于金属板间的空气可能从接合层与金属板之间向外流出，产生从集电板的外周向集电板的内部连续的接合不良。当产生这样的接合不良时，湿气从集电板的外周向集电板的内部侵入，金属板可能会腐蚀。因此，期望一种在层叠异种的金属板而成的集电板中抑制金属板的腐蚀的技术。

本发明为了解决上述的课题的至少一部分而作出，可以作为以下的方式实现。

(1)根据本发明的一方式，提供一种用于燃料电池的集电板。该集电板是燃料电池用的集电板，具备：导电性的第一金属板，具有端子部；第二金属板和第三金属板，是耐蚀性比所述第一金属板高的金属板，夹持所述第一金属板，其中，所述集电板具备：第一贯通孔，贯通所述第一金属板、所述第二金属板、所述第三金属板，用于将存在于所述第一金属板与所述第二金属板之间及所述第一金属板与所述第三金属板之间的至少任一方的流体向所述集电板外引导；及第一密封件，对所述集电板的外周的端面进行密封，所述第一贯通孔的孔壁面未被密封。

根据该方式的集电板，在呈将异种金属层叠的层叠结构的集电板中，由于具备孔壁面未被密封的第一贯通孔，因此将第一～三金属板层叠而通过第一密封件对其外周的端面进行密封时，在沿金属板的层叠方向加压的情况下，能够使金属板间的空气经由第一贯通孔向外逃散。因此，能够抑制由于金属板间的空气从第一密封件与金属板之间向外流出而引起的集电板的外周的端面的接合不良。其结果是，集电板的外周的端面由第一密封件良好地密封，能够抑制由于湿气进入集电板的外周的端面而引起的集电板的腐蚀。

(2)在上述方式的集电板中，可以的是，所述集电板具备：第二贯通孔，贯通所述第一金属板、所述第二金属板、所述第三金属板，供给或排出所述燃料电池用的反应气体或制冷剂；及第二密封件，对所述第二贯通孔的孔壁面进行密封。这样的话，能够抑制由于金属板间的空气从第一密封件或第二密封件与金属板之间向外流出而引起的接合不良。其结果是，能够抑制由于湿气进入集电板的外周的端面或第二贯通孔的孔壁面而引起的集电板的腐蚀。

(3)根据本发明的其他方式，提供一种燃料电池组。该燃料电池组可以具备：将多个燃料电池层叠而成的层叠体；上述方式的集电板；及配置在比所述集电板靠外侧处且在与所述第一贯通孔对应的位置不具备贯通孔的板。这样的话，集电板的第一贯通孔由板闭塞，因此第一贯通孔的孔壁面不会暴露于燃料电池组外的空气。因此，在燃料电池组外的空气成为高湿度的情况下，即使第一贯通孔的孔壁面未被密封，也不会暴露于高湿度的空气，因此能够抑制集电板的腐蚀。

(4)在上述方式的燃料电池组中，可以的是，所述多个燃料电池具备与所述集电板的所述第一贯通孔连通的第三贯通孔。这样的话，在将集电板配置于层叠体的端部的情况下，第一贯通孔与第三贯通孔连通，因此第一贯通孔也能够作为构成燃料电池组时的定位孔起作用。

