CN107534179A - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆(FS)，其包括：多个单元模块(M)，其将多个单个单元(C)层叠一体化而成；密封片(P)，其夹装在单元模块(M)彼此之间；以及歧管(M3)，其沿层叠方向贯通单元模块(M)和密封片(P)而使反应用气体流通，密封片(P)包括在与单元模块(M)之间将歧管(M3)的周围密封的密封构件(S4)，并且，密封构件(S4)包括有向歧管(M3)侧延伸并具有与歧管(M3)的内周面形成同一平面状的端面(F4)的延伸部(E)，该燃料电池堆(FS)不会导致反应用气体的流通性的下降、制造成本的增加，通过歧管(M3)良好地将生成水排出。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种固体高分子型燃料电池等燃料电池的改良，特别是，涉及一种具有层叠多个单个单元并具有包括在其层叠方向上贯通的反应用气体流通用歧管的构造的燃料电池堆。
背景技术
以往，作为上述那样的燃料电池堆，例如存在有专利文献1所述的燃料电池堆。专利文献1所述的燃料电池堆将电解质/电极构造体和金属隔板沿水平方向交替层叠，并且，形成有沿层叠方向贯通并使冷却介质或反应气体中的任一流体流动的流体连通孔(歧管)。而且，燃料电池堆为如下结构：在金属隔板以覆盖该金属隔板的面和流体连通孔的内壁的方式设置绝缘构件，利用该绝缘构件确保冷却介质或反应气体中的任一流体的密封性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4551746号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述这样的燃料电池堆中，伴随着发电而生成水，形成于层叠方向上的流体连通孔中的排出用流体连通孔(歧管)还作为生成水的排出路径被使用。
另一方面，在这种燃料电池堆中，由于在层叠多层单个单元时在单个单元彼此之间容易产生偏移，因此，通过将规定张数的单个单元层叠一体化而构成多个单元模块，通过设为将该单元模块和用于维持单元模块之间的密封性的密封片交替层叠而成的构造，从而能够谋求层叠状态的维持、单个单元的替换性。
然而，如上所述，在层叠单元模块和密封片而成的燃料电池堆中，特别是在密封片的夹入部分，在歧管的内周面产生凹凸，存在有在歧管的内部容易滞留生成水的问题，而如何解决这样的问题，成为了课题。
另外，为了防止生成水在歧管中的滞留，例如，还考虑有利用绝缘构件覆盖歧管的内周面整体的方法，但该情况下，除了制造成本升高以外，因温度、绝缘构件的压缩条件等而使流路面积变化，而可能对流路的压力损失、流体向各单个单元的分配产生不良影响。
本发明正是鉴于上述现有的状况而做成的，其目的在于提供一种包括单元模块和密封片、并且在层叠方向上具有反应用气体流通用的歧管的燃料电池堆，该燃料电池堆不会导致反应用气体的流通性的下降、制造成本的增加，能够通过歧管良好地将生成水排出。
用于解决问题的方案
本发明的燃料电池堆包括：多个单元模块，其将多个单个单元层叠一体化而成；密封片，其夹装在单元模块彼此之间；以及歧管，其沿层叠方向贯通单元模块和密封片而使反应用气体流通。而且，燃料电池堆设为如下结构：密封片包括在其与单元模块之间将歧管的周围密封的密封构件，并且，密封构件具备向歧管侧延伸并具有与歧管的内周面形成同一平面状的端面的延伸部，将上述结构作为解决现有问题的方法。
发明的效果
在本发明的燃料电池堆中，燃料电池堆包括单元模块和密封片，并且在层叠方向上具有反应用气体流通用的歧管，特别是能够消除密封片的夹入部分处的歧管的内周面的凹凸，不会导致反应用气体的流通性的下降、制造成本的增加，能够通过歧管良好地将生成水排出。
附图说明
图1的(A)是说明本发明的燃料电池堆的第1实施方式的立体图，图1的(B)是分解状体的立体图。
图2的(A)是说明构成图1所示的燃料电池堆的单个单元和密封片的分解状体的俯视图，图2的(B)是单个单元的俯视图。
图3是表示密封片的端部的俯视图。
图4的(A)是基于图3中的X-X线的燃料电池堆的主要部位的立体剖视图，图4的(B)是歧管部分的放大剖视图。
