CN106935891B - 燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够良好地确保树脂制流体歧管自身的强度且实现轻量化的燃料电池堆。燃料电池堆(10)在层叠体(12as)的层叠方向一端配设有第二端板(18b)。在第二端板(18b)上设有树脂制的冷却介质供给歧管(72a)。冷却介质供给歧管(72a)在与第二端板(18b)抵接的面(74a(out))上借助肋部(83a)而设有多个凹陷部(82a)。

Description

燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆，其具有将隔板和在电解质膜的两面设有电极的电解质膜-电极结构体层叠而成的发电单元，且将多个所述发电单元层叠并在层叠方向两端配设有端板。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池具备电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的一面配设有阳极电极，且在另一面配设有阴极电极。电解质膜-电极结构体通过由隔板夹持而构成发电单元(单位单元)。通常，将规定数目的发电单元层叠，从而例如作为车载用燃料电池堆而装入燃料电池车辆(燃料电池电动机动车等)。

在燃料电池堆中，在隔板的面内设有用于使燃料气体向阳极电极流动的燃料气体流路和用于使氧化剂气体向阴极电极流动的氧化剂气体流路。另外，在彼此相邻的发电单元的隔板之间，沿着所述隔板的面方向设有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。

而且，采用内部歧管型燃料电池堆，该内部歧管型燃料电池堆设有沿层叠方向贯通而使燃料气体流通的燃料气体连通孔、使氧化剂气体流通的氧化剂气体连通孔、以及使冷却介质流通的冷却介质连通孔。燃料气体连通孔(流体连通孔)具有燃料气体供给连通孔及燃料气体排出连通孔，氧化剂气体连通孔(流体连通孔)具有氧化剂气体供给连通孔及氧化剂气体排出连通孔。冷却介质连通孔(流体连通孔)具有冷却介质供给连通孔及冷却介质排出连通孔。

在上述的燃料电池堆中，至少在一方的端板上设有与各流体连通孔相连而将燃料气体、氧化剂气体或冷却介质即流体供给或排出的流体歧管。例如，在专利文献1公开的燃料电池堆中，在一方的端板上设有树脂制歧管，并且在所述树脂制歧管的端部设有保持于所述一方的端板的加强部。

另外，在专利文献2公开的燃料电池堆中，流体歧管具有橡胶制主体部。在橡胶制主体部上，在与端板接合的接合部上一体地设有橡胶制凸缘部，并且所述橡胶制凸缘部通过固定于所述端板的金属制止动构件而被按压保持于该端板。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2009-224195号公报

专利文献2：日本特开2015-60716号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明与此种技术相关联而完成，其目的在于提供一种能够良好地确保树脂制流体歧管自身的强度且实现轻量化的燃料电池堆。

用于解决课题的方案

本发明的燃料电池堆具有将隔板和在电解质膜的两侧设有电极的电解质膜-电极结构体层叠而成的发电单元，且将多个所述发电单元层叠并在层叠方向两端配设有端板。在一方的端板上设有使冷却介质、燃料气体或氧化剂气体即流体流通的树脂制流体歧管。

在燃料电池堆中，树脂制流体歧管在与一方的端板抵接的抵接面上借助肋部而设有多个凹陷部。

另外，在该燃料电池堆中，优选树脂制流体歧管具备：与一方的端板抵接的歧管基座构件；以及重叠并固定于所述歧管基座构件的歧管罩构件。此时，优选在歧管基座构件的与一方的端板抵接的抵接面上借助肋部而设有多个凹陷部。

而且，在该燃料电池堆中，优选在歧管基座构件的两端分别设有使流体沿层叠方向流通的流体连通孔。此时，优选在歧管基座构件上，在流体连通孔之间的区域借助肋部而设有多个凹陷部。

发明效果

根据本发明，在树脂制流体歧管的抵接面上借助肋部而设有多个凹陷部。因此，通过多个凹陷部能够实现树脂制流体歧管的薄壁化，且能够可靠地实现所述树脂制流体歧管自身的轻量化。并且，在各凹陷部之间设有肋部。因此，通过肋部能够得到加强功能，能够良好地确保树脂制流体歧管自身的强度。