需要说明的是，本发明能够以各种方式实现。例如，能够以具备燃料电池组的燃料电池系统、搭载有燃料电池系统的移动体等方式实现。

附图说明

图1是表示作为本发明的一实施方式的燃料电池组的结构的概略立体图。

图2是概略性地表示集电板、燃料电池、集电板的配置的情况的说明图。

图3是俯视表示作为本发明的一实施方式的集电板的说明图。

图4是表示集电板的截面结构的说明图。

图5是俯视表示集电板的图(说明效果的图)。

图6是剖视表示集电板的图(说效果的图)。

图7是表示燃料电池组的截面结构的说明图。

具体实施方式

A.实施方式：

A1.燃料电池组的结构：

图1是表示作为本发明的一实施方式的燃料电池组10的结构的概略立体图。燃料电池组10具有经由集电板160F、160E、绝缘板165F、165E利用端板170F、170E夹持层叠体12而成的堆叠结构，该层叠体12通过将作为一个发电单位的燃料电池100沿图1所示的z方向(以下，也称为“层叠方向”)层叠多个而成。燃料电池100、集电板160F、160E、绝缘板165F、165E及端板170F、170E分别是具有大致矩形形状(矩形的四个角部被呈方形地切口，且长边的一方的中央呈大致半圆形地切口)的平面形状的板结构，以长边沿着图1所示的x方向(水平方向)且短边沿着图1所示的y方向(垂直方向、铅垂方向)的方式配置。在以下的说明中，图1中的z轴正方向表现为前，z轴负方向表现为后。需要说明的是，本实施方式中的燃料电池组10通常也简称为“燃料电池”。

前端侧的端板170F、绝缘板165F、集电板160F具有燃料气体供给孔172IN及燃料气体排出孔172OT、氧化剂气体供给孔174IN及氧化剂气体排出孔174OT、冷却水供给孔176IN及冷却水排出孔176OT。以下，也将这些供给孔及排出孔汇总地称为“供排孔”。这些供排孔与在各燃料电池100的对应的位置设置的各个孔(未图示)连结，而构成与其对应的气体或冷却水的供给歧管及排出歧管。另一方面，在后端侧的端板170E、绝缘板165E、集电板160E未设置这些供排孔。这是由于是将反应气体(燃料气体、氧化剂气体)及冷却水从前端侧的端板170F经由供给歧管向各个燃料电池100供给并将来自各个燃料电池100的排出气体及排出水(冷却水)从前端侧的端板170F经由排出歧管向外部排出的类型的燃料电池。但是，并没有限定于此，例如，也可以为从前端侧的端板170F供给反应气体及冷却水而从后端侧的端板170E向外部排出排出气体及排出水(冷却水)的类型等各种类型。在本实施方式中，冷却水是对燃料电池100进行冷却或加热而将燃料电池100控制成目标的温度的热介质，相当于权利要求的制冷剂。

氧化剂气体供给孔174IN在前端侧的端板170F的下端的外缘部沿着x方向(长边方向)配置，氧化剂气体排出孔174OT在上端的外缘部沿着x方向配置。燃料气体供给孔172IN在前端侧的端板170F的附图右端的外缘部的y方向(短边方向)的上端部配置，燃料气体排出孔172OT配置在附图左端的外缘部的y方向的下端部。冷却水供给孔176IN在氧化剂气体供给孔174IN的下侧沿着y方向配置，冷却水排出孔176OT在氧化剂气体排出孔174OT的上侧沿着y方向配置。需要说明的是，上述的各供排孔在燃料电池100中如后述那样分为多个供排孔。

图2是概略性地表示集电板160F、燃料电池100、集电板160E的配置的情况的说明图。前端侧的集电板160F及后端侧的集电板160E对各燃料电池100的发电电力进行集电，经由集电端子161向外部输出。以下，在不需要区别集电板160F、160E的情况下，称为集电板160。关于集电板160的结构，在后文详细叙述。

燃料电池100具备钛制的阳极侧隔板120、钛制的阴极侧隔板130、密封构件一体型MEA(Membrane Electrode Assembly：膜电极接合体)140。燃料电池100在其周缘具备燃料气体供给孔102IN及燃料气体排出孔102OT、6个氧化剂气体供给孔104IN及7个氧化剂气体排出孔104OT、3个冷却水供给孔106IN及3个冷却水排出孔106OT。这些供排孔与端板170F中的燃料气体供给孔172IN等相连。当层叠多个燃料电池100来构成燃料电池组10时，通过上述的供排孔，形成向各燃料电池100供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水的歧管和从各燃料电池100排出燃料气体、氧化剂气体及冷却水的歧管。需要说明的是，在上述的供排孔的周围形成有未图示的密封部，通过密封部，确保层叠有燃料电池100时的隔板间及隔板与集电板之间的歧管的密封性。

