CN109935849B - 燃料电池单元以及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池单元，其不会使燃料电池单元的厚度为本来发电所需的厚度以上，能够将电压检测用的单元连接器可靠地保持在燃料电池单元。燃料电池单元(140)具有供单元连接器(70)进行安装的凹部(60)。在凹部(60)内，由隔板(30)的一部分(隔板(30)的第二伸出部(32))形成在安装单元连接器(70)时能够对单元连接器进行引导的引导部。在凹部(60)的与上述第二伸出部(32)对置的部位，配置在一对隔板间的绝缘用的树脂板(40)的一部分亦即突出部(41)朝向第二伸出部(32)突出。通过上述突出部(41)朝向第二伸出部(32)按压所安装的单元连接器(70)的压接面部(79)来保持稳定的姿势。

Description

燃料电池单元以及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池单元和将多个上述燃料电池单元层叠而成的燃料电池，上述燃料电池单元能够安装用于检测单元电压的电压检测用的单元连接器。
背景技术
燃料电池通常构成为将多个称为单电池的燃料电池单元层叠而成的堆栈结构。作为单电池的燃料电池单元，其具有电解质膜和由设置在电解质膜的一个面侧的阳极和设置在电解质膜的另一个面侧的阴极构成的膜电极接合体(MEA)，该燃料电池单元形成为平面大致呈矩形。而且，燃料电池单元具备夹持阳极和阴极的一对隔板。
隔板至少具备燃料气体用管孔和氧化气体用管孔，上述燃料气体用管孔用于向阳极供给氢气等燃料气体，上述氧化气体用管孔用于向阴极供给氧气等氧化气体。
隔板具有作为单元电极的功能，为了检测燃料电池单元的电压，具备端子的单元连接器安装在隔板的一部分(从发电区域向外侧延伸的部分)。用于将这种单元连接器安装在燃料电池单元的安装构造的一个例子记载在专利文献1或者专利文献2中。
在专利文献1记载的安装构造中，通过将在单元连接器形成的卡合部钩挂于燃料电池单元侧的卡止部，将单元连接器安装在燃料电池单元侧。另外，在专利文献2记载的安装构造中，在构成燃料电池单元的一对隔板中的一个隔板形成燃料电池单元厚度方向的鼓出部，在邻接的隔板与上述鼓出部之间插入单元连接器而将其固定，即，将单元连接器在燃料电池单元的厚度方向夹住而将其固定。
专利文献1：日本特开2007－200633号公报
专利文献2：日本特开2007－220338号公报
在现有的单元连接器相对于燃料电池单元的安装构造中，无法避免燃料电池单元的厚度变厚的情况。其理由是，专利文献1记载的安装构造是将形成于单元连接器的卡合部钩挂在燃料电池单元侧的卡止部的构造，为了防止上述卡止部变形，需要加厚构成卡止部的树脂框架的厚度。另外，专利文献2记载的安装构造是利用形成于隔板的在厚度方向鼓出的鼓出部来固定插入于此的单元连接器的构造，无法避免燃料电池单元的厚度增大该鼓出部的鼓出宽度的量。
发明内容
本发明是鉴于上述情况完成的，课题在于提供一种燃料电池单元，其不会使燃料电池单元的厚度为本来发电所需的厚度以上，能够将电压检测用的单元连接器可靠地保持在燃料电池单元。另外，本发明的课题在于提供将多个上述燃料电池单元层叠而成的燃料电池。
本发明的燃料电池单元能够安装用于检测单元电压的电压检测用的单元连接器，上述燃料电池单元至少具备膜电极接合体和夹持上述膜电极接合体的一对隔板，上述燃料电池单元的特征在于，具备：凹部，其供上述单元连接器进行安装；引导部，其为平板状，位于上述凹部的一边并沿上述单元连接器的插入方向延伸，在将上述单元连接器向上述凹部内进行安装时，上述引导部对上述单元连接器进行引导；树脂板，其配置在上述一对隔板之间；以及按压部件，其由上述树脂板的一部分构成，位于与上述引导部对置的位置，并在能够朝向上述引导部的方向按压安装在上述凹部的上述单元连接器的一部分的部位向上述凹部内突出。
在本发明的燃料电池单元中，所安装的单元连接器的下边侧通过在上述凹部内形成的引导部支承，在该状态下，单元连接器的一部分被按压部件按压，其中，该按压部件作为配置在一对隔板间的树脂板的一部分而向上述凹部内突出。由此，上述单元连接器的安装姿势稳定。另外，上述引导部和上述按压部件均为在燃料电池单元的面方向简单地伸出的平板状，燃料电池单元的厚度不会因上述引导部和上述按压部件而增加。