图5的(A)是说明本发明的燃料电池堆的第2实施方式的主要部位的立体剖视图，图5的(B)是歧管部分的放大剖视图。
具体实施方式
<第1实施方式>
图1～图4是说明本发明的燃料电池堆的第1实施方式的图。
图1所示的燃料电池堆FS包括将多个单个单元C层叠一体化而成的多个单元模块M和夹装在单元模块M之间的密封片P。图1中示出了两个单元模块M和一个密封片P，但实际上层叠该数量以上的数量的单元模块M和密封片P。
如图1的(B)所示，在图示的燃料电池堆FS中，对于包含单元模块M和密封片P的层叠体而言，在层叠方向上的一端部(图1中的右侧端部)隔着集电板、衬垫设有端板56A，并且在另一端部同样地隔着集电板、衬垫设有端板56B。另外，在燃料电池堆FS中，对于层叠体S而言，在成为单个单元C的长边侧的两面(图1中的上表面和下表面)设有紧固板57A、57B，并且在成为短边侧的两面设有加强板58A、58B。
另外，燃料电池堆FS利用螺栓B将各紧固板57A、57B以及加强板58A、58B与两端板56A、56B连结。由此，燃料电池堆FS成为图1的(A)所示的壳体一体型构造，并沿其层叠方向对层叠体A约束、加压而对每个单个单元C和密封片P施加规定的接触面压力，从而良好地维持气封性、导电性等。
如图2所示，单个单元C包括周围具有框架51的膜电极接合体1以及夹持框架51和膜电极接合体1的一对隔板2A、2B，在框架51以及膜电极接合体1与各个隔板2A、2B之间分别形成阳极和阴极的气体流路。
膜电极接合体1通常被称为膜电极组件MEA(Membrane Electrode Assembly)，省略了详细的图示，但膜电极接合体1为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众所周知的构造。
框架51通过树脂成形(例如注射成形)与膜电极接合体1一体化，在该实施方式中，将膜电极接合体1设于中央并形成长方形状。另外，框架51在短边两侧分别排列有三个反应用气体流通用的流通孔H1～H3、H4～H6。
各隔板2A、3B为具有与框架5大致相等的纵横尺寸的长方形状的金属制的板构件，例如为不锈钢制，通过冲压加工而成形为适当的表里反向的形状。图示例的隔板2A、2B的至少与膜电极接合体1相对应的中央部分形成为截面凹凸形状。
两隔板2A、2B沿长边方向连续地具有截面凹凸形状，使波形凸部与膜电极接合体1接触，并且，利用波形凹部在各隔板2A、2B与膜电极接合体1之间形成阳极和阴极的气体流路。另外，各隔板2A、2B在短边两侧形成有与框架51的各流通孔H1～H6相同的流通孔H1～H6。
上述的框架51以及膜电极接合体1与两隔板2A、2B重叠而形成单个单元C，将该单个单元C以规定张数层叠而构成上述的单元模块M。此时，在单元模块M中，各单个单元C中的框架51和各隔板2A、2B的流通孔H1～H6彼此相互连续。另外，在单个单元C彼此之间设置后述的密封构件并形成冷却用液体的流路。
如图2的(A)所示，密封片P通过对一张导电性的金属板进行成形而成，形成为具有与单个单元C大致相同的纵横尺寸的长方形状，且在相邻的单元模块M之间设置后述的密封构件并形成冷却用液体的流路。另外，密封片P在短边两侧形成有与单个单元C相同的流通孔H1～H3、H4～H6。
上述的单个单元C和密封片P在相互层叠的状态下各自的流通孔H1～H6相互连通，如图2的(B)所示，形成沿层叠方向连续的歧管M1～M6。作为一例子，图中的左侧即一端侧的歧管M1～M3从上方开始依次为阴极气体供给用(M1)、冷却用流体供给用(M2)以及阳极气体排出用(M3)。
另外，在该单个单元C中，图中的右侧即另一端侧的歧管M4～M6从上方开始依次为阳极气体供给用(M4)、冷却用流体排出用(M5)以及阴极气体供给用(M6)。另外，阳极气体为含氢气体。阴极气体为含氧气体，例如为空气。冷却用流体例如为水。
在膜电极接合体1的框架与各隔板2的缘部彼此之间、各个流通孔H1～H6的周围设有密封构件S1、S2。该密封构件S1、S2能够使用在将构件彼此接合后发挥密封性的粘接剂。为了使与各层间相对应的流体流通，流通孔H1～H6的周围的密封构件S2未被配置在如图2所示的相应的部位，或配置在局部具有开口部(不连续部)的密封构件(S2)。
