CN108695536A - 燃料电池组及燃料电池组的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池组及燃料电池组的制造方法，抑制在紧固状态下粘结于隔板的框架部件的部分发生剥离。单电池的两个隔板中的至少一方的隔板由具有凹凸的冲压成形板构成。在将凹凸中的靠近MEGA板的部分称作凹部，将凹凸中的远离MEGA板的部分称作凸部时，一方的隔板具有与框架部件粘结的第一凹部、与第一凹部相邻的第一凸部、隔着第一凸部而设置在与第一凹部相反一侧的第二凹部。燃料电池组能够成为多个单电池通过紧固部件而被施加了紧固载荷的紧固状态和多个单电池未被施加紧固载荷的非紧固状态。单电池构成为，在紧固状态下第二凹部与框架部件接触，在非紧固状态下第二凹部不与框架部件接触。

Description

燃料电池组及燃料电池组的制造方法
技术领域
本发明涉及燃料电池组及燃料电池组的制造方法。
背景技术
在专利文献1中公开了一种层叠多个单电池而成的燃料电池组。单电池具有在两面配置有气体扩散层的膜电极接合体、粘结于膜电极接合体的周围的支撑框架及夹持它们的两个隔板。隔板由具有凹凸的金属板形成。隔板的凹部与气体扩散层或支撑框架接触。隔板的凸部从膜电极接合体和支撑框架分离，形成气体流路。处于隔板的外周部分的凹部经由粘结剂层粘结于支撑框架的外周部分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-173909号公报
发明内容
发明要解决的问题
通常，燃料电池组在使用紧固部件将多个单电池紧固的状态下使用。在紧固多个单电池时，与隔板的外周部分的凹部相邻的凸部被朝向支撑框架压靠。本申请的发明人发现了如下问题：由于该压力，会在与支撑框架粘结的隔板的凹部产生反方向的应力，存在该凹部从支撑框架剥离的可能性。
用于解决问题的手段
本发明为了解决上述问题的至少一部分而完成，能够作为以下的方式来实现。
(1)根据本发明的一方式，提供一种燃料电池组。该燃料电池组具备层叠的多个单电池和沿着所述多个单电池的层叠方向将所述多个单电池紧固的紧固部件。所述单电池具有MEGA板和夹持所述MEGA板的两个隔板，所述MEGA板具有膜电极气体扩散层接合体和接合于所述膜电极气体扩散层接合体的周围的框架部件，所述两个隔板中的至少一方的隔板由具有凹凸的冲压成形板构成，在将所述凹凸中的靠近所述MEGA板的部分称作凹部，将所述凹凸中的远离所述MEGA板的部分称作凸部时，所述一方的隔板具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧的第二凹部，所述燃料电池组能够成为所述多个单电池通过所述紧固部件而被施加了紧固载荷的紧固状态和所述多个单电池未被施加所述紧固载荷的非紧固状态，所述单电池构成为，在所述紧固状态下，所述第二凹部与所述框架部件接触，在所述非紧固状态下，所述第二凹部不与所述框架部件接触。
根据该方式的燃料电池组，由于在一方的隔板中，在非紧固状态下第二凹部不与框架部件接触而在第二凹部与框架部件之间形成有间隙，所以在从非紧固状态向紧固状态转变时对第一凸部施加的紧固载荷通过该间隙而得到缓和。其结果，与在非紧固状态下第二凹部与框架部件接触的情况相比，能够减小由于对第一凸部施加的紧固载荷而在第一凹部产生的应力，能够抑制粘结于框架部件的第一凹部从框架部件剥离。
(2)在上述方式的燃料电池组中，可以是，所述一方的隔板构成为，所述第一凸部设置在比所述第一凹部靠内侧的位置，所述第二凹部设置在比所述第一凸部靠内侧的位置。
根据该方式的燃料电池组，由于在一方的隔板中，在非紧固状态下第二凹部不与框架部件接触，所以能够抑制在从非紧固状态向紧固状态转变时由于对第一凸部施加的紧固载荷而在第一凹部产生的应力，能够抑制第一凹部从框架部件剥离。