在本发明的燃料电池单元中，因为上述树脂板中的构成上述按压部件的部分的根部侧的两面由上述一对隔板夹持，所以能够稳定地维持按压部件的姿势，因此是优选方式。
在本发明的燃料电池单元中，上述引导部和上述按压部件也可以另外形成为专用于燃料电池单元的部件。但是，从能够使结构更加简化的观点出发，上述引导部由上述隔板的一部分构成、以及上述按压部件由用于密封上述一对隔板之间而配置在上述一对隔板间的绝缘用的树脂板的一部分构成的方式是优选的方式。
本发明的燃料电池单元的一个方式的特征在于，在上述燃料电池单元的周缘部至少设置有燃料气体用管孔和氧化气体用管孔，上述凹部配置在与上述燃料气体用管孔接近的位置。
本发明还公开了一种燃料电池，该燃料电池至少具备层叠有多个上述燃料电池单元的结构。
【发明效果】
根据本发明，提供燃料电池单元和层叠有多个上述燃料电池单元的燃料电池，不会使燃料电池单元的厚度为本来发电所需的厚度以上，能够将电压检测用的单元连接器可靠地保持在燃料电池单元。
附图说明
图1是表示燃料电池系统的简要结构的说明图。
图2是实施方式中的燃料电池单元的俯视图。
图3是表示沿图2的A－A线的剖面的示意图。
图4是表示实施方式中燃料电池单元的用于安装单元连接器的凹部的周边的放大立体图。
图5是图4所示的区域的俯视图。
图6是表示单元连接器的立体图。
图7是表示在燃料电池单元的凹部内安装有单元连接器的状态的俯视图，且单元连接器以剖面示出。
图8是沿图7的B－B线的剖视图。
图9是沿图7的C－C线的剖视图。
图10是表示层叠有多个燃料电池单元而成的燃料电池的用于安装单元连接器的凹部的周边的立体图。
附图标记说明：
100a…燃料电池系统；100…燃料电池堆；140…燃料电池单元；141…燃料电池单元上边；142…构成凹部的第一边部分；143…构成凹部的第二边部分；144…构成凹部的第三边部分；10…膜电极层接合体(MEA)；17…隔板的平坦面；18…隔板的周围的扩开部；19…树脂板与隔板的扩开部之间的空隙；20、30…一对隔板；40…绝缘用的树脂板；51…入口侧燃料气体用管孔；52…冷却介质出口管孔；53…入口侧氧化气体用管孔；54…出口侧燃料气体用管孔；55…冷却介质入口管孔；56…出口侧氧化气体用管孔；60…用于安装单元连接器的凹部；70…电压检测用的单元连接器；81…端子；84…与端子连接的导电线；31…隔板30的第一伸出部；32…隔板30的第二伸出部；41…树脂板向凹部60内突出的突出部；71…扁平的外壳；73…外壳的主体部；74…外壳的把手部；75…直线状的底边区域；76…前端区域；77…前端区域的前端部；79…压接面部；82…在底边区域的下端部形成的空隙；83…在前端区域形成的空隙；α…从隔板的第二伸出部的上缘至树脂板的突出部为止的距离；β…隔板的空隙82的上缘与压接面部79之间的距离；S…发电区域。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。最初对使用本实施方式的燃料电池单元的燃料电池系统的简要结构进行说明。
燃料电池系统100a具备作为燃料电池的燃料电池堆100。燃料电池堆100是依次将端板110、绝缘板120、集电板130、多个燃料电池单元140、集电板130、绝缘板120、端板110层叠而成的堆栈结构。从储藏有高压氢的氢罐150向燃料电池堆100供给作为燃料气体的氢。在燃料电池堆100中未被利用的燃料气体(阳极废气)经由排出配管151向燃料电池堆100的外部排出。另外，经由气泵160向燃料电池堆100供给作为氧化气体的空气。在燃料电池堆100中未被利用的氧化气体(阴极废气)经由排出配管161向燃料电池堆100的外部排出。
并且，为了冷却燃料电池堆100，经由水泵171向燃料电池堆100供给通过散热器170而被冷却的冷却介质。从燃料电池堆100排出的冷却介质经由配管向散热器170循环。作为冷却介质，例如能够使用水、乙二醇等防冻溶液，或者空气等。
如在图3中示意地示出沿之后说明的图2的A－A线的剖面那样，燃料电池堆100具有的各燃料电池单元140具备：作为发电模块的膜电极层接合体(MEA)10；以及夹持膜电极层接合体10的一对隔板20、30。在膜电极层接合体10与隔板20、30之间具备扩散层12、13。在该例子中，阳极侧隔板20在膜电极层接合体10侧的面具备条状的多个燃料气体流路槽14，在与膜电极层接合体10相反一侧的面具备条状的多个冷却介质流路槽15。另一方的阴极侧隔板30在膜电极层接合体10侧的面具备条状的多个氧化气体流路槽16。