而且，燃料电池100在四个角具备定位用贯通孔192。在层叠多个燃料电池100时，使用在与定位用贯通孔192对应的位置具备能够向定位用贯通孔192插通的棒等的层叠用具来进行层叠，由此能够将多个燃料电池100相互不错动地适当层叠。本实施方式的定位用贯通孔192相当于权利要求的第三贯通孔。需要说明的是，燃料电池100、集电板160F、160E、绝缘板165F、165E、端板170F、170E各自的平面形状为矩形的四个角呈方形地被切口且长边的一方的中央呈大致半圆形地被切口的形状，凸状的角形成有8个，但是整体看作大致矩形，定位用贯通孔192的配置表现为“四个角”。后述的集电板160F、160E也一样。

阳极侧隔板120及阴极侧隔板130只要由具有气体隔断性及电子传导性的构件构成即可，构成材料没有限定为本实施方式。例如，可以由压缩碳粒子而气体不透过的致密质碳等碳制构件、不锈钢、铝、上述的合金等金属构件形成。需要说明的是，上述的各板暴露于冷却水，因此优选使用耐蚀性高的金属。

A2.集电板的结构：

图3是俯视表示作为本发明的一实施方式的集电板160F的说明图。在图3中，示出了前端侧的集电板160F的与绝缘板165F接触的面。图4是表示集电板160F的截面结构的说明图。在图4中，示意性地示出了图3的A-A截面。本实施方式的集电板160F是在具有集电端子161(图3)的铝制的第一金属板181(图4)的两面层叠钛制的第二、三金属板182、183(图4)而成的3层结构的金属板。在本实施方式中，第一金属板181的板厚为约1.0mm，第二、三金属板182、183的板厚为约0.2mm。

如图3所示，在集电板160F的周缘部具备燃料气体供给孔162IN及燃料气体排出孔162OT、氧化剂气体供给孔164IN及氧化剂气体排出孔164OT、冷却水供给孔166IN及冷却水排出孔166OT。在层叠多个燃料电池而构成燃料电池组的情况下，上述供排孔与端板或燃料电池的对应的各供排孔相连，作为向燃料电池供给各反应气体、冷却水或从燃料电池排出各反应气体、冷却水的歧管的一部分起作用。

而且，集电板160F的四个角分别形成有排气孔190。如后文详述那样，排气孔190是用于将第一、二金属板181、182间的空气及第一、三金属板181、183间的空气向集电板160F外引导的贯通孔。集电板160F的排气孔190在与燃料电池100的定位用贯通孔192对应的位置形成为大致同径的圆孔状。因此，当在层叠多个燃料电池100而成的层叠体12的外侧配置集电板160F时，形成沿其层叠方向贯通的连通孔。本实施方式的排气孔190相当于权利要求的第一贯通孔，各供排孔相当于权利要求的第二贯通孔。

如图3、4所示，集电板160F的外周的端面和各供排孔162IN、162OT、164IN、164OT、166IN、166OT的壁面(以下，也称为孔壁面)由粘接密封件184包覆。在本实施方式中，作为粘接密封件184，使用了具有密封性、弹性、及粘接性的乙烯-丙烯-二烯烃橡胶(EPDM)。本实施方式的集电板160F采用了使异种金属板(铝和钛)接触的结构，但是已知的是，通常使异种金属接触时，由于异种金属间的电位差而形成电蚀电路，当暴露于湿气时会产生腐蚀。在集电板160F中，各供排孔供反应气体或冷却水流通，因此其孔壁面暴露于湿气下。而且，集电板160F的外周暴露于燃料电池100外的湿气下。在本实施方式的集电板160F中，该外周的端面和各供排孔的孔壁面由粘接密封件184包覆，因此能够防止与各种湿气的接触，能够抑制集电板160F的腐蚀。本实施方式的粘接密封件184中的将集电板160F的外周的端面包覆的粘接密封件184相当于权利要求的第一密封件，将各供排孔162IN、162OT、164IN、164OT、166IN、166OT的孔壁面包覆的粘接密封件184相当于第二密封件。