密封片P在其缘部和流通孔H1～H6的周围具有使与相邻的单元模块M之间密封的密封构件S3、S4。如上所述，密封片P在与单元模块M之间形成冷却用流体的流路，因此，如图3所示，在冷却用流体的流通孔H2(H5)的周围未配置密封构件(S4)、或配置在局部具有开口部的密封构件(S4)。
在将上述的单个单元C和密封片P层叠而成的燃料电池堆FS中，特别是反应用气体排出用歧管M3、M6的内周面的至少一部分形成为沿单个单元C的层叠方向连续的平面状。更具体而言，燃料电池堆FS利用框架51、隔板2A、2B以及密封片P的层叠构件的端面(流通孔H3、H6的内周面)使歧管M3、M6的内周面的至少一部分形成为沿单个单元C的层叠方向连续的平面状。也就是说，在歧管M3、M6的内周面的至少一部分，层叠构件(51、2A、2B、P)的端面成为以同一平面状连续的状态。
另外，如图1的(A)所示，该实施方式中的燃料电池堆FS以单个单元C的长边成为水平的姿势的方式设置。该情况下，歧管M3、M6的内周面中形成为平面状的部分至少是重力方向上的下侧的部分。另外，形成为平面状的部分除下侧的部分以外，还可以包含除此以外的部分，而且，除排出用歧管M3、M6以外，形成为平面状的部分还可以形成于供给用歧管M1、M4的内周面。
图4是基于图3中的X-X线的立体剖视图，示出阳极气体排出用歧管M3的部分。另外，在图4的(A)中，歧管M3内的气体的流通方向为用箭头表示的向下方向，如上所述，在燃料电池堆FS的姿势为图1所示的姿势的情况下，气体的流通方向为水平方向。
在该实施方式中，如图4的(B)中表示的放大后的剖面所示，各单个单元C的框架51和隔板2A、2B以及密封片P分别在流通孔H3的内周部具有平坦形成面F1、F2、F3、F4。而且，通过使各个平坦形成面F1～F4彼此相互以同一平面状连续，从而将歧管M3的内周面的至少一部分形成为沿单个单元C的层叠方向连续的平面状。
更具体而言，框架51在流通孔H3的内周部一体地具有向阴极侧(图4中的下侧)的面突出的肋21，将包含该肋21在内的流通孔H3的内周面设为平坦形成面F1。在此，单个单元C中的流通孔H1～H6的周围的密封构件S1设于肋21的顶端面与阴极侧隔板2B之间。该情况下，上述的用于使阴极气体流通的开放部能够去除肋21的一部分地设置。另外，隔板2A、2B将各自的流通孔H3的内周面设为平坦形成面F2、F3。
如图3和图4所示，如上所述，密封片P具有在与单元模块M之间将歧管M3的周围密封的密封构件S4。而且，密封片P在密封构件S4具有向歧管M3侧延伸并具有与歧管M3的内周面形成同一平面状的端面的延伸部E。也就是说，在密封片P中，延伸部E的端面为与歧管M3的内周面以同一平面状连续的所述平坦形成面F4，如图3所示，在重力方向上的下侧设有延伸部E。
由此，在燃料电池堆FS中，歧管M3的内周面的至少一部分形成为包含密封构件S4的延伸部E的端面(平坦形成面F4)且沿单个单元C的层叠方向连续的平面状。另外，在图4中例示了阳极气体排出用歧管M3，当然，也能够对除此之外的反应用气体的歧管M1、M4、M6采用相同的结构。
具有上述结构的燃料电池堆FS通过在各单个单元C中向膜电极接合体1的阳极电极层供给阳极气体、向膜电极接合体1的阴极电极层供给阴极气体，从而利用电化学反应进行发电，此时，伴随着发电而生成水。该生成水主要通过反应用气体排出用歧管M3、M6被排出。
相对于此，在燃料电池堆FS中，由于密封片P的密封构件S4包括有延伸部E，该延伸部E具有与歧管M3、M6的内周面形成同一平面状的端面(F4)，因此，特别是能够消除密封片P的夹入部分处的歧管M3、M6的内周面的凹凸。由此，燃料电池堆FS不需要覆盖歧管M3、M6的内周面整体的那样的特殊的构件，不会导致反应用气体的流通性的下降、制造成本的增加，就能够通过歧管良好地将生成水排出。
另外，在燃料电池堆FS中，由于密封构件S4的延伸部E设于歧管M3、M6的内周面中的至少重力方向上的下侧，因此，能够更顺畅且快速地将生成水排出。