附图说明

图1是本发明的实施方式的燃料电池堆的从第二端板侧观察到的立体说明图。

图2是所述燃料电池堆的从第一端板侧观察到的局部分解立体说明图。

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是构成所述燃料电池堆的冷却介质供给歧管的分解立体说明图。

图5是构成所述冷却介质供给歧管的歧管基座构件的主视说明图。

图6是构成所述冷却介质供给歧管的歧管罩构件的外表面说明图。

图7是所述歧管罩构件的内表面说明图。

符号说明：

10…燃料电池堆 12…发电单元

12as…层叠体 18a、18b…端板

26…壳体 40…电解质膜-电极结构体

42…阴极隔板 44…阳极隔板

46a…氧化剂气体供给连通孔 46b…氧化剂气体排出连通孔

48a…燃料气体供给连通孔 48b…燃料气体排出连通孔

50a…冷却介质供给连通孔 50b…冷却介质排出连通孔

52…固体高分子电解质膜 54…阴极电极

56…阳极电极 58…氧化剂气体流路

60…燃料气体流路 62…冷却介质流路

68a…氧化剂气体供给歧管 68b…氧化剂气体排出歧管

70a…燃料气体供给歧管 70b…燃料气体排出歧管

72a…冷却介质供给歧管 72b…冷却介质排出歧管

74a…歧管基座构件 76a…歧管罩构件

77a、77b…螺纹孔 78a…冷却介质入口

81a…密封构件 82a、98a…凹陷部

83a、100a…肋部 84a、94a、96a…孔部

86a…内螺纹构件 88a、88b…主体部

89a…冷却介质流通路 92a…凸缘部

106a、110a…圆筒状套管构件

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的实施方式的燃料电池堆10例如搭载于未图示的燃料电池电动机动车。燃料电池堆10具备将多个发电单元12以电极面成为立位姿态的方式沿水平方向(箭头B方向)层叠而成的层叠体12as(参照图2)。需要说明的是，燃料电池堆10也可以使多个发电单元12沿重力方向(箭头C方向)层叠。

如图2所示，在发电单元12的层叠方向一端(层叠体12as的一端)，朝向外侧而依次配设有第一接线板14a、第一绝缘板16a及第一端板18a。在发电单元12的层叠方向另一端(层叠体12as的另一端)，朝向外侧而依次配设有第二接线板14b、第二绝缘板16b及第二端板18b。

与第一接线板14a连接的第一电力输出端子20a从横长形状(长方形形状)的第一端板18a的大致中央部(也可以从中央部偏心)朝向外侧延伸。与第二接线板14b连接的第二电力输出端子20b从横长形状(长方形形状)的第二端板18b的大致中央部(也可以从中央部偏心)朝向外侧延伸。

在第一端板18a与第二端板18b的各边之间，通过螺钉24固定连结杆22的两端，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。

燃料电池堆10根据需要而具备壳体26。壳体26的箭头B方向两端的两边(面)由第一端板18a及第二端板18b构成。壳体26的箭头A方向两端的两边(面)由横长板形状的第一侧板28a及第二侧板28b构成。壳体26的高度方向(箭头C方向)两端的两边(面)由上方侧板30a及下方侧板30b构成。上方侧板30a及下方侧板30b具有横长板形状。

如图2所示，在第一端板18a及第二端板18b的各边上设有螺纹孔32。在第一侧板28a、第二侧板28b、上方侧板30a及下方侧板30b上，与各螺纹孔32对置而形成有孔部34。通过使插入到各孔部34中的螺钉36与各螺纹孔32螺合，由此将壳体26固定为一体。