(3)在上述方式的燃料电池组中，可以是，所述两个隔板中的另一方的隔板在与所述一方的隔板的所述第一凹部、所述第一凸部、所述第二凹部分别对向的位置具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧的第二凹部，所述单电池构成为，在所述紧固状态下，所述一方的隔板的所述第二凹部及所述另一方的隔板的所述第二凹部与所述框架部件接触，在所述非紧固状态下，所述一方的隔板的所述第二凹部及所述另一方的隔板的所述第二凹部不与所述框架部件接触。
根据该方式的燃料电池组，由于在双方的隔板中，在非紧固状态下第二凹部不与框架部件接触，所以能够抑制在从非紧固状态向紧固状态转变时由于对第一凸部施加的紧固载荷而在第一凹部产生的应力，能够抑制第一凹部从框架部件剥离。
(4)根据本发明的另一方式，提供一种燃料电池组的制造方法。该燃料电池组的制造方法包含：工序(a)，准备多个单电池和用于紧固所述多个单电池的紧固部件，及工序(b)，层叠所述多个单电池，并且利用所述紧固部件沿着所述多个单电池的层叠方向将所述多个单电池紧固。所述单电池具有MEGA板和夹持所述MEGA板的两个隔板，所述MEGA板具有膜电极气体扩散层接合体和接合于所述膜电极气体扩散层接合体的周围的框架部件，所述两个隔板中的至少一方的隔板由具有凹凸的冲压成形板构成，在将所述凹凸中的靠近所述MEGA板的部分称作凹部，将所述凹凸中的远离所述MEGA板的部分称作凸部时，所述一方的隔板具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧且形成为不与所述框架部件接触的第二凹部。所述工序(b)包含如下工序：通过利用所述紧固部件对所述多个单电池施加紧固载荷，来使所述一方的隔板的所述第二凹部与所述框架部件接触。
根据该方式的燃料电池组的制造方法，由于在一方的隔板中，在施加紧固载荷之前第二凹部不与框架部件接触，所以能够抑制在施加紧固载荷之后在第一凹部产生的应力，能够抑制第一凹部从框架部件剥离。
(5)在上述方式的燃料电池组的制造方法中，可以是，所述一方的隔板构成为，所述第一凸部设置在比所述第一凹部靠内侧的位置，所述第二凹部设置在比所述第一凸部靠内侧的位置。
根据该方式的燃料电池组的制造方法，由于在一方的隔板中，在施加紧固载荷之前第二凹部不与框架部件接触，所以能够抑制在施加紧固载荷之后在第一凹部产生的应力，能够抑制第一凹部从框架部件剥离。
(6)在上述方式的燃料电池组的制造方法中，可以是，所述两个隔板中的另一方的隔板在与所述一方的隔板的所述第一凹部、所述第一凸部、所述第二凹部分别对向的位置具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧且形成为不与所述框架部件接触的第二凹部。
根据该方式的燃料电池组的制造方法，由于在双方的隔板中，在施加紧固载荷之前第二凹部不与框架部件接触，所以能够抑制在施加紧固载荷之后在第一凹部产生的应力，能够抑制第一凹部从框架部件剥离。
本发明也能够以上述以外的各种方式来实现。例如，能够以燃料电池系统、燃料电池系统的制造方法等方式来实现。
附图说明
图1是第一实施方式的燃料电池组的侧视图及单电池的分解图。
图2是单电池的俯视图。
图3是非紧固状态的单电池的局部剖视图。
图4是紧固状态的单电池的局部剖视图。
图5是表示比较例的对单电池施加紧固载荷的状况的图。
图6是根据紧固载荷施加量而示出产生应力的变化的图。
图7是非紧固状态的燃料电池组的侧视图。
图8是第二实施方式的非紧固状态的单电池的局部剖视图。
图9是第二实施方式的紧固状态的单电池的局部剖视图。
具体实施方式
·第一实施方式：