在此，简单说明集电板160F的制造工序的概要。在第二金属板182上层叠第一金属板181，装配粘土状的粘接密封件184。详细而言，在第一金属板181的外周装配将第一金属板181的外周包围的框状的粘接密封件184，在各供排孔装配沿着各供排孔的内周的框状的粘接密封件184。然后，在第一金属板181上层叠第三金属板183。在这样将第一、二、三金属板181、182、183层叠并装配了粘接密封件184的基础上，在沿层叠方向加压的状态下加热了规定时间之后，进行冷却而通过粘接密封件184将第一、二、三金属板181、182、183粘接。此时，如图4所示，集电板160F的外周的端面和冷却水排出孔166OT的孔壁面由粘接密封件184包覆，成为被密封的状态。同样，燃料气体供给孔162IN、燃料气体排出孔162OT、氧化剂气体供给孔164IN、氧化剂气体排出孔164OT、冷却水供给孔166IN及冷却水排出孔166OT的孔壁面由粘接密封件184包覆，成为被密封的状态。如图3、4所示，集电板160F具备的排气孔190的孔壁面未被任何包覆，未被密封。

如上所述，后端侧的集电板160E在供排孔的有无方面与前端侧的集电板160F不同，但是其他的结构大致同样。即，集电板160E也与集电板160F同样是在具有集电端子161(图2)的铝制的第一金属板的两面上层叠钛制的第二、三金属板而成的3层结构的金属板，其外周的端面由粘接密封件189(图2)包覆、密封。并且，在与集电板160F的排气孔190对应的位置形成有与排气孔190相同的排气孔194。排气孔194与排气孔190一样，其孔壁面未被密封。本实施方式的排气孔194相当于权利要求的第一贯通孔，粘接密封件189相当于权利要求的第一密封件。

A3.实施方式的效果：

图5、6是用于说明作为本发明的一实施方式的集电板160F的效果的说明图。图5是俯视表示集电板160F的图，图6是剖视表示集电板160F的图。本实施方式的集电板160F的外周的端面和各供排孔的孔壁面由粘接密封件184包覆、粘接。另一方面，排气孔190的孔壁面未被任何包覆，未被密封。如上所述，在制造集电板160F的情况下，在层叠的第一、二、三金属板181、182、183上装配了粘接密封件184的基础上进行按压，在加热规定时间之后进行冷却，从而利用粘接密封件184将第一、二、三金属板181、182、183粘接。排气孔190由于其孔壁面未被密封，因此如图5、6所示，能够使第一金属板181与第二金属板182之间的空气、第一金属板181与第三金属板183之间的空气经由排气孔190向集电板160F外逃散(空气的流动在图5、6中由箭头表示)。因此，在制造集电板160F时，在粘接密封件184的固化中(上述的冷却中)，能够抑制由于第一金属板181与第二金属板182之间的空气、或第一金属板181与第三金属板183之间的空气从粘接密封件184与第二金属板182或第三金属板183之间向外流出而引起的粘接不良。其结果是，集电板160F的外周的端面或各供排孔的孔壁面由粘接密封件184良好地密封，能够抑制由于湿气进入集电板160F的外周的端面或各供排孔的孔壁面而引起的集电板160F的腐蚀。需要说明的是，在本实施方式中，例示了集电板160在空气中被制造，在第一金属板181与第二金属板182之间或第一金属板181与第三金属板183之间存在空气的情况，但是在第一金属板181与第二金属板182之间或第一金属板181与第三金属板183之间存在的流体并没有限定为空气，也可以是水蒸气、其他的气体等各种流体。