各燃料电池单元140具备用于绝缘的树脂板40，该树脂板40在阳极侧隔板20与阴极侧隔板30之间配置在膜电极层接合体10的面方向的外侧(外周)。树脂板40使用热塑性树脂模制成型为板状且成型为框状，在树脂板40的中央区域保持有膜电极层接合体10的状态下，树脂板40密封阳极侧隔板20与阴极侧隔板30之间。作为树脂板40，例如能够使用PE、PP、PET、PEN等树脂。
图2是燃料电池单元140的简要俯视图。中央部的S所表示的区域是与膜电极层接合体10对应的区域，是发电区域S。在与发电区域S对置的阳极侧隔板20和阴极侧隔板30的区域，形成有上述燃料气体流路槽14和氧化气体流路槽16，从而成为凹凸面。上述用于绝缘的树脂板40位于发电区域S的外周侧。在树脂板40的区域中，阳极侧隔板20和阴极侧隔板30均为平坦面17，通过该对隔板20、30夹持着该树脂板40。
如图3所示，上述阳极侧隔板20与阴极侧隔板30中的与上述树脂板40对应的外周缘部成为扩开部18，该扩开部18从上述平坦面17的部分开始扩开至高度与燃料气体流路槽14以及氧化气体流路槽16的槽的高度大致相同，由此在该扩开部18与树脂板40之间形成有空隙19。另外，与上述扩开部18的前端相比，树脂板40稍微向外侧伸出。
上述平坦面17是燃料电池单元140的非发电区域，在上述平坦面17的燃料电池单元140的一侧端部侧，形成有入口侧燃料气体用管孔51、冷却介质出口管孔52以及入口侧氧化气体用管孔53。与此相对，在另一侧端部侧，形成有出口侧燃料气体用管孔54、冷却介质入口管孔55以及出口侧氧化气体用管孔56。
经由配管供给来的燃料气体通过入口侧燃料气体用管孔51分配至各燃料电池单元140的燃料气体流路槽14(图3)。之后，在燃料气体流路槽14中未被利用的燃料气体通过出口侧燃料气体用管孔54汇集，并向燃料电池堆100的外部排出。另外，经由配管供给来的氧化气体通过入口侧氧化气体用管孔53分配至各燃料电池单元140的氧化气体流路槽16(图3)。之后，在氧化气体流路槽16中未被利用的氧化气体通过出口侧氧化气体用管孔56汇集，并经由配管向燃料电池堆100的外部排出。
经由冷却介质用的配管供给来的冷却介质通过冷却介质入口管孔55分配至各燃料电池单元140的冷却介质流路槽15(图3)。之后，冷却介质通过冷却介质出口管孔52汇集，经由配管向燃料电池堆100的外部排出。
一般情况下，在燃料电池运转时，通常使用氢气作为燃料气体，使用空气作为氧化气体。因此，与在运转时向燃料电池单元供给的氢气的量比较，空气的量较多。因此，燃料气体用管孔51、54的开口部的面积可以小于氧化气体用管孔53、56的开口部的面积。因此，和氧化气体用管孔53、56的周边部比较，在燃料气体用管孔51、54的附近能够确保更宽的空间。
在本实施方式的燃料电池单元140中，在出口侧燃料气体用管孔54的近旁所确保的较宽空间的部分，形成有作为切口部的凹部60，在凹部60安装有电压检测用的单元连接器70，该单元连接器70用于检测单元电压。以下详述其结构。
图4是表示燃料电池单元140中的用于安装单元连接器70的凹部60的周边的放大立体图，图5是其俯视图。另外，图6是能够安装在上述凹部60的单元连接器70的立体图。
如图4以及图5所示，在本实施方式中，上述凹部60是由第一边部分142、第二边部分143和第三边部分144划分的区域，其中，上述第一边部分142从燃料电池单元140的一边(以下为了便于说明称为上边)141开始以大致45度的角度朝向斜下方倾斜，上述第二边部分143从该第一边部分142的下端开始朝向上述上边141向斜上方立起，上述第三边部分144从该第二边部分143的上端侧开始朝向上述上边141延伸。
如图4所示，一方的隔板20被沿着凹部60的第一边部分142、第二边部分143以及第三边部分144切口，以沿着该切口部的方式形成有上述扩开部18。另外，图7表示在上述凹部60安装有单元连接器70的状态，图8是图7中的沿B－B线的剖面，图9是图7中的沿C－C线的剖面，在图8、图9中明确地示出，树脂板40的一部分沿该切口部伸出。此外，在图7中，单元连接器70以剖面示出，还示出了与端子81连接的导电线84。
