CN105723556A - 燃料电池用隔板及燃料电池组 - Google Patents

Abstract

在燃料电池组的上下方向上使冷却的程度均匀。在燃料电池组中，在夹设于多个膜电极接合体之间的阳极侧隔板中具备：隔板中央区域，与膜电极接合体的发电区域相向；外缘部，从隔板中央区域沿外缘延伸，且具备多个冷却介质供给歧管用开口；及肋，从对相邻的冷却介质供给歧管用开口之间进行划分的各梁部起，跨及冷却介质供给歧管用开口与隔板中央区域之间的区域而形成。

Description

燃料电池用隔板及燃料电池组

技术领域

本发明涉及燃料电池用隔板及燃料电池组。

背景技术

燃料电池用隔板是构成层叠有多个单电池的燃料电池组的一个部件，具有：反应气体流路，供反应气体在单电池内流动；及冷却介质流路，供冷却介质在单电池内流动。另外，燃料电池用隔板具有：反应气体歧管，用于将流体向反应气体流路分配；及冷却介质歧管，用于将冷却介质向冷却介质流路分配。这些歧管在燃料电池用隔板的外缘部设置开口，从而在层叠单电池及隔板时，形成为贯通燃料电池用隔板的厚度方向、即燃料电池组的层叠方向的流路。例如，如专利文献1所记载的那样，以往的燃料电池用隔板具有多个冷却介质歧管用开口。各歧管用开口在隔板的外缘部排成一列。

专利文献1：国际公开第2013/005300号

发明内容

然而，在组装有这样的燃料电池用隔板的燃料电池组以多个冷却介质歧管沿铅垂方向排列的状态被载置的情况下，向中央区域的上部侧供给的冷却介质的量有可能比下部侧少。其结果是，存在有无法在单电池的上下方向上进行均匀的冷却这样的问题。此外，对于以往的燃料电池用隔板，期望制造的容易化、省资源化等。

本发明就是为了解决上述问题的至少一部分而作成的，其能够作为以下技术方案而实现。

(1)本发明的一技术方案为在燃料电池组中夹设于多个膜电极接合体之间的燃料电池用隔板。该燃料电池用隔板具备：中央区域；外缘部，是上述中央区域的外侧的区域，形成有多个歧管用开口；及肋，从对上述多个歧管用开口进行划分的梁部起跨及上述歧管用开口与上述中央区域之间的区域而形成。根据该技术方案的燃料电池用隔板，在以上述歧管用开口沿铅垂方向排列的方式被使用的情况下，在各歧管之间存在有肋，肋跨及歧管用开口与中央区域之间的区域而设置，因此能够抑制从多个冷却介质歧管中的上侧的冷却介质歧管供给的冷却介质在到达形成于隔板的中央区域的流路的过程中因重力而朝着单电池面内下侧流下。因此，根据该技术方案的燃料电池用隔板，起到能够抑制向中央区域的上部侧供给的冷却介质量的减少且能够在单电池的上下方向上使冷却的程度均匀这样的效果。

(2)在上述技术方案的燃料电池用隔板中，也可以是，上述肋在上述歧管用开口与上述中央区域之间的区域斜向延伸。只要将该斜向延伸的部分设为相对于水平方向向上侧倾斜的结构，则即使冷却介质在从肋的前端到达中央区域的过程中因重力而流下，也能够对中央区域均匀地供给冷却介质，因此能够使冷却的程度在单电池的上下方向上进一步均匀。

(3)在上述技术方案的燃料电池用隔板中，也可以是，上述歧管为用于对上述中央区域供给冷却介质的冷却介质供给歧管。根据该技术方案的燃料电池用隔板，能够使冷却介质朝着中央区域供给的流量均匀。

(4)本发明的其他技术方案为将多个膜电极接合体之间隔着燃料电池用隔板而层叠多个所形成的燃料电池组。在该燃料电池组中，上述燃料电池用隔板为如下结构，即，上述燃料电池用隔板具备：中央区域，与上述膜电极接合体的发电区域相向；外缘部，是上述中央区域的外侧的区域，形成有冷却介质用的多个歧管用开口；及肋，从对上述多个歧管用开口进行划分的梁部起跨及上述歧管用开口与上述中央区域之间的区域而形成。根据该技术方案的燃料电池组，与上述技术方案的燃料电池用隔板相同，能够抑制向单电池上部供给的冷却介质量的减少。因此，该技术方案的燃料电池组起到能够使冷却的程度在单电池的上下方向上均匀且能够改善发电效率这样的效果。