如图3所示，发电单元12具备电解质膜-电极结构体40和夹持所述电解质膜-电极结构体40的阴极隔板42及阳极隔板44。

阴极隔板42及阳极隔板44例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或对其金属表面实施了防腐蚀用的表面处理的金属板构成。阴极隔板42及阳极隔板44的平面具有矩形形状，并通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而成形为截面凹凸形状。需要说明的是，阴极隔板42及阳极隔板44也可以代替金属隔板而例如使用碳隔板。

在发电单元12的长边方向(箭头A方向)的一端缘部，沿箭头B方向相互连通而设有氧化剂气体供给连通孔46a及燃料气体排出连通孔48b。氧化剂气体供给连通孔46a供给氧化剂气体(流体)、例如含氧气体，另一方面，燃料气体排出连通孔48b排出燃料气体(流体)、例如含氢气体。

在发电单元12的长边方向的另一端缘部，沿箭头B方向相互连通而设有用于供给燃料气体的燃料气体供给连通孔48a和用于排出氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔46b。

在发电单元12的短边方向(箭头C方向)的两端缘部一侧(水平方向一端侧)，即、在氧化剂气体供给连通孔46a及燃料气体排出连通孔48b侧，上下地设有冷却介质供给连通孔50a。为了供给冷却介质(流体)，冷却介质供给连通孔50a沿箭头B方向分别连通，且在对置的边上下地各设有一个(也可以各设有两个)。

在发电单元12的短边方向的两端缘部另一侧(水平方向另一端侧)，即、在燃料气体供给连通孔48a及氧化剂气体排出连通孔46b侧，上下地设有冷却介质排出连通孔50b。为了排出冷却介质(流体)，冷却介质排出连通孔50b沿箭头B方向分别连通，且在对置的边上下地各设有一个(也可以各设有两个)。

电解质膜-电极结构体40具备例如在全氟磺酸的薄膜中浸渍水而成的固体高分子电解质膜52和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具有由碳纸等构成的气体扩散层(未图示)。将表面担载有铂合金的多孔碳粒子均匀地涂敷于气体扩散层的表面，由此形成电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜52的两面。

在阴极隔板42的朝向电解质膜-电极结构体40的面42a上形成有将氧化剂气体供给连通孔46a和氧化剂气体排出连通孔46b连通的氧化剂气体流路58。氧化剂气体流路58由沿箭头A方向延伸的多根波状流路槽(或直线状流路槽)形成。

在阳极隔板44的朝向电解质膜-电极结构体40的面44a上形成有将燃料气体供给连通孔48a和燃料气体排出连通孔48b连通的燃料气体流路60。燃料气体流路60由沿箭头A方向延伸的多根波状流路槽(或直线状流路槽)形成。

在彼此相邻的阳极隔板44的面44b与阴极隔板42的面42b之间形成有与冷却介质供给连通孔50a、50a和冷却介质排出连通孔50b、50b连通的冷却介质流路62。冷却介质流路62沿水平方向延伸，使冷却介质在电解质膜-电极结构体40的电极范围内流通。

在阴极隔板42的面42a、42b上，环绕该阴极隔板42的外周端缘部而一体成形有第一密封构件64。在阳极隔板44的面44a、44b上，环绕该阳极隔板44的外周端缘部而一体成形有第二密封构件66。

作为第一密封构件64及第二密封构件66，例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟硅酮橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、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。

如图2所示，在第一端板18a上安装有氧化剂气体供给歧管68a、氧化剂气体排出歧管68b、燃料气体供给歧管70a及燃料气体排出歧管70b。氧化剂气体供给歧管68a、氧化剂气体排出歧管68b、燃料气体供给歧管70a及燃料气体排出歧管70b由具有电绝缘性的树脂构成。

氧化剂气体供给歧管68a和氧化剂气体排出歧管68b与氧化剂气体供给连通孔46a和氧化剂气体排出连通孔46b连通。燃料气体供给歧管70a和燃料气体排出歧管70b与燃料气体供给连通孔48a和燃料气体排出连通孔48b连通。