图7是表示燃料电池组10的截面结构的说明图。在图7中，示意性地示出了图1的沿B-B线的剖切面。而且，在图7中，示出了燃料气体供给用配管22IN、燃料气体排出用配管22OT。如上所述，集电板160F的排气孔190及集电板160E的排气孔194在与燃料电池100的定位用贯通孔192对应的位置形成为大致同径的圆孔状。因此，如图7所示，在层叠多个燃料电池100而成的层叠体12的两侧分别配置集电板160F和集电板160E时，形成沿其层叠方向贯通的连通孔。如图3、4所示，集电板160F的排气孔190的孔壁面未被任何包覆，未被密封。同样，集电板160E的排气孔194的孔壁面也未任何包覆，未被密封。如图7所示，在燃料电池组10中，在集电板160F的外侧配置绝缘板165F，在集电板160E的外侧配置绝缘板165E。对于绝缘板165F、165E，在与排气孔190、194对应的位置未形成贯通孔，通过排气孔190、定位用贯通孔192、排气孔194形成的连通孔由绝缘板165F、165E密封。其结果是，排气孔190、194的孔壁面未暴露于燃料电池组10外的空气中。因此，根据本实施方式的燃料电池组10，例如，在燃料电池组10的外部气体成为高湿度的情况下，即使排气孔190、194的孔壁面未被密封，排气孔190、194也未暴露于高湿度的空气下，因此能够抑制集电板160E、160F的腐蚀。本实施方式的绝缘板165F、165E相当于权利要求中的板。需要说明的是，绝缘板165F、绝缘板165E也可以具备与排气孔190、194对应的贯通孔。这种情况下，通过端板170F、170E将排气孔190、194密封。此时，端板170F、170E相当于权利要求中的板。

而且，在本实施方式中，在将集电板160E、160F配置于层叠体12的两端的情况下，排气孔190、194配置在与定位用贯通孔192连通的位置(图7)。因此，排气孔190、194也作为构成燃料电池组10时的定位孔起作用。

B.变形例：

需要说明的是，本发明并不局限于上述的实施方式或实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施。例如，发明内容一栏记载的各方式中的技术特征所对应的实施方式的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行更换、组合。而且，该技术特征在本说明书中只要不是作为必须的结构进行说明，就可以适当删除。例如也可以进行如下的变形。

(1)在上述实施方式中，例示了燃料电池100具备定位用贯通孔192的结构，但没有限定于此，也可以为燃料电池100不具备定位用贯通孔192的结构。而且，燃料电池100具备的定位用的贯通孔可以不设置在与集电板160F、160E具备的排气孔190、194对应的位置(连通的位置)。

(2)集电板160F、160E具备的排气孔190、194的个数、形状、位置没有限定为上述实施方式，只要适当设定即可。但是，如上述实施方式那样在集电板的四个角处形成4个时，第一金属板181与第二金属板182之间的空气、及第一金属板181与第三金属板183之间的空气容易逃散，因此优选。而且，通过在与形成于燃料电池100的定位用贯通孔192对应的位置上设置，可以将排气孔190、194也作为定位用，因此优选。而且，集电板160F、160E的平面形状没有限定为上述实施方式。例如，可以是未形成切口的矩形形状(包括正方形)，也可以是角部带有圆角的矩形形状。此外，还可以是圆形形状、多边形形状。

(3)在上述实施方式中，例示了铝制的金属板作为第一金属板181，但没有限定于此。第一金属板181只要是具备导电性的金属制的板即可，例如，可以是金、银、铜等的金属板。从低成本化和轻量化的角度出发，优选铝制的金属板。第一金属板181的板厚为约1.0mm，但没有限定于此，只要适当设定即可。例如，可以为1.5～5.0mm。而且，作为第二、三金属板182、183，例示了钛制的金属板，但没有限定于此。第二、三金属板182、183只要是耐蚀性比第一金属板181高的金属制的板即可，例如，可以是不锈钢等的金属板。需要说明的是，第二、三金属板182、183的板厚为约0.2mm，但没有限定于此，只要适当设定即可。例如，可以为0.1～1.0mm。