(5)在上述技术方案的燃料电池组中，也可以是，上述燃料电池用隔板构成为配置于膜电极接合体的阳极侧。根据该结构，能够在阳极侧形成冷却介质流路。

此外，本发明能够通过各种技术方案来实现。例如，能够通过具备上述技术方案的燃料电池组的燃料电池系统等技术方案来实现。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的概略结构的说明图。

图2是从阳极侧隔板侧观察层叠的单电池的俯视图。

图3是表示冷却介质供给歧管的周边的平面的说明图。

图4是表示比较例的冷却介质供给歧管的周边的平面的说明图。

具体实施方式

A.整体结构：

图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统10的概略结构的说明图。燃料电池系统10具备燃料电池组100。燃料电池组100具有依次层叠有端板110、绝缘板120、集电板130、多个单电池140、集电板130、绝缘板120、端板110的堆叠构造。该燃料电池组100以单电池140的层叠方向形成为水平方向X的方式被载置。

从储藏了高压氢的氢罐150起，经由截止阀151、调节器152、配管153向燃料电池组100供给有作为燃料气体的氢。在燃料电池组100中未被利用的燃料气体(阳极废气)经由排出配管163向燃料电池组100的外部排出。燃料电池系统10也可以具有使阳极废气在配管153侧再循环的再循环机构。另外，经由气泵160及配管161向燃料电池组100供给作为氧化剂气体的空气。在燃料电池组100中未被利用的氧化剂气体(阴极废气)经由排出配管154向燃料电池组100的外部排出。燃料气体及氧化剂气体也被称作反应气体。

而且，为了冷却燃料电池组100，经由水泵171及配管172向燃料电池组100供给被散热器170冷却的冷却介质。从燃料电池组100排出的冷却介质经由配管173在散热器170内循环。作为冷却介质，例如，使用水、乙二醇等防冻液、空气等。

如示意性地放大图1的一部分所得的图所示的那样，燃料电池组100所具备的各单电池140形成为通过一对隔板、即阳极侧隔板50和阴极侧隔板40来夹持膜电极接合体(也被称作MEA)30的结构。MEA30在电解质膜的两面分别配置有阳极及阴极。阳极侧隔板50在MEA30侧的面上具备由条状的多个槽构成的燃料气体流路52，在与MEA30相反一侧的面上具备由条状的多个槽构成的冷却介质流路54。阴极侧隔板40在MEA30侧的面上具备配置有用于供空气流动的流路结构部件的氧化剂气体流路42。流路结构部件例如是膨胀合金(未图示)。另外，本实施方式的燃料电池组100是固体高分子型的燃料电池组，电解质膜通过由固体高分子材料、例如由氟类树脂形成的质子传导性的离子交换膜而构成。

B.隔板的结构：

图2是假设在层叠方向的中途分割燃料电池组100并从阳极侧隔板50侧观察层叠的单电池140的俯视图。在图2中，将表里方向设为与层叠方向X一致，将上下方向设为与作为燃料电池组100的大致铅垂方向Y一致。阳极侧隔板50及阴极侧隔板40由具有气体遮挡性及电子传导性的部件构成，例如，由通过压缩碳粒子而形成为不透气的致密质碳等碳制部件、压制成型的不锈钢、钛钢等金属部件形成。在本实施方式中，隔板40、50是通过对不锈钢进行压制成型而制成的。

阳极侧隔板50具有：隔板中央区域50A，与MEA30的发电区域相向；及平板状的外缘部50B，从隔板中央区域50A观察位于外缘。“发电区域”是指在MEA30中进行发电的区域，是在MEA30中供燃料气体流动的区域、即从层叠方向X俯视时存在有燃料气体流路52(图1)的大致四边形的区域。当从层叠方向X俯视时，隔板中央区域50A是与发电区域一致的区域。外缘部50B是位于隔板中央区域50A的外侧的区域，具备至少能够形成有后述的冷却介质供给歧管82的大小。在本实施方式中，外缘部50B向铅垂方向Y的上侧、铅垂方向Y的下侧、铅垂方向Y及与层叠方向X垂直的图中的左右方向Z的一侧、左右方向Z的另一侧这四个方向延伸。