如图1所示，在第二端板(一方的端板)18b上，安装有与上下各一个的冷却介质供给连通孔50a连通的树脂制的冷却介质供给歧管(树脂制流体歧管)72a。在第二端板18b上，安装有与上下各一个的冷却介质排出连通孔50b连通的树脂制的冷却介质排出歧管(树脂制流体歧管)72b。优选冷却介质供给歧管72a及冷却介质排出歧管72b具有电绝缘性。

如图1及图4所示，冷却介质供给歧管72a具备与第二端板18b抵接的歧管基座构件74a。歧管基座构件74a与歧管罩构件76a固定，并且所述歧管罩构件76a安装于第二端板18b。在第二端板18b上，与各冷却介质供给连通孔50a接近而分别形成有四个螺纹孔77a，另一方面，与各冷却介质排出连通孔50b接近而分别形成有四个螺纹孔77b(参照图1)。

歧管基座构件74a具有大致平板形状，在所述歧管基座构件74a的上部及下部分别设有与冷却介质供给连通孔50a连通为一体的冷却介质入口(流体连通孔)78a。在歧管基座构件74a的朝向歧管罩构件76a的面74a(in)上，形成有围绕上下的冷却介质入口78a的环形槽部80a。在环形槽部80a配置有密封构件81a。

如图1及图5所示，在歧管基座构件74a的与第二端板18b抵接的面74a(out)上，在一对冷却介质入口78a之间的区域借助肋部83a而设有多个凹陷部82a。肋部83a的高度比歧管基座构件74a的面74a(out)的高度低，即，肋部83a与所述面74a(out)相比向内侧分离而形成，从而在肋部83a与第二端板18b的表面之间设有间隙。

凹陷部82a例如为蜂窝形状，所述凹陷部82a彼此由正六边形状的肋部83a分隔。凹陷部82a的深度h相对于歧管基座构件74a的厚度t例如设定在h/t＝0.1～0.7程度的范围内。需要说明的是，凹陷部82a除了蜂窝形状以外，还能够设定为三角形、四边形等多边形形状、或圆形状等各种形状。

如图4所示，在歧管基座构件74a的面74a(in)上，在各冷却介质入口78a的周围借助肋部87a而设有多个凹陷部85a。肋部87a的高度比歧管基座构件74a的面74a(in)的高度低，即，肋部87a与所述面74a(in)相比向内侧分离而形成，从而在肋部87a与歧管罩构件76a的表面之间设有间隙。凹陷部85a的深度h相对于歧管基座构件74a的厚度t例如设定在h/t＝0.1～0.7程度的范围内。凹陷部85a除了蜂窝形状以外，还能够设定为三角形、四边形等多边形形状、或圆形状等各种形状。

在歧管基座构件74a的上部，在两角部分别上下地各形成有两个孔部84a。在歧管基座构件74a的下部，在两角部分别上下地各形成有两个孔部84a。各孔部84a与第二端板18b的各螺纹孔77a配置在同轴上。在歧管基座构件74a的高度方向(箭头C方向)大致中央部，在箭头A方向两侧分别埋设有上下两个金属制的内螺纹构件86a。

如图4及图6所示，歧管罩构件76a设有框体状的主体部88a，该主体部88a形成与歧管基座构件74a的上下的冷却介质入口78a连通的冷却介质流通路89a。在主体部88a的高度方向大致中央部，朝向水平方向(或从水平方向倾斜)设有作为冷却介质供给口的入口管路部90a。在主体部88a的外周缘部设有凸缘部92a。

如图4所示，在凸缘部92a的上部，在两角部分别上下地各形成有两个孔部94a。在凸缘部92a的下部，在两角部分别上下地各形成有两个孔部94a。在凸缘部92a的高度方向(箭头C方向)大致中央部，在箭头A方向两侧分别上下地各形成有两个孔部96a。

凸缘部92a的孔部94a与歧管基座构件74a的孔部84a配置在同轴上，另一方面，所述凸缘部92a的孔部96a与所述歧管基座构件74a的金属制的内螺纹构件86a形成在同轴上。