图1是本发明的第一实施方式的层叠多个单电池140而成的燃料电池组100的侧视图及单电池140的分解图。在图1中，水平方向是X方向，垂直方向是Y方向，单电池140的层叠方向是与X、Y方向垂直的Z方向。燃料电池组100是所谓的固体高分子型燃料电池，与反应气体(氧化剂气体及燃料气体)的供给部、冷却介质的供给部等一起构成燃料电池系统。这样的燃料电池系统例如作为用于供给驱动用电源的系统而搭载于车辆等。
燃料电池组100具备两个端板110、两个绝缘板120、多个单电池140及作为紧固部件的多个螺栓131及螺母132。端板110、绝缘板120、多个单电池140、绝缘板120及端板110依次层叠。螺栓131贯通两端的端板110及绝缘板120，螺母132安装于螺栓131贯通后的剩余部分。燃料电池组100能够成为通过拧紧螺母132而对多个单电池140施加了紧固载荷的紧固状态和通过拧松螺母132而不施加紧固载荷的非紧固状态。图1所示的燃料电池组100处于紧固状态，两端的端板110之间的距离是L1。
单电池140具有MEGA板30和夹持MEGA板30的两个隔板40、50，MEGA板30具有膜电极气体扩散层接合体(Membrane–Electrode Gas–diffusion–layer Assembly)32(以下，称作“MEGA32”)和接合于MEGA32的周围的框架部件31。在图1中，隔板40是阴极侧隔板，隔板50是阳极侧隔板。
图2是从阳极侧隔板50的面观察时的单电池140的概略俯视图。在阳极侧隔板50的长边方向的一端缘部，从上向下依次并列设置有燃料气体入口歧管孔62、冷却介质出口歧管孔84及氧化剂气体入口歧管孔72。与此相对，在另一端缘部，从上向下依次并列设置有氧化剂气体出口歧管孔74、冷却介质入口歧管孔82及燃料气体出口歧管孔64。在阳极侧隔板50的中央部分形成有多个筋状的冷却介质流路槽54。
从燃料气体入口歧管孔62供给的燃料气体中未被利用的燃料气体由燃料气体出口歧管孔64汇集并向燃料电池组100(图1)的外部排出。另外，从氧化剂气体入口歧管孔72供给的氧化剂气体中未被利用的氧化剂气体由氧化剂气体出口歧管孔74汇集并向燃料电池组100的外部排出。进而，从冷却介质入口歧管孔82供给的冷却介质在冷却介质流路槽54中流动，由冷却介质出口歧管孔84汇集并向燃料电池组100的外部排出。
此处，隔板40、50由具有凹凸的冲压成形板构成，例如采用对不锈钢、钛等金属部件进行冲压成形而得到的冲压成形板。但是，两个隔板40、50中的一个隔板也可以不是冲压成形板。在本说明书中，将隔板40、50的凹凸中的靠近MEGA板30的部分称作凹部，将隔板40、50的凹凸中的远离MEGA板30的部分称作凸部。在图2中，以包围各气体歧管孔62、64、72、74、冷却介质用歧管孔82、84及冷却介质流路槽54的方式形成有第一凹部21。此外，在第一凹部21配置有垫圈GK1～GK5。垫圈GK1～GK5具有在层叠多个单电池140时与相邻的两个单电池140的表面抵接而对两个单电池140之间进行密封的功能。
图3是图2所示的单电池140的III-III剖视图。为了便于图示，描绘了两个单电池。在图3中，单电池140处于未被施加紧固载荷的非紧固状态。在阳极侧隔板50上，沿着X方向依次形成有第一凹部21、第一凸部22及第二凹部23。第一凹部21通过粘结剂层90与框架部件31粘结。第一凸部22与第一凹部21相邻。第二凹部23隔着第一凸部22而设置在第一凹部21的相反侧。在该例子中，在第一凹部21的内侧(冷却介质出口歧管孔84侧)设置有第一凸部22，在第一凸部22的内侧设置有第二凹部23。在阴极侧隔板40形成有与阳极侧隔板50的各凹凸对向的第一凹部11、第一凸部12及第二凹部13。阴极侧隔板40的第一凹部11也同样通过粘结剂层90与框架部件31粘结。此外，第一凹部11、21、第一凸部12、22、第二凹部13、23分别具有相同的形状及尺寸。