在外缘部50B设有用于分别形成燃料气体供给歧管62、氧化剂气体供给歧管72、燃料气体排出歧管64、氧化剂气体排出歧管74、冷却介质供给歧管82、冷却介质排出歧管84的开口。这些歧管通过层叠单电池140而形成，但是若被看作是单电池140、阳极侧隔板50单体，则是单纯的开口。在本说明书中，并未特别区分层叠的状态(作为歧管发挥功能的状态)和被看作单体的情况(仅作为开口而存在的情况)，以下，称作歧管。燃料气体供给歧管62是用于将作为被供给至燃料电池组100的燃料气体的氢向各单电池140的燃料气体流路52(图1)分配的流路。氧化气体供给歧管72是将作为被供给至燃料电池组100的氧化剂气体的空气向各单电池140的氧化剂气体流路42(图1)分配的流路。燃料气体排出歧管64是收集在燃料气体流路52中未被利用的燃料气体并将其向燃料电池组100的外部排出的流路。氧化气体排出歧管74是收集在氧化剂气体流路42中未被利用的氧化剂气体并将其向燃料电池组100的外部排出的流路。设于隔板中央区域的Y方向上侧的外缘部50B的氧化剂气体供给歧管72由六根氧化剂气体供给歧管72a～72f构成。另外，氧化剂气体排出歧管74由六根氧化剂气体排出歧管74a～74f构成。上述各歧管62、64、72a～72f、74a～74f的开口为矩形，形成沿燃料电池组100的层叠方向X伸长的形状的反应气体流路。将氧化剂气体供给歧管72及氧化剂气体排出歧管74分别分为多根、在本实施方式中分为六根的理由在于，同时确保氧化剂气体用的较广的开口面积和强度。

冷却介质供给歧管82设于Z方向左侧的外缘部50Ba，冷却介质排出歧管84设于Z方向右侧的外缘部50Bb。冷却介质供给歧管82用于将冷却介质向单电池140分配，冷却介质排出歧管84用于收集从各单电池140排出的冷却介质并将其向燃料电池组100的外部排出。冷却介质供给歧管82由三根冷却介质供给歧管82a～82c构成，冷却介质排出歧管84由三根冷却介质排出歧管84a～84c构成。各冷却介质用的歧管82a～82c、84a～84c的开口为矩形，构成沿燃料电池组100的层叠方向X延伸的形状的流路。将冷却介质供给歧管82及冷却介质排出歧管84分别划分为多个、在本实施例中划分为三根的理由在于，同时确保冷却介质用的较广的开口面积和强度。冷却介质供给歧管82及冷却介质排出歧管84的划分数量不一定局限于三根，只要是多根，则也可以为其他数量。在各冷却介质供给歧管82之间设有梁部82H，在各冷却介质排出歧管84之间设有梁部84H。

如上所述，各歧管72、74、62、64、82a～82、84a～84c设于阳极侧隔板50的外缘部50B，特别是各冷却介质供给歧管82a～82c在外缘部50B的一边50Ba附近沿铅垂方向Y排成一列地配置。各冷却介质排出歧管84a～84c在隔板50的外缘部50B的与上述边50Ba相向的一边50Bb附近，沿铅垂方向Y排成一列地配置。此外，这里所说的排列方向是指，在燃料电池组100中阳极侧隔板50夹设于MEA30与MEA30之间时、即单电池140沿层叠方向X层叠而构成为燃料电池组100时的方向。即，在燃料电池组100中阳极侧隔板50夹设于MEA30与MEA30之间时，各冷却介质供给歧管82a～82c及各冷却介质排出歧管84a～84c沿铅垂方向Y排列。此外，燃料电池组100中的方向Y即使在该燃料电池组被载置于载置场所时也维持成铅垂方向。例如，即使在燃料电池组100被搭载于汽车这样的情况下，也维持堆化时的燃料电池组的方向。因此，也可以说在燃料电池组100朝车辆搭载时，各冷却介质供给歧管82a～82c及各冷却介质排出歧管84a～84c沿铅垂方向Y排列。