如图7所示，在歧管罩构件76a的内侧(与歧管基座构件74a对置的一侧)的面76a(in)上，环绕冷却介质流通路89a而借助肋部100a设有多个凹陷部98a。凹陷部98a与凹陷部82a同样地具有蜂窝形状，但还能够设定为多边形形状或圆形状等各种形状。

如图4及图6所示，在歧管罩构件76a的外侧的面76a(out)上，环绕主体部88a的外周而借助肋部100a设有多个凹陷部98a。

如图4所示，在各孔部94a中例如配设有金属制的圆筒状套管构件106a。圆筒状套管构件106a以从孔部94a向孔部84a插入且前端与第二端板18b的板面抵接的方式设定轴向的长度。

向圆筒状套管构件106a内插入紧固连结螺栓(六角螺栓)108a，并使所述紧固连结螺栓108a与螺纹孔77a螺合，由此将冷却介质供给歧管72a固定于第二端板18b。

如图4所示，在各孔部96a中例如配设有金属制的圆筒状套管构件110a。圆筒状套管构件110a以向孔部96a插入且前端与歧管基座构件74a的内螺纹构件86a的端面抵接的方式设定轴向的长度。

向圆筒状套管构件110a内插入紧固连结螺栓(六角螺栓)112a，并使所述紧固连结螺栓112a与内螺纹构件86a螺合，由此将歧管罩构件76a固定于歧管基座构件74a。

如图1所示，冷却介质排出歧管72b固定于第二端板18b。需要说明的是，在冷却介质排出歧管72b中，对与冷却介质供给歧管72a相同的构成要素，在同一参照数字后面代替a而标注b，并省略其详细的说明。

在冷却介质排出歧管72b的上部及下部，分别设有与冷却介质排出连通孔50b连通为一体的冷却介质出口(流体连通孔)78b。在冷却介质排出歧管72b中，在构成歧管罩构件76b的主体部88b的高度方向大致中央部，朝向水平方向(或从水平方向倾斜)设有作为冷却介质排出口的出口管路部90b。

以下，对这样构成的燃料电池堆10的动作进行说明。

首先，如图2所示，从第一端板18a的氧化剂气体供给歧管68a向氧化剂气体供给连通孔46a供给含氧气体等氧化剂气体。从第一端板18a的燃料气体供给歧管70a向燃料气体供给连通孔48a供给含氢气体等燃料气体。

并且，如图1所示，在第二端板18b中，从冷却介质供给歧管72a的入口管路部90a向主体部88a的冷却介质流通路89a内供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。冷却介质向与冷却介质流通路89a的上下连通的各冷却介质供给连通孔50a分配。

因此，如图3所示，氧化剂气体从氧化剂气体供给连通孔46a向阴极隔板42的氧化剂气体流路58导入。氧化剂气体沿着氧化剂气体流路58向箭头A方向移动，向电解质膜-电极结构体40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48a向阳极隔板44的燃料气体流路60供给。燃料气体沿着燃料气体流路60向箭头A方向移动，向电解质膜-电极结构体40的阳极电极56供给。

因此，在电解质膜-电极结构体40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，从而进行发电。

接下来，向电解质膜-电极结构体40的阴极电极54供给而被消耗了一部分的氧化剂气体沿着氧化剂气体排出连通孔46b向箭头B方向排出。另一方面，向电解质膜-电极结构体40的阳极电极56供给而被消耗了一部分的燃料气体沿着燃料气体排出连通孔48b向箭头B方向排出。

另外，向上下的冷却介质供给连通孔50a供给的冷却介质向彼此相邻的阴极隔板42与阳极隔板44之间的冷却介质流路62导入。冷却介质从上下的冷却介质供给连通孔50a暂时向相互接近的方向流动之后、即沿箭头C方向朝内侧流动之后，向箭头A方向移动而对电解质膜-电极结构体40进行冷却。冷却介质朝箭头C方向外侧向相互分离的方向移动后，沿着上下的冷却介质排出连通孔50b向箭头B方向排出。