另一方的隔板30中的上述扩开部18具有：第一伸出部31，其朝向由上述凹部60的第一边部分142的下部、第二边部分143以及第三边部分144围起的区域伸出；以及第二伸出部32，其从该第一伸出部31的下方区域沿第一边部分142延伸，上述第二伸出部32的上缘32a与第一边部分142平行。在上述第一伸出部31的适当位置形成有作为限位器而发挥功能的鼓出部33。
在一对隔板20、30之间，通过一对隔板20、30的平坦面17、17夹持的树脂板40的一部分具有突出部41，该突出部41在上述凹部60的上述第三边部分144的前端侧较大，且朝向第一边部分142侧突出，该突出部41的下侧朝向第一边部分142侧鼓出。各部件的层叠顺序为：从图4以及图5的表面朝向背面而依次层叠隔板20、树脂板40及其突出部41、隔板30。
接下来，对安装在上述凹部60的单元连接器70进行说明。图6是表示单元连接器70的一个例子的立体图。单元连接器70具备扁平的外壳71。外壳71由主体部73和把手部74构成，上述主体部73沿着形成于燃料电池单元140的上述凹部60的形状，上述把手部74位于上述主体部73的一端。
上述主体部73具有直线状的底边区域75和位于该底边区域75的前端侧的前端区域76，上述前端区域76的前端部77呈锐角。上述前端区域76的上缘侧由前方倾斜面78、压接面部79和后方倾斜面80构成，上述前方倾斜面78相对于直线状的底边区域75而向斜上方倾斜，上述压接面部79从该前方倾斜面78的上端以与上述直线状的底边区域75大致平行的方式伸出，上述后方倾斜面80从该压接面部79的后端部向斜上方伸出，上述后方倾斜面80与上述把手部74连接。上述直线状的底边区域75的长度比上述凹部60的第一边部分142的长度稍短。
在外壳71的内部形成有空间区域，在该空间区域配置有端子81。在底边区域75的下端部，遍及底边区域75的全长而形成有空隙82，上述隔板30的上述第二伸出部32能够进入该空隙82，在前端区域76也形成有空隙83，上述隔板30的上述第一伸出部31能够进入该空隙83。而且，从隔板30的上述第二伸出部32的上缘32a至上述树脂板40的上述突出部41的最下端部为止的距离α设定为比隔板30的上述空隙82的上缘与上述压接面部79之间的距离β窄0.1～0.5mm左右。
在单元连接器70组装在作为隔板30的切口部的上述凹部60内的状态下，上述端子81配置在能够夹住隔板30的第一伸出部31的一部分的部位，端子81的后端部与导电线84连接(参照图7)。
为了将单元连接器70安装在燃料电池单元140，将单元连接器70以插入作为上述切口部的凹部60内的方式进行组装。在组装时，使隔板30的第二伸出部32成为插入形成于单元连接器70的底边区域75的空隙82内的状态，将该第二伸出部32利用为引导部，使单元连接器70在凹部60内朝向下方滑动来压入。通过向斜下方的移动，单元连接器70的前端区域76的上述前端部77到达隔板30的第一伸出部31的区域，并通过进一步滑动，成为第一伸出部31进入前端区域76内的状态，在该状态下，单元连接器70内的端子81成为与隔板30的第一伸出部31电连接的状态。
如上所述，从隔板30的上述第二伸出部32的上缘32a至上述树脂板40的上述突出部41的最下端部为止的距离α设定为比隔板30的上述空隙82的上缘与上述压接面部79之间的距离β窄0.1～0.5mm左右。因此，在形成于燃料电池单元140的上述凹部60内安装有单元连接器70的状态下，单元连接器70成为如下状态，即：通过树脂板40的上述突出部41具有的弹力，单元连接器70的压接面部79被朝向下方亦即朝向隔板30的第二伸出部32按压。通过该按压力，使得单元连接器70以稳定的姿势相对于燃料电池单元140安装。
另外，树脂板40的上述突出部41的基部侧通过一对隔板20、30的上述平坦面17、17而从左右被夹持，突出部41的姿势也被维持为稳定状态。
如上述所述，在本实施方式的燃料电池单元140中，使通常配置在作为发电模块的膜电极层接合体(MEA)10的面方向的外侧(外周)的绝缘用的树脂板40的一部分朝面方向突出，并将该突出部41的下端侧利用为对安装于燃料电池单元140安装的单元连接器70进行按压的按压部件，由此确保单元连接器70的稳定性。因此，在本实施方式中，能够保持原样地使用在燃料电池单元中一般使用的绝缘用的树脂板来确保单元连接器的稳定性，无需如现有的单元连接器安装方式那样使用厚度较厚的树脂板。其结果是，不必增大燃料电池单元140的大小就能够确保单元连接器的稳定性。