为了形成在面方向上包围发电区域及各歧管的开口的密封线SL1～SL5而在单电池140配置有填料。在图2中以粗点划线示出基于该填料的密封线SL1～SL5。填料是通过注塑成形而形成的，截面具有凸形状。在层叠了多个单电池140时，与相邻接的其他单电池140的表面密合地形成密封线SL1～SL5。详细地说，填料与其他单电池140的隔板50的表面抵接并密合。密封线SL1、SL2用于抑制燃料气体的泄漏，密封线SL3、SL4用于抑制氧化剂气体的泄漏，密封线SL5用于抑制冷却介质的泄漏。

图2是从阳极侧隔板50侧观察单电池140的图，示出在阳极侧隔板50中使冷却介质沿平面方向流通的面。因此，如图所示，冷却介质用的密封线SL5在内侧包含与发电区域相向的隔板中央区域50A和冷却介质用的各歧管82a～82c、84a～84c。即，冷却介质用的密封线SL5通过比隔板50的外缘部50B所具备的歧管82a～82c、84a～84c靠外侧的部分。在隔板中央区域50A形成有沿平面方向的直线形状的多个冷却介质流路54(也参照图1)。从冷却介质供给歧管82a～82c供给的冷却介质被向隔板中央区域50A的各冷却介质流路54分配，并在各冷却介质流路54中流动，从各冷却介质流路54被冷却介质排出歧管84a～84c收集并排出。

图3是表示冷却介质供给歧管82a～82c的周边的平面的说明图。如图所示，在各冷却介质供给歧管82a～82c与隔板中央区域50A之间，沿铅垂方向Y形成有多个配流肋94。配流肋94分别具有从阳极侧隔板50的表面呈凸形状地突出并沿预定方向细长地延伸出的形状，以形成为与相邻的配流肋94平行的方式等间隔地排列。上述预定方向是冷却介质的下游侧相对于左右方向Z而向上侧倾斜的方向。即，配流肋94相对于Z方向进行斜向延伸。在本实施方式中，相对于三根冷却介质供给歧管82a～82c而具备八个配流肋94。通过配流肋94，能够以抑制向隔板中央区域50供给的冷却介质的铅垂方向Y上的流量的偏差的方式限制流动方向，且能够以不局部集中的方式分散地供给冷却介质。

在对各冷却介质供给歧管82a～82c进行划分的各梁部82H分别设有加强肋95。各加强肋95具有从外缘部50B的表面呈凸形状地突出并沿左右方向Z细长地延伸出的形状，用于提高梁部82H的强度。各加强肋95的左端95L相对于各冷却介质供给歧管82a～82c的左侧缘部82L，在左右方向Z上形成为几乎相同的位置。各加强肋95的右端95R经由作为连接部的连接肋96而与预定的配流肋94相连。这里所说的“预定的配流肋”是指最靠近加强肋95的一个配流肋。配流肋94、连接肋96及加强肋95具有相同的高度，横向宽度也几乎相同。因此，由加强肋95、连接肋96及配流肋94形成1根线条的肋。此时，加强肋95、连接肋96及配流肋94相当于本发明的技术方案的“肋”。

图3所示的加强肋95、连接肋96及配流肋94设于冷却介质供给歧管82a～82c的周边，但是如图2所示，在冷却介质排出歧管84a～84c的周边也设有相同形状的配流肋97、连接肋99及加强肋98。在俯视阳极侧隔板50时，冷却介质供给歧管82a～82c与冷却介质排出歧管84a～84c具有相对于该阳极侧隔板50的中心G而形成为点对称的形状。而且，加强肋95、连接肋96及配流肋94与加强肋98、连接肋99及配流肋97也具有相对于中心G点对称的形状。如以上那样构成的阳极侧隔板50相当于本申请发明的“燃料电池用隔板”。

另一方面，在阴极侧隔板40也形成有上述的各歧管62、64、72a～72f、74a～74f、82a～82c、84a～84c，构成沿燃料电池组100的层叠方向X伸长的、燃料气体、氧化剂气体、冷却介质的各歧管的一部分。