在图3的非紧固状态下，阳极侧隔板50的第二凹部23及阴极侧隔板40的第二凹部13不与框架部件31接触。在阳极侧隔板50的第二凹部23与框架部件31之间存在非零的间隙G1，在阴极侧隔板40的第二凹部13与框架部件31之间也存在非零的间隙G2。另外，在垫圈GK5与相邻的单电池140的阴极侧隔板40之间存在间隔P。
图4是表示对图3的单电池140施加了紧固载荷的紧固状态的图。在图4的紧固状态下，阳极侧隔板50的第一凸部22及阴极侧隔板40的第一凸部12被朝向框架部件31压缩，并且垫圈GK5也被压缩。阳极侧隔板50的第二凹部23及阴极侧隔板40的第二凹部13与框架部件31接触。
图5是表示比较例的对单电池400施加了紧固载荷的状况的图。比较例的单电池400中，在非紧固状态下，第二凹部13、23与框架部件31接触。在从非紧固状态向紧固状态转变时，在阳极侧隔板50中对第一凸部22施加Z方向的紧固载荷，以第一凸部22和第一凹部21的连结点Fu为支点而在第一凹部21产生与Z方向相反方向的应力。其结果，存在第一凹部21从框架部件31剥离的可能性。
另一方面，在本实施方式的单电池140中，由于在图3所示的非紧固状态下在第二凹部23在框架部件31之间设置有间隙G1，所以在施加载荷时施加给第一凸部22的紧固载荷通过间隙G1而得到缓和。其结果，与在非紧固状态下没有间隙G1的情况相比，在第一凹部21产生的应力减小，能够抑制第一凹部21从框架部件31剥离。对于阴极侧隔板40的第一凸部12、第一凹部11及第二凹部13也是同样的。
图6是根据向隔板40、50的第一凸部12、22施加的紧固载荷施加量而示出在第一凹部11、21产生的应力的变化的图。“有接触”表示在非紧固状态下隔板40、50的第二凹部13、23与框架部件31接触的情况，“无接触”表示在非紧固状态下第二凹部13、23不与框架部件31接触的情况。由图6可知，在无接触的情况下，随着紧固载荷施加量的增加而在第一凹部11、21产生的应力缓慢上升。另一方面，在有接触的情况下，在第一凹部11、21产生的应力比无接触的情况下大，随着紧固载荷施加量的增加而急剧上升。其结果，与有粘结的情况相比，无粘结的情况下的第一凹部11、21从框架部件31剥离的可能性小。
图7是非紧固状态的燃料电池组100的侧视图。在非紧固状态的燃料电池组100中，拧松了螺母132，未对多个单电池140施加紧固载荷。此时的两端的端板110之间的距离是L2。此处，燃料电池组100优选满足式(1)。
N×G≤ΔL…(1)
G＝G1+G2，ΔL＝L2-L1
N：单电池的数量
G：非紧固状态下的第二凹部13、23与框架部件31之间的距离
ΔL：燃料电池组的压缩量
G1：非紧固状态下的第二凹部23与框架部件31之间的间隙(图3)
G2：非紧固状态下的第二凹部13与框架部件31之间的间隙(图3)
L1：紧固状态下的燃料电池组100的两端的端板110之间的距离(图1)
L2：非紧固状态下的燃料电池组100的两端的端板110之间的距离
式(1)表示：从非紧固状态向紧固状态转变时的燃料电池组100的压缩量ΔL为多个单电池140整体的第二凹部13、23各自与框架部件31之间的距离的和(N×G)以上。即，通过调查是否满足式(1)，能够判断是否满足“构成为在单电池140从非紧固状态向紧固状态转变后第二凹部13、23与框架部件31接触”。
如以上说明那样，在第一实施方式中，在单电池140的隔板40、50中，由于在非紧固状态下第二凹部13、23不与框架部件31接触，所以能够抑制在从非紧固状态向紧固状态转变时因紧固载荷而在第一凹部11、21产生的应力，能够抑制第一凹部11、21从框架部件31剥离。