另外，在本实施方式中，如图2所示，利用存在于出口侧燃料气体用管孔54的附近的空闲空间，形成上述单元连接器安装用的凹部60，因此无需为了形成凹部60而确保新的空间，所以能够实现燃料电池单元140中的节省空间化。此外，在图2中，在出口侧燃料气体用管孔54的附近形成凹部60，但缩小入口侧燃料气体用管孔51的开口面积，能够同样确保空间，在入口侧燃料气体用管孔51的附近也能形成单元连接器安装用的凹部60。
并且，在本实施方式中，单元连接器70向凹部60的插入方向的前端部77成为锐角，在安装时，能够减少单元连接器70的前端区域76与隔板30的第一伸出部31的前端部干扰的程度，能够使单元连接器70向凹部60的安装顺畅地进行。
在本实施方式中，将隔板30的第二伸出部32利用为安装单元连接器70时的引导部，但也可以以不增加整体的厚度为条件，由与隔板30不同的其他部件形成与第二伸出部32相当的部件。另外，由密封一对隔板20、30之间的绝缘用的树脂板40的一部分构成从上方按压单元连接器70的部件，但此处也可以以不增加整体的厚度为条件，将与绝缘用的树脂板40不同的其他树脂板配置在上述一对隔板20、30之间来形成。
在基于上述图2～图9说明过的实施方式中，对一个燃料电池单元140与一个单元连接器70的情况进行了说明，但如图1所示的燃料电池系统100a那样，在燃料电池堆100由多个燃料电池单元140构成的结构中，如图10所示，相对于构成燃料电池单元组140a的燃料电池单元在相同位置形成相同形状的凹部60a，相对于该凹部组60a安装并列配置有数量与凹部60a的数量对应的单元连接器70的构造的单元连接器70a。
最后，说明基于本实施方式的燃料电池单元140的实际例、和基于现有的日本特开2007－200633号公报所记载的连接器的安装方式而得到的燃料电池单元的比较。在为基于本实施方式的燃料电池单元140的情况下，作为上述树脂板40而使用0.2mm的厚度，确保了所安装的单元连接器70的稳定性。燃料电池单元140的厚度为1.0mm。在通过上述现有技术记载的方式安装单元连接器的情况下，为确保安装的稳定性，作为用于形成上述卡止部的树脂框架而需要1.0mm的厚度，其结果是，即便在使用与本实施方式的燃料电池单元140相同的膜电极接合体(MEA)的情况下，燃料电池单元的厚度也为1.8mm。由此，能够确认得出：使用基于本实施方式的单元连接器70的安装方式，不会使单元的厚度为本来发电所需的厚度以上，能够获得发电水平与现有的燃料电池单元相同的燃料电池单元。

Claims (6)

1.一种燃料电池单元，能够安装用于检测单元电压的电压检测用的单元连接器，所述燃料电池单元至少具备膜电极接合体和夹持所述膜电极接合体的一对隔板，
所述燃料电池单元的特征在于，具备：
凹部，其供所述单元连接器进行安装；
引导部，其为平板状，位于所述凹部的一边并沿所述单元连接器的插入方向延伸，在将所述单元连接器向所述凹部内进行安装时，所述引导部对所述单元连接器进行引导；
树脂板，其配置在所述一对隔板之间；以及
按压部件，其由所述树脂板的一部分构成，位于与所述引导部对置的位置，并在能够朝向所述引导部的方向按压安装在所述凹部的所述单元连接器的一部分的部位向所述凹部内突出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
所述树脂板中的构成所述按压部件的部分的根部侧的两面由所述一对隔板夹持。
3.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
所述按压部件由用于密封所述一对隔板之间而配置在所述一对隔板间的绝缘用的树脂板的一部分构成。
4.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
所述引导部由所述隔板的一部分构成。
5.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
在所述燃料电池单元的周缘部至少设置有燃料气体用管孔和氧化气体用管孔，
所述凹部配置在存在于所述燃料气体用管孔的周围的空闲空间。
6.一种燃料电池，其中，
至少具备层叠有多个权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池单元的结构。
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