C.实施方式的效果：

根据如以上那样构成的燃料电池组100所具备的阳极侧隔板50，各冷却介质供给歧管82a～82c与隔板中央区域50A之间的冷却介质的流动被配流肋94均匀化，而且，在沿铅垂方向Y排列的各冷却介质供给歧管82a～82c之间存在有加强肋95，加强肋95与配流肋94之间经由连接肋96相连，因此不会产生从三根冷却介质供给歧管82a～82c中的上侧的冷却介质排出歧管的开口向下侧的冷却介质排出歧管的开口流下的冷却介质W1的流动(图3空心箭头)。另外，通过存在有连接肋96，即通过从对相邻的冷却介质供给歧管82a～82c之间进行划分的各梁部82H起，跨及冷却介质供给歧管82a～82c与中央区域50A之间的区域而形成肋，也能够防止该区域内的冷却介质W1、W2的流下。在图3中，以×记号来表示冷却介质W1、W2的流动被阻止这一情况。假设若未形成连接肋96，则在加强肋95与配流肋94之间会有冷却介质W2流下。在本实施方式中，也防止这样的流下。

图4是表示比较例的冷却介质供给歧管的周边的平面的说明图。在该比较例中，与本实施方式相同，多个冷却介质供给歧管282沿铅垂方向Y排成一列地配置，在冷却介质供给歧管282的周边具备配流肋294。该比较例在不具备加强肋95及连接肋96的点上与本实施方式不同。根据该比较例，冷却介质W因重力而从上侧的冷却介质供给歧管282的开口向下侧的冷却介质供给歧管282的开口流下。因此，在该比较例中，从上侧的冷却介质供给歧管282直接流入到中央区域50A的对应的冷却介质流路54的流量减少。其结果是，在沿单电池140的铅垂方向Y排列而成的多个冷却介质流路54中流动的冷却介质的流量在铅垂方向Y上产生偏差。特别是在上侧的冷却介质流路54中流动的冷却介质的流量减少。因此，无法在单电池140的铅垂方向Y上进行均匀的冷却。与此相对，在本实施方式的阳极侧隔板50中，如上所述，妨碍了冷却介质W1、W2的流下，因此能够使从各冷却介质供给歧管82a～82c向多个冷却介质流路54供给的冷却介质的流量在隔板中央区域50A均匀。因此，根据本实施方式的阳极侧隔板50，起到能够在单电池140的铅垂方向Y上使冷却的程度均匀这样的效果。

另外，在冷却介质排出歧管84a～84c中，从上侧的冷却介质供给歧管的开口向下侧的冷却介质供给歧管的开口流下的冷却介质的流动也被配流肋97、连接肋99及加强肋98所妨碍，因此能够使向各冷却介质排出歧管84a～84c流入的冷却介质的流量均匀。

而且，在本实施方式中，冷却介质供给歧管82a～82c的周边所具备的配流肋94相对于左右方向Z斜向延伸，为冷却介质的下游侧向上侧倾斜的形状，因此即使冷却介质在从配流肋94到达隔板中央区域50A的过程中某种程度地产生有因重力而导致的流下，也能够抑制相对于隔板中央区域50A进行的冷却介质的供给出现偏差。

D.变形例：

·变形例1：

在上述实施方式中，多个冷却介质供给歧管及多个冷却介质排出歧管沿铅垂方向排成一列地配置，但是也可以取而代之地构成为相对于铅垂方向倾斜预定的角度(例如，5度、10度等)。即，在本发明的燃料电池用隔板中，歧管排列的“铅垂方向”包含相对于铅垂方向倾斜预定的角度的结构。

·变形例2：

在上述实施方式中，由加强肋95、连接肋96、配流肋94构成的肋在其所有范围内形成为相同的高度、相同的横向宽度的形状，但是高度、横向宽度并不一定在全长的范围内都相同。特别是连接肋96并不一定是相同的高度、相同的横向宽度。连接肋只要能够充分确保基于配流肋的冷却介质的流动，且防止冷却介质从配流肋与加强肋之间泄漏，则可以是任意形状。