如图1所示，冷却介质从上下各一个的冷却介质排出连通孔50b向冷却介质排出歧管72b的主体部88b内的冷却介质流通路89b排出。冷却介质向主体部88b的中央侧流通之后，从出口管路部90b向外部排出。

在该情况下，在本实施方式中，如图1及图5所示，在歧管基座构件74a的面74a(out)上，在一对冷却介质入口78a之间的区域借助肋部83a而设有多个凹陷部82a。

因此，歧管基座构件74a通过多个凹陷部82a而能够实现薄壁化，且能够可靠地实现所述歧管基座构件74a自身的轻量化。并且，在各凹陷部82a之间设有肋部83a。因此，通过肋部83a能够得到加强功能，能够良好地确保歧管基座构件74a自身的强度。

并且，肋部83a的高度比歧管基座构件74a的面74a(out)的高度形成得低，在肋部83a与第二端板18b的表面之间设有间隙。由此，通过第二端板18b和肋部83a构成空气室，能够抑制从所述第二端板18b散热。而且，歧管基座构件74a只要使肋部83a比外周面形成得低，仅使所述外周面确保平面度即可。因此，精度的管理变得容易。

另外，如图4所示，在歧管基座构件74a的面74a(in)上，与各冷却介质入口78a的周围对应而借助肋部87a设有多个凹陷部85a。由此，具有进一步促进歧管基座构件74a自身的轻量化这样的优点。

另一方面，如图7所示，在歧管罩构件76a的面76a(in)上，环绕冷却介质流通路89a而借助肋部100a设有多个凹陷部98a。因此，歧管罩构件76a通过多个凹陷部98a而能够实现薄壁化，能够可靠地实现所述歧管罩构件76a自身的轻量化。并且，在各凹陷部98a之间设有肋部100a。因此，通过肋部100a能够得到加强功能，能够良好地确保歧管罩构件76a自身的强度。

并且，如图6所示，在歧管罩构件76a的面76a(out)上，环绕主体部88a的外周而借助肋部100a设有多个凹陷部98a。由此，进一步促进歧管基座构件74a自身的轻量化，能够良好地确保冷却介质供给歧管72a整体的强度，并且能够实现轻量化。另外，在冷却介质排出歧管72b中，能够得到与上述的冷却介质供给歧管72a同样的效果。

需要说明的是，在本实施方式中，冷却介质供给歧管72a由歧管基座构件74a及歧管罩构件76a分体地构成，但并不限定于此。例如，也可以通过将歧管基座构件74a及歧管罩构件76a一体成形，从而将冷却介质供给歧管72a构成为单一部件。另一方面，冷却介质排出歧管72b也可以同样地构成为单一部件。

Claims (3)

1.一种燃料电池堆，其具有将隔板和在电解质膜的两面设有电极的电解质膜-电极结构体层叠而成的发电单元，且将多个所述发电单元层叠并在层叠方向两端配设有端板，并且在一方的端板上设有使冷却介质、燃料气体或氧化剂气体即流体流通的树脂制流体歧管，所述燃料电池堆的特征在于，

在所述一方的端板上设有使所述流体沿所述层叠方向流通的连通孔，

所述树脂制流体歧管在与所述一方的端板抵接的抵接面中的与所述一方的端板的所述连通孔不对置的部位，借助肋部而设有多个凹陷部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

所述树脂制流体歧管具备：

与所述一方的端板抵接的歧管基座构件；以及

重叠并固定于所述歧管基座构件的歧管罩构件，

在所述歧管基座构件的与所述一方的端板抵接的抵接面上借助所述肋部而设有所述多个凹陷部。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，

在所述歧管基座构件的两端分别设有使所述流体沿所述层叠方向流通的流体连通孔，并且，

在所述歧管基座构件上，在所述流体连通孔之间的区域借助所述肋部而设有所述多个凹陷部。