·第二实施方式：
图8是第二实施方式的非紧固状态的单电池140a的局部剖视图，是与图3对应的图。在图8中，阳极侧隔板50a具有第一凹部21a、与第一凹部21a相邻的第一凸部22a及隔着第一凸部22a而设置在与第一凹部21a相反一侧的第二凹部23a。第一凹部21a通过粘结剂层90粘结于框架部件31。第二凹部23a与框架部件31之间的间隙是G1。
在阴极侧隔板40a上，在与阳极侧隔板50a的各凹凸21a、22a、23a对向的位置形成有凹部15、凸部16及凹部17。凹部15通过粘结剂层90粘结于框架部件31。在凹部17与框架部件31之间不存在间隙，两者处于接触的状态。
图9是表示对图8的单电池140a施加了紧固载荷的紧固状态的图，是与图4对应的图。在图9的紧固状态下，阳极侧隔板50a的第二凹部23a与框架部件31接触。在第二实施方式中，由于在非紧固状态下第二凹部23a也不与框架部件31接触，所以也能够抑制在从非紧固状态向紧固状态转变时因紧固载荷而在第一凹部21a产生的应力，能够抑制第一凹部21a从框架部件31剥离。
此外，在层叠第二实施方式的单电池140a而构成的燃料电池组中，也满足式(1)。在该情况下，在式(1)中，G＝G1(图8)。另外，图8及图9所示的形状的第一凹部21a、第一凸部22a及第二凹部23a也可以取代形成于阳极侧隔板50a而形成于阴极侧隔板40a。
上述的燃料电池组100能够如以下那样制造。首先，准备图3所示的隔板40、50的第二凹部13、23不与框架部件31接触的单电池140和作为紧固部件的螺栓131及螺母132(图1)，如图3所示那样层叠多个单电池140。接着，如图4所示，通过对多个单电池140施加紧固载荷来使第二凹部13、23与框架部件31接触。
如以上说明那样，由于在施加紧固载荷之前隔板40、50的第二凹部13、23不与框架部件31接触，所以能够抑制在施加紧固载荷之后在第一凹部11、21产生的应力，能够抑制第一凹部11、21从框架部件31剥离。
·变形例：
此外，本发明不限于上述的实施例、实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种各样的方式来实施，例如也能够进行如下那样的变形。
·变形例1：
在以上的实施方式中，将配置有垫圈GK5的凹部21、21a设为了第一凹部，但也可以将其他的与框架部件31粘结的凹部设为第一凹部。
本发明不限于上述的实施方式、变形例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种各样的结构来实现。例如，与发明内容一栏记载的各方式中的技术特征对应的实施方式、变形例中的技术特征能够为了解决上述问题的一部分或全部或者为了达成上述效果的一部分或全部而适当进行替换、组合。另外，只要该技术特征在本说明书中没有作为必要技术特征来说明，就能够适当删除。
标号说明
11…第一凹部
12…第一凸部
13…第二凹部
15…凹部
16…凸部
17…凹部
21、21a…第一凹部
22、22a…第一凸部
23、23a…第二凹部
30…MEGA板
31…框架部件
32…膜电极气体扩散层接合体(MEGA)
40、40a…阴极侧隔板
50、50a…阳极侧隔板
54…冷却介质流路槽
62…燃料气体入口歧管孔
64…燃料气体出口歧管孔
72…氧化剂气体入口歧管孔
74…氧化剂气体出口歧管孔
82…冷却介质入口歧管孔
84…冷却介质出口歧管孔
90…粘结剂层
100…燃料电池组
110…端板
120…绝缘板
131…螺栓
132…螺母
140、140a…单电池
400…单电池
GK1～GK5…垫圈

Claims (6)

1.一种燃料电池组，其中，具备：