·变形例3：

在上述实施方式中，构成为在冷却介质供给歧管的周边和冷却介质排出歧管双方设置加强肋、连接肋、配流肋的组合，但是也可以取而代之地构成为，在冷却介质供给歧管的周边设置上述组合，也可以在冷却介质排出歧管的周边不设置连接肋及配流肋而仅设置加强肋。

·变形例4：

在上述实施方式中，将加强肋、连接肋、配流肋作为一体而构成本发明的技术方案中的“肋”，但是也可以取而代之地由被分割的肋构成。总之，肋只要从冷却介质排出歧管起跨及歧管与中央区域之间的区域而形成即可。即，也可以构成为不具有连接肋，也可以构成为通过并排几个肋而使肋存在于从对歧管用的开口进行划分的位置至歧管与中央区域之间的区域。

·变形例5：

在上述实施方式及各变形例中，在燃料电池中使用了固体高分子型燃料电池，但是也可以在磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物形燃料电池等各种燃料电池中应用本发明。

·变形例6：

在上述实施方式中构成为，经由连接肋96将加强肋95与配流肋94中的、与冷却介质供给歧管间相对应的位置处的配流肋94设置为一体，但是也可以构成为使设于冷却介质供给歧管间的梁部82H的肋(与实施方式中的加强肋相对应的肋)延伸至中央区域50A与冷却介质供给歧管之间的区域。即，在该变形例中，设于中央区域50A与冷却介质供给歧管之间的区域的配流肋94(较短的肋)和从冷却介质供给歧管间的梁部延伸出的肋(较长的肋)被独立地设置。因此，肋的倾斜、终端位置等不一定形成为相同。

本发明并不局限于上述实施方式、变形例，在不脱离其主旨的范围内能够通过各种结构来实现。例如，对于与发明内容一栏中记载的各技术方案中的技术特征相对应的实施方式、变形例中的技术特征，为了解决上述问题的一部分或者全部、或者为了实现上述效果的一部分或者全部，能够适当地进行替换、组合。另外，上述实施方式及各变形例中的结构要素中的、除独立权利要求所记载的要素以外的要素是附加要素，能够适当地省略。

工业实用性

本发明涉及燃料电池用隔板及燃料电池组，能够应用于燃料电池、燃料电池车辆及其制造。

附图标记说明

10…燃料电池系统

40…阴极侧隔板

42…氧化剂气体流路

50…阳极侧隔板

50A…隔板中央区域

50B…外缘部

52…燃料气体流路

54…冷却介质流路

62…燃料气体供给歧管

64…燃料气体排出歧管

72、72a～72e…氧化剂气体供给歧管

82、82a～82c…冷却介质供给歧管

84、84a～84c…冷却介质排出歧管

82H、84H…梁部

94…配流肋

95…加强肋

96…连接肋

97…配流肋

98…加强肋

99…连接肋

100…燃料电池组

110…端板

120…绝缘板

130…集电板

140…单电池

150…氢罐

151…截止阀

152…调节器

153…配管

154…排出配管

160…气泵

161…配管

163…排出配管

170…散热器

171…水泵

172、173…配管

W…冷却介质

SL1～SL5…密封线

Claims (5)

1.一种燃料电池用隔板，用于燃料电池组，

所述燃料电池用隔板具备：

中央区域；

外缘部，是所述中央区域的外侧的区域，形成有多个歧管用开口；及

肋，从对所述多个歧管用开口进行划分的梁部起，跨及所述歧管用开口与所述中央区域之间的区域而形成。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其中，

所述肋在所述歧管用开口与所述中央区域之间的区域斜向延伸。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其中，

所述歧管用开口是形成用于对所述中央区域供给冷却介质的冷却介质供给歧管的开口。

4.一种燃料电池组，是将膜电极接合体之间隔着燃料电池用隔板而层叠多个所形成的，

所述燃料电池用隔板具备：

中央区域，与所述膜电极接合体的发电区域相向；

外缘部，是所述中央区域的外侧的区域，形成有冷却介质用的多个歧管用开口；及

肋，从对所述多个歧管用开口进行划分的梁部起，跨及所述歧管用开口与所述中央区域之间的区域而形成。

5.根据权利要求4所述的燃料电池组，其中，

所述燃料电池用隔板配置于膜电极接合体的阳极侧。