另外，在燃料电池堆FS中，各单个单元C的框架51和隔板2A、2B分别在流通孔H3的内周部具有平坦形成面F1～F3，歧管M3、M6的内周面的至少一部分形成为包含密封构件S4的延伸部E的端面(平坦形成面F4)且沿单个单元C的层叠方向连续的平面状。由此，燃料电池堆FS能够更顺畅地将生成水排出，即使在歧管M3的内周面暴露有框架51、隔板2A、2B以及密封片P的层叠构件的端面(F1～F4)，由于排水性良好，因此，能够防止由生成水而导致的构件的腐蚀。
<第2实施方式>
图5是说明本发明的燃料电池的第2实施方式的图，与图4相同，是基于图3中的X-X线的立体剖视图和放大剖视图。也就是说，图5表示了阳极气体排出用歧管M3的部分。另外，对与第1实施方式相同的结构部位标注相同的附图标记并省略详细的说明。
在图5所示的燃料电池堆FS中，各单个单元C的框架51在各自的流通孔H3的内周部(缘部)具有：肋21，其向该框架51的至少一侧的面突出并覆盖隔板2A、2B的流通孔H3的内周面；以及平坦形成面F1，其包含肋21的侧面。图示例的框架51一体地具有向阴极侧(图5中的下侧)的面突出的肋21。
另外，密封片P在密封构件S4的延伸部E的顶端具有向层叠方向上的两侧突出并压接于单元模块M、M的肋22、22，并具有包含该肋22、22的侧面在内的平坦形成面F4。因而，在该实施方式的燃料电池堆FS中，利用框架51的平坦形成面F1和密封片P的平坦形成面F4，使歧管M3的内周面形成为沿层叠方向连续的平面状。
与上述的实施方式相同，具有上述结构的燃料电池堆FS不会导致反应用气体的流通性的下降、制造成本的增加，能够通过歧管M3良好地将生成水排出。
而且，在燃料电池堆FS中，在层叠了单元模块M、M和密封片P时，延伸部E的肋22、22成为在单元模块M、M之间被压缩的状态。由此，燃料电池堆FS能够在单元模块M、M与密封片P之间确保良好的密封面压力，能够更可靠地阻止生成水浸入到层间。
另外，在燃料电池堆FS中，由于利用设于树脂制的框架51的肋21覆盖了金属制的隔板2A、2B的流通孔H3的内周面，因此，与由延伸部E的肋22、22产生的密封性提高相结合，能够获得对隔板2A、2B的充分的防水功能。
本发明的燃料电池堆的结构并不仅限定于上述各实施方式，在不偏离本发明的主旨的范围内能够适当变更结构的细节部分、适当组合上述各实施方式的结构。
附图标记说明
1、膜电极接合体；2A、2B、隔板；22、肋；51、框架；C、单个单元；E、延伸部；FS、燃料电池堆；F1、框架的平坦形成面；F2、F3、隔板的平坦形成面；F4、密封构件的平坦形成面；H1～H6、流通孔；M、单元模块；M1、阴极气体供给用歧管；M3、阳极气体排出用歧管；M4、阳极气体供给用歧管；M6、阴极气体排出用歧管；P、密封片；S1～S4、密封构件。

Claims (4)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，
该燃料电池堆包括：
多个单元模块，其将多个单个单元层叠一体化而成；
密封片，其夹装在单元模块彼此之间；以及
歧管，其沿层叠方向贯通单元模块和密封片而使反应用气体流通，
密封片包括在与单元模块之间将歧管的周围密封的密封构件，并且，密封构件包括有延伸部，该延伸部向歧管侧延伸并具有与歧管的内周面形成同一平面状的端面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述密封构件的延伸部设于歧管的内周面中的至少重力方向上的下侧。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述密封构件的延伸部在其顶端具有向层叠方向突出并压接于单元模块的肋。
4.一种燃料电池堆，其特征在于，
所述单个单元具有如下结构：该结构包括周围具有框架的膜电极接合体以及夹持框架和膜电极构造体的一对隔板，
各单个单元的框架和隔板以及密封片分别具有在层叠状态下相互连续并形成所述歧管的流通孔，
歧管的内周面的至少一部分形成为包含密封构件的延伸部的端面且沿单个单元的层叠方向连续的平面状。
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