层叠的多个单电池；和
紧固部件，沿着所述多个单电池的层叠方向将所述多个单电池紧固，
所述单电池具有膜电极气体扩散层接合体板和夹持所述膜电极气体扩散层接合体板的两个隔板，所述膜电极气体扩散层接合体板具有膜电极气体扩散层接合体和接合于所述膜电极气体扩散层接合体的周围的框架部件，
所述两个隔板中的至少一方的隔板由具有凹凸的冲压成形板构成，
在将所述凹凸中的靠近所述膜电极气体扩散层接合体板的部分称作凹部，将所述凹凸中的远离所述膜电极气体扩散层接合体板的部分称作凸部时，
所述一方的隔板具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧的第二凹部，
所述燃料电池组能够成为所述多个单电池通过所述紧固部件而被施加了紧固载荷的紧固状态和所述多个单电池未被施加所述紧固载荷的非紧固状态，
所述单电池构成为，在所述紧固状态下，所述第二凹部与所述框架部件接触，在所述非紧固状态下，所述第二凹部不与所述框架部件接触。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，
所述一方的隔板构成为，所述第一凸部设置在比所述第一凹部靠内侧的位置，所述第二凹部设置在比所述第一凸部靠内侧的位置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池组，
所述两个隔板中的另一方的隔板在与所述一方的隔板的所述第一凹部、所述第一凸部、所述第二凹部分别对向的位置具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧的第二凹部，
所述单电池构成为，在所述紧固状态下，所述一方的隔板的所述第二凹部及所述另一方的隔板的所述第二凹部与所述框架部件接触，在所述非紧固状态下，所述一方的隔板的所述第二凹部及所述另一方的隔板的所述第二凹部不与所述框架部件接触。
4.一种燃料电池组的制造方法，其中，包含：
工序(a)，准备多个单电池和用于紧固所述多个单电池的紧固部件；及
工序(b)，层叠所述多个单电池，并且利用所述紧固部件沿着所述多个单电池的层叠方向将所述多个单电池紧固，
所述单电池具有膜电极气体扩散层接合体板和夹持所述膜电极气体扩散层接合体板的两个隔板，所述膜电极气体扩散层接合体板具有膜电极气体扩散层接合体和接合于所述膜电极气体扩散层接合体的周围的框架部件，
所述两个隔板中的至少一方的隔板由具有凹凸的冲压成形板构成，
在将所述凹凸中的靠近所述膜电极气体扩散层接合体板的部分称作凹部，将所述凹凸中的远离所述膜电极气体扩散层接合体板的部分称作凸部时，
所述一方的隔板具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧且形成为不与所述框架部件接触的第二凹部，
所述工序(b)包含如下工序：通过利用所述紧固部件对所述多个单电池施加紧固载荷，来使所述一方的隔板的所述第二凹部与所述框架部件接触。
5.根据权利要求4所述的燃料电池组的制造方法，
所述一方的隔板构成为，所述第一凸部设置在比所述第一凹部靠内侧的位置，所述第二凹部设置在比所述第一凸部靠内侧的位置。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池组的制造方法，
所述两个隔板中的另一方的隔板在与所述一方的隔板的所述第一凹部、所述第一凸部、所述第二凹部分别对向的位置具有与所述框架部件粘结的第一凹部、与所述第一凹部相邻的第一凸部、隔着所述第一凸部而设置在与所述第一凹部相反一侧且形成为不与所述框架部件接触的第二凹部。
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