(4)在上述实施方式中，示出了粘接密封件184由乙烯-丙烯-二烯烃橡胶(EPDM)形成的例子，但是材料没有限定为上述实施方式。粘接密封件184只要是具备密封性和弹性的材料即可，可以使用例如丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)等。而且，在上述实施方式中，集电板160F的外周的端面和各供排孔162IN、162OT、164IN、164OT、166IN、166OT的孔壁面被由同一材料构成的粘接密封件184包覆，但是集电板160F的外周的端面和各供排孔162IN、162OT、164IN、164OT、166IN、166OT的孔壁面也可以被由不同的材料形成的密封件包覆。例如，集电板160F的外周的端面可以由EPDM那样粘接性不高的材料密封。反应气体、冷却水在各供排孔162IN、162OT、164IN、164OT、166IN、166OT流通，其孔壁面暴露于高湿度状态下，因此优选用粘接性高的材料包覆并密封各供排孔162IN、162OT、164IN、164OT、166IN、166OT(即，第一、二、三金属板被牢固地粘接)。

标号说明

100…燃料电池

102IN…燃料气体供给孔

102OT…燃料气体排出孔

104IN…氧化剂气体供给孔

104OT…氧化剂气体排出孔

106IN…冷却水供给孔

106OT…冷却水排出孔

120…阳极侧隔板

130…阴极侧隔板

160、160E、160F…集电板

161…集电端子

162IN…燃料气体供给孔

162OT…燃料气体排出孔

164IN…氧化剂气体供给孔

164OT…氧化剂气体排出孔

165E、165F…绝缘板

166IN…冷却水供给孔

166OT…冷却水排出孔

170E、170F…端板

172IN…燃料气体供给孔

172OT…燃料气体排出孔

174IN…氧化剂气体供给孔

174OT…氧化剂气体排出孔

176IN…冷却水供给孔

176OT…冷却水排出孔

181…第一金属板

182…第二金属板

183…第三金属板

184、189…粘接密封件

190、194…排气孔

192…定位用贯通孔

Claims (8)

1.一种集电板，是燃料电池用的集电板，具备：

导电性的第一金属板，具有端子部；

第二金属板和第三金属板，是耐蚀性比所述第一金属板高的金属板，夹持所述第一金属板，

其中，所述集电板具备：

一个以上的第一贯通孔，贯通所述第一金属板、所述第二金属板、所述第三金属板，用于将存在于所述第一金属板与所述第二金属板之间及所述第一金属板与所述第三金属板之间的至少任一方的流体向所述集电板外引导；及

第一密封件，包围包括所述一个以上的第一贯通孔的区域，以遍及所述第一金属板、所述第二金属板及所述第三金属板的端面的方式对所述集电板的外周的端面进行密封，

所述第一贯通孔的孔壁面未被密封。

2.根据权利要求1所述的集电板，其中，

所述集电板具备：

第二贯通孔，贯通所述第一金属板、所述第二金属板、所述第三金属板，供给或排出所述燃料电池用的反应气体或制冷剂；及

第二密封件，对所述第二贯通孔的孔壁面进行密封。

3.根据权利要求1或2所述的集电板，其中，

所述集电板的平面形状为大致矩形，

所述第一贯通孔在所述集电板的四个角分别各配置1个。

4.根据权利要求1或2所述的集电板，其中，

所述第一金属板为铝制，

所述第二金属板及所述第三金属板为钛制。

5.根据权利要求2所述的集电板，其中，

所述第二密封件由乙烯-丙烯-二烯烃橡胶形成。

6.一种燃料电池组，具备：

将多个燃料电池层叠而成的层叠体；

权利要求1～5中任一项所述的集电板；及

配置在比所述集电板靠外侧处且在与所述第一贯通孔对应的位置不具备贯通孔的板。

7.根据权利要求6所述的燃料电池组，其中，

所述多个燃料电池具备与所述集电板的所述第一贯通孔连通的第三贯通孔。

8.根据权利要求6或7所述的燃料电池组，其中，

所述板是绝缘板。